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PROYECTO GENOMA HUMANO
Medicina Molecular 2011Maestría en Biología Molecular
Médica- UBA
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Medicina Molecular 2011Maestría en Biología Molecular Médica- UBA
GENOMA HUMANO
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Some landmarks on the way tothe genome sequence
• 1940s Recognition that DNA is thehereditary material
• 1953 Double-helix structure described• 1966 Genetic code cracked• 1972 Recombinant DNA technology
developed• 1975-77 DNA sequencing technology
developed
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• SI DESPLEGAMOS TODO EL DNA CONTENIDO EN LOS 46 CROMOSOMAS EL DNA MEDIRIA 2 METROS DE LONGITUD.
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Arthur Kornberg, Premio Nobel de Medicina 1959
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TRANSCRIPCION
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Severo Ochoa- Premio Nobel de Medicina 1959
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Protein Synthesis -Transcription
• Each gene codes for a protein• DNA sense strand acts as template
and is ‘transcribed’ into messenger RNA (mirror image of the DNA but Uracil instead of Thymine)
DNA
mRNA
A T C G GU A G C C
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DILUCIDACION DEL CÓDIGO GENÉTICO
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The Genetic Code
The 3-base genetic code is shown in its RNA format
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Marshall Nirenberg. Premio Nobel de Medicina 1968
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Severo Ochoa- Premio Nobel de Medicina 1959
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EL DNA TIENE INTRONES Y EXONES
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Exons
Introns
Gene Structure
Promoter
TAATAG ‘stop’TGA
ATGstart
Exon = coding sequenceIntron= interveningsequence (non-coding)
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SPLICING
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SPLICING ALTERNATIVO
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J. Darnell. Splicing alterantivo
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SPLICEOSOMA
Spliceosoma de HeLa + pre-mRNA de beta globina
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SPLICING DIFERENCIAL EN DISTINTOS TEJIDOS
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Some landmarks on the way tothe genome sequence
• 1940s Recognition that DNA is thehereditary material
• 1953 Double-helix structure described• 1966 Genetic code cracked• 1972 Recombinant DNA technology
developed• 1975-77 DNA sequencing technology
developed
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TRADUCCION
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Some landmarks on the way tothe genome sequence
• 1940s Recognition that DNA is thehereditary material
• 1953 Double-helix structure described• 1966 Genetic code cracked• 1972 Recombinant DNA technology
developed• 1975-77 DNA sequencing technology
developed
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ENZIMAS DE RESTRICCION
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POLYMERASE CHAIN REACTION
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PCR
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PLASMIDOS
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T-37
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T-34
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Some landmarks on the way tothe genome sequence
• 1940s Recognition that DNA is thehereditary material
• 1953 Double-helix structure described• 1966 Genetic code cracked• 1972 Recombinant DNA technology
developed• 1975-77 DNA sequencing technology
developed
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Frederick Sanger, Nobel Prize 1958 y 1980
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Landmarks• 1983 First human disease gene mapped
(Huntington’s disease). Gene finally isolated in 1993
• 1990 Human Genome Project launched• 1995 Human Physical map completed• 1996 Sequencing begins• 1999 Full-scale sequencing begins• 2001 ‘Working draft’ produced• 2003 Final sequence published
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Meeting en Alta, Utah, 1984
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Human Genome Project Goals
• identify all the genes in human DNA, • determine the sequences of the 3 billion chemical
base pairs that make up human DNA• store this information in databases, • improve tools for data analysis, • transfer related technologies to the private sector, and • address the ethical, legal, and social issues (ELSI)
that may arise from the project.
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Why?•virtually all disease states arisethrough complex interplay betweengenes & environment•almost all progress to date is onsingle-gene disorders•Cancers, heart disease, hypertensionetc, all have genetic component,
–many genes involved–hard to get at by traditional techniques
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Cinco instancias de análisis del GH y sus productos:• GENOMA HUMANO: análisis de la secuencia completa• TRANSCRIPTOMA HUMANO: análisis de las secuencias
transcriptas en mRNA (genes)• PROTEOMA HUMANO: análisis de las proteínas presentes en
las células humanas• GLICOMA HUMANO: análisis de las glicoproteínas presentes
en las células humanas• LIPIDOMA HUMANO: análisis de los lípidos presentes en las
células humanas
Proyecto Genoma Humano
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Tabla 1. Tamaño comparativo de los genomas de diversas especies Especie Genoma Haploide Genes (pares de Bases, bp) (n) Homo sapiens 3.000.000.000. 30.000 - 35.000 Mus musculus 3.000.000.000. 30.000-35.000 Rattus norvegicus 3.000.000.000. 30.000-35.000 Drosophila 165.000.000. 15.000 - 25.000 (mosca de la fruta) C. elegans 100.000.000. 19.000 Levadura y hongos 14.000.000. 8.355 - 8.947 E. Coli 4.670.000. 3.237 H.Influenzae 1.800.000. M. Genitalium 580.000.
Proyecto Genoma Humano
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The Human Genome Race
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Collins vs. Venter
Francis Collins Craig Venter
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2.000
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Collins
• Francis Collins, a physician, isdirector of the National Human Genome Research Institute.
• His research laboratory wasresponsible for identifying thegenes responsible for CysticFibrosis, Neurofibromatosis, and Huntington's disease.
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VenterVenter founded the nonprofit Institute
for Genomic Research in 1992. Before that he was section chiefand a laboratory chief at theNational Institutes of NeurologicalDisorders and the NationalInstitutes of Health. Celera Genomics is part of the PE Corporation.
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VenterCelera is a for-profit
organization whose motto is“Discovery Can’t Wait”
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Intro to Sequencing• To read the DNA, the chromosomes
are cut into tiny pieces, each ofwhich is read individually.
• When all the segments have beenread they are assembled in thecorrect order. Link these fragmentsto self-replicating forms of DNA = vectors.
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Intro to Sequencing• Two approaches have been used
to sequence the genome. • They differ in the methods they use
to cut up the DNA, assemble it in the correct order, and whether theymap the chromosomes beforedecoding the sequence.
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Intro to Sequencing: BAC toBAC
• The BAC-to-BAC method: • the first to be employed in human
genome studies• slow but sure• also called the “map based
method”
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BAC to BAC - 1• First create a rough physical
map of the whole genomebefore sequencing the DNA
• requires cutting the chromosomesinto large pieces and then figuringout the order of these big chunks ofDNA before taking a closer look and sequencing all the fragments.
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BAC to BAC - 2
II. Several copies of the genomeare randomly cut into piecesthat are about 150,000 base pairs (bp) long.
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BAC to BAC - 2
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BAC to BAC - 3
Each of these 150,000 bp fragmentis inserted into a BAC ♦ A BAC is a man made piece of DNA that can
replicate inside a bacterial cell.♦ The collection of BACs containing the
entire human genome is called “a BAC library”.
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BAC to BAC - 3
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BAC to BAC - 4These pieces are fingerprinted to give
each piece a unique identification tagthat determines the order of thefragments.
Cutting each BAC fragment with a single enzyme and finding commonsequence landmarks in overlappingfragments that determine the locationof each BAC along the chromosome.
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BAC to BAC - 4
Then overlapping BACs with markers every 100,000 bp form a map of each chromosome
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BAC to BAC - 4
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BAC to BAC - 5
Each BAC is then broken randomly into 1,500 bppieces and placed in anotherartificial piece of DNA calledM13. This collection is knownas an M13 library.
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BAC to
BAC - 5
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BAC to BAC - 6
All the M13 libraries are sequenced. 500 bp from one end of thefragment are sequencedgenerating millions ofsequences
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BAC to BAC - 7
These sequences are fed intoa computer program calledPHRAP that looks forcommon sequences that jointwo fragments together.
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BAC to BAC - 7
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Whole Genome Shotgun - 1
The shotgun sequencingmethod goes straight to thejob of decoding, bypassingthe need for a physical map.
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Whole Genome Shotgun - 2
Multiple copies of the genomeare randomly shredded intopieces that are 10,000 bp long by squeezing the DNA througha pressurized syringe. This isdone a second time togenerate pieces that are 2,000 bp long.
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Whole Genome Shotgun - 2
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Whole Genome Shotgun - 3
Each 2,000 and 10,000 bpfragment is inserted into a plasmid, which is a piece of DNA that can replicate in bacteria.
The two collections of plasmidscontaining 2,000 and 10,000 bpchunks of human DNA are known as plasmid libraries.
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Intro to Sequencing: WholeGenome Shotgun
• Whole Genome Shotgun Methodbrings speed into the picture, enabling researchers to do the jobin months to a year.
• Developed by Celera presidentCraig Venter in 1996 when he wasat the Institute for GenomicResearch.
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WholeGenome
Shotgun - 3
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Whole Genome Shotgun - 4
Both plasmid libraries are sequenced.
500 bp from each end of eachfragment are decoded generatingmillions of sequences. Sequencing both ends of eachinsert is critical for assembling theentire chromosome.
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WholeGenome
Shotgun - 4
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Whole Genome Shotgun - 5
Computer algorithmsassemble the millions ofsequenced fragments into a continuous stretch resemblingeach chromosome.
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Whole Genome Shotgun - 5
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• Genome sequencing factories churn out raw sequence data at an ever increasingrate
• Fewer scientists are involved in generatingdata and more are involved in data analysis
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Raw Genome Data:
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Finding genes in genomesequence is not easy
• About 1.3 % of human genome encodesfunctional protein.
• 28 % of human genome is transcribed intoRNA
• 50 % of human genome are repetitivesequences
• Genes are interspersed among long stretches ofnon-coding DNA.
Repeats, pseudo-genes, and introns confoundmatters
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Gene families• Members may exhibit high sequence homology• sometimes contain a highly conserved domain
(e.g. SOX box)• sometimes contain a very short conserved
“motif” (e.g. DEAD box, asp-glu-ala-asp RNA helicases)• superfamilies (e.g. Ig superfamily)• sometimes clustered (e.g. globin genes)• Often associated with truncated and non
processed pseudogenes
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Chromosomal location of repetitive DNA
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Human genes vary enormously in size and exon content
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GENE DENSITIES
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GENES WITHIN GENES
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“Tenemos una enorme cantidad de información, pero nos falta
conocimiento”
Sidney Brenner
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Proteomics
• Identify all of the proteins in an organism– Potentially many more than genes due to
alternative splicing and post-translationalmodifications
• Quantitate in different cell types and in response to metabolic/environmentalfactors
• Protein-protein interactions
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• La Medicina Molecular debería ser una especialidad médica.
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