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Introducción a la Genómica
GENÓMICA, PROTEÓMICA Y
BIOINFORMÁTICA
Desarrollo de estrategias terapéuticas para
el nuevo milenio.
Curso de Post-Grado de la UB
Enero 2006
Dra. Sílvia Atrian
Departament de Genètica
Universitat de Barcelona
S. XX
1900
Genética
1950
Genética
Molecular
S. XXI
1975
Ingeniería
Genética
GENES
Sílvia Atrian, UB.
Genómica
GENOMAS
La Genómica: sus etapas
EL PASADO: inicio de la Genómica
METODOLOGÍA
EL PRESENTE:desarrollo de la
Genómica
DATOS
EL FUTURO: uso de la Genómica
INTEGRACIÓN
Sílvia Atrian, UB.
La Genómica: sus etapas
EL PASADO: inicio de la Genómica
Sílvia Atrian, UB.
METODOLOGÍA
La Genómica vs. La secuenciación DNA
Secuenciación DNA
F. Sanger & W. Gilbert
Fago Fx174
Sanger (Nature, 1977)
Secuenciación automática
Bioinformática
Genomas: archaeas, procariotas
& eucariotas
Genómica
( T. Roderick, 1986)
Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.
Las dimensiones de los genomas
levaduras
107
mamíferos
3x109
bacterias
plantas
1010
humano
3x109
Sílvia Atrian, U.B.
insectos
106
virus
103
108
* en nucleótidos
Las estrategias de secuenciación
SHOT-GUN
CLASICO
Mapa ordenado
de segmentos
1
2
3
Secuenciación
ATCCGGCATAGCATGAC...
Ordenación
Secuenciación
1
ATCCGGCATAGCATGAC...
Sílvia Atrian, UB.
2
3
Los proyectos Genoma
¿Cuáles?:
Patógenos & Parásitos
El hombre
Modelos
Sílvia Atrian, U.B.
Eubacteria
Archaea
Aeropyrum pernix K1
Archaeoglobus fulgidus
Halobacterium sp. NRC-1
Methanococcus jannaschii
Methanobacterium thermoautotrophicum
Pyrococcus abyssi
Pyrococcus horikoshii
Sílvia Atrian, UB.
Aquifex aeolicus
Bacillus subtilis
Bacillus halodurans C-125
Borrelia burgdorferi
Buchnera sp. APS
Campylobacter jejuni
Chlamydia muridarum
Chlamydia trachomatis
Chlamydophila pneumoniae J138
Chlamydophila pneumoniae
Deinococcus radiodurans R1
Escherichia coli
Haemophilus influenzae
Helicobacter pylori
Helicobacter pylori J99
Mycobacterium tuberculosis
Mycoplasma genitalium
Mycoplasma pneumoniae
Neisseria meningitidis MC58
Neisseria meningitidis Z2491
Pseudomonas aeruginosa
Rickettsia prowazekii
Synechocystis PCC6803
Treponema pallidum
Thermotoga maritima
Ureaplasma urealyticum
Vibrio cholerae
Xylella fastidiosa
Invertebrados.
Distintos microorganismos procariotas.
http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdb.html
Proyectos Genoma procariotas.
Eucariotas unicelulares.
http://alces.med.umn.edu/Candida.html
Proyecto Genoma de Candida albicans.
http://glamdring.ucsd.edu/others/dsmith/dictydb.html
Proyecto Genoma de Dictyostelium discoideum.
http://www.mips.biochem.mpg.de
Proyecto Genoma de Neurospora crassa.
http://ben.vub.ac.be/malaria/mad.html
Proyecto Genoma de Plasmodium falciparum.
http://www.wehi.edu.au/biology/malaria/who.html
Proyecto Genoma de Plasmodium falciparum.
http://genome-www.standford.edu/Saccharomyces/
Proyecto Genoma de Saccharomyces cerevisiae.
Sílvia Atrian, UB.
http://www.ab.a.utokyo.ac.jp/sericulture/shimada.html
Proyecto Genoma de Bombyx mori.
http://www.ddbj.nig.ac.jp/htmls/celegans/html/CE_INDEX.html
Proyecto Genoma de Caenorhabditis elegans.
http://flybase.bio.indiana.edu/
Proyecto Genoma de Drosophila melanogaster.
http://klab.agsci.colostate.edu/
Proyecto Genoma del Mosquito.
Vegetales.
http://ars-genome.cornell.edu
Proyectos Genoma de diversos vegetales.
http://www.arabidopsis.org/
Proyecto Genoma de Arabidopsis thaliana.
http://rgp.dna.affrc.go.jp/
Proyecto Genoma de Oryza sativa.
http://aestivum.moulon.inra.fr/imgd/
Proyecto Genoma de Zea mays.
Vertebrados.
http://zfish.uoregon.edu/
Proyecto Genoma del pez zebra.
El genoma humano
http://www.ri.bbsrc.ac.uk/chickmap/chickgbase/manager.html
Proyecto Genoma del pollo.
http://www.nhgri.nih.gov
http://locus.jouy.inra.fr/cgi-bin/bovmap/intro2.pl
Proyecto Genoma de la vaca.
http://www.celera.com
http://mendel.berkeley.edu/dog.html
Proyecto Genoma del perro.
http://www.informatics.jax.org/
Proyecto Genoma del ratón.
http://ratmap.gen.gu.se/
Proyecto Genoma de la rata.
Diversos Proyectos Genoma.
http://www.sanger.ac.uk/Projects
Diversos Genomas eucariotas.
http://www.mips.biochem.mpg.de
Diversos Genomas eucariotas.
Sílvia Atrian, UB.
http://www.sanger.ac.uk
Interactive access to DNA and protein sequences:
http://www.ensembl.org/
Images of chromosomes, maps, loci:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/
Gene map:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genemap99/
Overview of human genome structure
http://hgrep.ims.u-tokyo.ac.jp
Single-nucleotide polymorphisms:
http://snp.cshl.org/
Human genetic disease:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/
http://www.geneclinics.org/profiles/all.html
Social, ethical, legal issues:
http://www.genome.gov/page.cfm?pageID=10001618
La Genómica: sus etapas
EL PRESENTE:desarrollo de la
Genómica
Sílvia Atrian, UB.
DATOS
¿ Qué “Genómica” ?
secuenciación, mapaje de genes,
Genómica
estructural:
Genómica
funcional:
Sílvia Atrian, UB.
anotación genómica,
estructura/función proteínas
el genoma en funcionamiento
(transcritos y proteínas)
* el desarrollo
* el mantenimiento
* la disfunción
¿ Qué Genómica ?
Genómica
estructural:
Genómica
funcional:
secuenciación, mapaje de genes,
anotación, identificación proteínas
el genoma en funcionamiento
Proteómica
Genómica comparada
Genómica evolutiva
Sílvia Atrian, UB.
non-mRNAs
Farmaco-Genómica
Genómica estructural y comparada
La anotación de genomas,
la identificación de proteínas y
asignación de funciones
Grandes modelos de Genómica estructural:
Los genomas procariotas
Sílvia Atrian, UB.
Los espacios de secuencia, estructura y
función
Función
Genómica
funcional
Secuencia
Genómica
estructural
Estructura
Alfonso Valencia, CNB.
The GeneQuiz assignments
Sin ninguna similitud conocida
SECUENCIAS ÚNICAS
Similares a proteínas de
función desconocida :
FAMILIAS HUERFANAS
Similares a proteínas
de estructura conocida
MODELADO
Similitudes débiles
FUNCION TENTATIVA
Similares a proteínas de función conocida
PREDICCIÓN DE LA FUNCIÓN
Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.
by The Genequiz Consortium
Alfonso Valencia, CNB.
http://www.genomes.org/services/
follow: genequiz
Genomas de patógenos bacterianos
Haemophilus influenzae (1995)
Helicobacter pylori
Mycobacterium tuberculosis
Vibrio cholera
Genómica estructural/comparada
Genómica funcional
Genes de patogeneidad, de virulencia y de resistencia
Genes metabólicos, exclusividad procariota y de patógenos
Desarrollo de agentes terapéuticos
Genes de determinantes antigénicos
Desarrollo de vacunas
Genes exclusivos de especies, cepas patógenas
Desarrollo de tests diagnósticos
Sílvia Atrian, UB.
Genomas de parásitos eucariotas
Plasmodium
Trypanosoma
Leishmaniasis
malaria
sueño, Chagas
leishmaniasis
Schistosoma
Onchocerca
bilharzia
filariasis
Técnicas necesidad de desarrollo de:
-gene manipulación génica in vivo (knockouts, transgénicos)
-sistemas de transfección
-sistemas de expresión de genes en estos organismos
Sílvia Atrian, UB.
FEBRERO 2001:
Consorcio Público
Celera Genomics
Sílvia Atrian, UB.
1 gen ~ región de DNA
n patrones codificantes
mRNA
proteínas
los RNA auto-funcionales
35 % genes (ORF) humanos:
lectura múltiple
Defectos sistemáticos de las anotaciones:
- los ORF < 100 aminoàcidos
- los ORF de RNA como producto final
Sílvia Atrian, UB.
Los ~40.000 genes (ORF) humanos:
se multiplicarán por …..:
El número de proteínas maduras será
infinitamente mayor
El número de interacciones será
infinitamente mayor
Sílvia Atrian, UB.
Lección de humildad: Complejidad y número de genes
levadura
6000
Drosophila
13000
.
C.elegans
19000
Sílvia Atrian, U.B.
30000
La complejidad de las
interacciones, no el
número de elementos
codificantes
Arabidopsis
25000
* pb
La anotación de los Proyectos
Genoma es en si mismo un
Proyecto tanto o más imponente.
Sílvia Atrian, UB.
Genómica funcional:
El genoma en funcionamiento,
Las técnicas: - los análisis masivos de transcritos
- los DNAchips y DNAarrays
- mutagénesis por disrupción génica
- interferencia de RNA
- los ensayos de interacciones proteicas
Grandes modelos de Genómica Funcional:
La levadura: S.cerevisiae
Sílvia Atrian, UB.
Saccharomyces cerevisiae: 1996.
El primer eucariota, el primer modelo.
Su genoma
16 cromosomas, 13 Mb de DNA
1) ±6000 proteínas potenciales, 140 rRNA, 40 snRNA, 275 tRNA
2) Duplicaciones de grandes regiones genómicas
3) Compactación extrema del genoma
Sílvia Atrian, UB.
El transcriptoma
 tiempo
Genoma
 espacio
 cantidad
Sílvia Atrian, UB.
Transcriptoma 1
Transcriptoma 2
Transcriptoma 3
La Microchips de DNA
x 1046
x 65000
Sílvia Atrian, UB.
Saccharomyces cerevisiae: 1996.
El primer eucariota, el primer modelo.
Proyectos EUROFAN (1, 2)
Gen A
tag
tag
¿ Viabilidad ?
Cepa D Gen A
¿ Fenotipo ?
¿ Comportamiento ?
Target sequence (5’ y 3’ de cada ORF )
KanMX4
Sílvia Atrian, UB.
Función Gen A
G.F. en enfermedades vasculares
Mouse como modelo: la mayoría se suponen poligénicas.
1) Genómica comparada interespecífica de regiones reguladoras
2) Mutagénesis química: “Phenotype-driven”: screening de
parámetros bioquímicos, fisiológicos y morfológicos
adecuados: anormalidades cardíacas y metabolismo lipídico:
miles F1, cientos mutantes (UK + Germany).
3) Mutagénesis dirigida insercional: “Genotype-driven” :el gen
a evaluar: eliminado o substituido por un mutante, por
inyección pronuclear y recombinación dirigida.
Sílvia Atrian, UB.
Rubin & Tall. (2000) Nature 407.
Genómica funcional: Interferencia de RNA
GEN x
mRNA x
Proteína x
RNA x de doble cadena
Funciona con grado de dependencia de:
* tipos de organismo
*tipos de tejido
*etapa del desarrollo
Aplicaciones:
* anulación dirigida (espacio/tiempo) de la expresión de un gen
* terapia
Silvia Atrian, UB
La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica
INTEGRACIÓN
1. Secuencia genómica conocida:
creación de genomas/seres en el laboratorio
Verano 2002: Síntesis virus animal (polio-7000pb), 3 años
Verano 2003: Síntesis bacteriófago (5400pb), 2 semanas
200?: Síntesis nueva especie bacteriana (~500.000pb)
Genoma Mycobacterium:
Sílvia Atrian, UB.
La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica
INTEGRACIÓN
2. Función genómica conocida:
predicción total de comportamientos/
creación de células virtuales
Necesidad de conocer la red total de interacciones entre
productos génicos (proteínas/RNA/DNA).
Sílvia Atrian, UB.
Interacción proteica: Y2H sistemático
S. cerevisiae
Uetz et al. (2000) Nature 403:623-631
Ito et al. (2000) PNAS 97:1143-1147
C. elegans
Walhout et al. (2000) Science 287:116-122
Intereracción probada
experimentalmente (2H)
~ 500
Con homólogos que participan en una misma
VM
~ 2391
6217 ORF
Perfiles filogenéticos
Con homólogos fusionados
~ 20749
~ 45502
Con patrón de expresión correlacionado
(arrays)
~ 26013
Sílvia Atrian, UB.
93000
Parejas de
Interrelación
Nature, 2001
Sílvia Atrian, UB.
La Biología Molecular Integrativa
Genómica
Yeast & other
Proteómica
Minicell
Bioinformática
Regulación de expresión génica
Cascadas de
señales
Sílvia Atrian, UB.
E-cell
Vías y redes metabólicas
Estructuras multiméricas
Virtual cell
S.XXI: La Biología Molecular de los
conjuntos
Los genomas
Genómica
Los transcriptomas
Proteómica
Los proteomas
Bioinformática
Los metabolomas
Los ORFomas
Los interactomas
Los recombinomas
..........
Sílvia Atrian, UB.
Sistema
biológico
Science, 16.02.2001.
Sílvia Atrian, UB.