Лекция 4. Геномика

1.

Лекция 4
МЫ ЖИВЕМ В
УДИВИТЕЛЬНОЕ ВРЕМЯ
– ВРЕМЯ ГЕНОМИКИ
Автор – д.б.н. базовой кафедры ИБХ РАН
биологического факультета НИУ ВШЭ
Е.А.Рыскина

2.

Центральная догма
молекулярной биологии

3.

Геномика — изучает общие принципы построения геномов
и их структурно-функциональную организацию

4.

Каждая клетка
человека содержит
46 хромосом

5.

Давайте сравним
ДНК эукариот и
прокариот!
Иногда у прокариот есть еще несколько
дополнительных кольцевых молекул ДНК
меньшего размера – плазмид

6.

Что такое
гены?

7.

Геном – библиотека
Молекула ДНК - книга
Ген – глава в книги
Нуклеотид - буква
Букв всего 4

8.

Наши буквы азотистые
основания:
Аденин (A)
Гуанин (G)
Цитозин (C)
Тимин (T) - ДНК
Урацил (U) - РНК

9.

Генетический код
• Последовательность
аминокислот белка
определяется
последовательностью
кодонов – трех
нуклеотидов молекулы
РНК, а правило
соответствия кодонов
аминокислотам
называется генетическим
кодом.
• Например, у большинства
живых организмов кодон
GCC кодирует
аминокислоту аланин, а
кодон AUG – метионин.

10.

Насколько маленьким
может быть
геном живого
организма?

11.

Незыблемость генетического кода

12.

Работающие и неработающие
гены (генетический мусор)
• Три миллиона – примерно
столько генов позволял
хранить в себе размер нашего
генома в три миллиарда
нуклеотидов, при среднем
размере гена около тысячи
нуклеотидов.
• Некоторые гены человека на
самом деле не работают
(являются псевдогенами), и
сейчас считается, что у
человека 20–25 тысяч
функциональных генов (2-3%)

13.

«Мусорная» ДНК
• В «мусорной» же ДНК часто бывают закодированы
разного рода регуляторные РНК – они не несут
белковой информации, но опять же служат мощным
инструментом регуляции генетической активности.
• Что до интронного «мусора», то со временем
обнаружилось, что если из гена полностью убрать эти
бесполезные последовательности, то ген станет
малоактивным.
• Интроны можно сравнить с регуляторами громкости:
пусть ген формально работает, но от интронов зависит,
насколько интенсивно на нем будет идти транскрипция,
сколько копий РНК будет сделано на гене.

14.

На основании степени сходства генетических
последовательностей организмов строятся филогенетические
деревья (что-то вроде родословной эволюции)

15.

«Все организмы являются
генетически
модифицированными
относительно своих предков»
считает Крейг Вентер
• Между мной, вами и любым
представителем вида Homo sapiens, за
исключением однояйцовых
близнецов, найдется около трех
миллионов генетических отличий.
• Геном Крейга Вентера доступен
любому желающему (PLoS Biology,
2007, 5(10): e266.
doi:10.1371/journal.pbio.0050266)

16.

Мутации можно сравнить с
заменой буквы в отдельном
слове
Например: Долли на Молли
Изменение генетического кода
происходят крайне редко.
Но происходят!
Некоторые мутации можно
распознать на уровне РНК!

17.

Регуляторные и структурные гены ДНК
Наиболее изученный тип функциональных
последовательностей ДНК – гены, кодирующие белки

18.

Функциональные классы генов в трех видах бактерий

19.

«Омики» — эпоха большой биологии
• Благодаря нашумевшему проекту
«Геном человека» слов с суффиксом
«-ом» становится все больше.
• Появление вслед за генóмом и
протеóмом большого количества
новых омов — свидетельство важной
тенденции в мире современной
биологии.
• Все больше проводится
крупномасштабных исследований,
результатом которых становится не
описание отдельных молекул, а
большие массивы сложно
организованных данных.
• Интерактом мембранных белков
дрожжей
• https://biomolecula.ru/articles/omikiepokha-bolshoi-biologii

20.

Геномика-транскриптомика
-протеомика-метаболомика

21.

Инциденталом (incidentalome)
• «К сожалению, я не могу принять вас
на работу, т.к. нам не нравятся
последовательности вашей ДНК,
отвечающие за характер». Помимо
проблемы инциденталома
возможность определить
последовательность персонального
генома таит в себе и другие опасности.
Например, как поведет себя ваш
начальник, если узнает что-то об
особенностях вашей ДНК?
• “Sorry, You Can’t Sit with Us, Your DNA is
Mutated” - Genetic Discrimination and
its Consequences

22.

Поприветствуйте
интегром —
информация по
всем омам в
одном котле,
которая
благодаря
обобщающему
анализу может
открыть много
нового и
интересного

23.

• Секвенирование –
определение нуклеотидной
последовательности генов.
Геномика
сформировалась
как особое
направление в
1980—1990-х годах

24.

Первым был полностью секвенирован геном
бактериофага ΦX174 (5368 нуклеотидов) в 1977 году

25.

Следующим
этапным событием
было
секвенирование
генома бактерии
Haemophilus
influenzae
(1,8 Mб; 1995 год)

26.

В 1988 году инициирован Национальным Институтом
Здоровья (США) проект «Геном человека»
В 2000-ом году появляется первый
растительный геном – Arabidopsis
thaliana, родственницы хрена и горчицы
В ходе работ проанализированы геномы:
• человека (H. sapiens),
• бактерии (E.coli),
• дрожжей (S. cerevisiae),
• круглых червей (S. elegans),
• плодовой мушки (D. melanogaster)
• мыши (M. musculus).
CCTGACAAATTCGACGTGCGGCATTGCATGCAGACGTGCATG
CGTGCAAATAATCAATGTGGACTTTTCTGCGATTATGGAAGAA
CTTTGTTACGCGTTTTTGTCATGGCTTTGGTCCCGCTTTGTTC
AGAATGCTTTTAATAAGCGGGGTTACCGGTTTGGTTAGCGAGA
AGAGCCAGTAAAAGACGCAGTGACGGAGATGTCTGATG CAA
TAT GGA CAA TTG GTT TCT TCT CTG AAT ......
.............. TGAAAAACGTA

27.

Хронология развития геномики
• 1977 секвенирован геном бактериофага ΦX174.
• 1988год инициирован проект «Геном человека».
• 1996 – Полностью определена последовательность генома дрожжей.
• 1999 – Корпорация Celera объявила о завершении секвенирования
генома Drosophila melanogaster.
• 1999 – Опубликована первая полная последовательность одной из хромосом человека.
• 2001 - расшифровка генома человека (на самом деле определено 98% генома).
• 2004 – полная расшифровка генома человека и т.д.

28.

Постгеномная эра
• Проект
«Тысяча
геномов»
• Проект
«Encode»
• Проект
«Протеом
человека»
• Проект
«Метаболом
человека»

29.

Проект
геном
человека

30.

Методы секвенирования ДНК в проекте «Геном человека»
Метод дробовика – шотган-секвенирование
(секвенирование второго поколения)

31.

Сборка генома — процесс объединения большого количества коротких
фрагментов ДНК в одну или несколько длинных последовательностей в
целях восстановления последовательностей ДНК хромосом, из которых
возникли эти фрагменты в процессе секвенирования

32.

Нанопоровое
секвенирование —
семейство
высокоэффективных
методов секвенирования
ДНК или РНК третьего
поколения

33.

Метафорическое
сравнение
«обычного»
секвенирования
(слева) и
нанопорового
секвенирования
«третьего
поколения»
(справа)

34.

Основная задача
геномики применить
полученные знания
для улучшения
качества жизни
человека

35.

Можно выделить ряд
приоритетных задач
геномики:
• Генотипирование
• Разработка и внедрение
методики
секвенирования ДНК
• Создание технологий
синтеза молекул ДНК

36.

Геномная
медицина
будущего

37.

Интересный проект геном «плавающей
пустыне»
Ж.Верн сравнивал
«Саргассы» с ковром из
водорослей.
Именно в Саргассовом море
в 1986 году были открыты
цианобактерии – самые
маленькие и самые
многочисленные на Земле
фотосинтетики.

38.

Геномика в
биологии

39.

Геномика –
обществу:
Этические,
юридические и
социальные
вопросы

40.

41.

Структурная геномика — содержание и организация
геномной информации.
Имеет целью изучение генов с известной структурой для
понимания их функции, а также определение
пространственного строения максимального числа
«ключевых» белковых молекул и его влияния на
взаимодействия.

42.

43.

44.

• Музеогеномика — отрасль науки, занимающаяся расшифровкой
генетической информации останков биологических объектов,
хранящихся в зоологических, биологических, палеонтологических
музеях

45.

ДНК для определения родства

46.

ДНК в криминалистике
• Генетика уже давно заняла свое
почетное место в
криминалистических
лабораториях, и такая непростая
задача, как идентификация
личности, представляется сегодня
невозможной без использования
методов этой науки. В настоящей
статье речь пойдет о самом
перспективном направлении
судебно-медицинской экспертизы
- идентификации личности на
основе анализа ДНК.

47.

Спасибо за
внимание