introducción a la genómica

Introducción a la Genómica

GENÓMICA, PROTEÓMICA Y BIOINFORMÁTICA

Desarrollo de estrategias terapéuticas para el nuevo milenio.

Curso de Post-Grado de la UB Enero 2005

Dra. Sílvia AtrianDepartament de Genètica

Universitat de Barcelona

GENOMAS

S. XXIS. XX

1975

GENES

1900

Sílvia Atrian, UB.

Genética Molecular

1950Ingenierí

a Genética

Genética

Genómica

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.


EL PASADO: inicio de la Genómica

METODOLOGÍA

Sílvia Atrian, UB.

La Genómica vs. La secuenciación DNA

F. Sanger & W. Gilbert

Fago x174 Sanger (Nature, 1977)

Secuenciación DNA

Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.

Genomas: archaeas, procariotas

& eucariotas

Genómica ( T. Roderick, 1986)

Secuenciación automática Bioinformática

virus

Las dimensiones de los genomas

103

bacterias 106

levaduras107

mamíferos3x109

* en nucleótidos

humano3x109

108

plantas1010

insectos

Sílvia Atrian, U.B.

Las estrategias de secuenciación

CLASICO

Mapa ordenadode segmentos

Secuenciación

ATCCGGCATAGCATGAC...

1 2 3

SHOT-GUN

Secuenciación

ATCCGGCATAGCATGAC...

Ordenación

1 2 3

Sílvia Atrian, UB.

Los proyectos Genoma


Patógenos & Parásitos

¿Cuáles?:

El hombre

Modelos

Eubacteria

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

Archaea

Aeropyrum pernix K1 Archaeoglobus fulgidus Halobacterium sp. NRC-1

Methanococcus jannaschii Methanobacterium thermoautotrophicum Pyrococcus abyssi Pyrococcus horikoshii

Sílvia Atrian, UB.

Distintos microorganismos procariotas.

http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdb.htmlProyectos Genoma procariotas.

Eucariotas unicelulares.

http://alces.med.umn.edu/Candida.htmlProyecto Genoma de Candida albicans.

http://glamdring.ucsd.edu/others/dsmith/dictydb.htmlProyecto Genoma de Dictyostelium discoideum.

http://www.mips.biochem.mpg.deProyecto Genoma de Neurospora crassa.

http://ben.vub.ac.be/malaria/mad.htmlProyecto Genoma de Plasmodium falciparum.

http://www.wehi.edu.au/biology/malaria/who.htmlProyecto Genoma de Plasmodium falciparum.

http://genome-www.standford.edu/Saccharomyces/Proyecto Genoma de Saccharomyces cerevisiae.

Invertebrados.

http://www.ab.a.u-tokyo.ac.jp/sericulture/shimada.htmlProyecto Genoma de Bombyx mori.

http://www.ddbj.nig.ac.jp/htmls/c-elegans/html/CE_INDEX.htmlProyecto 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.eduProyectos 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.

Sílvia Atrian, UB.

Vertebrados.

http://zfish.uoregon.edu/Proyecto Genoma del pez zebra.

http://www.ri.bbsrc.ac.uk/chickmap/chickgbase/manager.htmlProyecto Genoma del pollo.

http://locus.jouy.inra.fr/cgi-bin/bovmap/intro2.plProyecto Genoma de la vaca.

http://mendel.berkeley.edu/dog.htmlProyecto 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/ProjectsDiversos Genomas eucariotas.

http://www.mips.biochem.mpg.deDiversos Genomas eucariotas.

Sílvia Atrian, UB.

El genoma humano

http://www.nhgri.nih.gov

http://www.sanger.ac.uk

http://www.celera.com

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 structurehttp://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


EL PRESENTE:desarrollo de la Genómica DATOS

Sílvia Atrian, UB.

¿ Qué “Genómica” ?

Genómica estructural:

Genómica funcional:

Sílvia Atrian, UB.

secuenciación, mapaje de genes,

anotación genómica, estructura/función proteínas

el genoma en funcionamiento

(transcritos y proteínas)* el desarrollo

* el mantenimiento* la disfunción

¿ Qué Genómica ?

Genómica estructural:


Genómica comparada

Proteómica

Genómica evolutivaFarmaco-Genómica

Sílvia Atrian, UB.

secuenciación, mapaje de genes,

anotación, identificación proteínas

el genoma en funcionamiento

La anotación de genomas, la identificación de proteínas y

asignación de funciones

Grandes modelos de Genómica estructural:

Los genomas procariotas

Sílvia Atrian, UB.

Genómica estructural y comparada

Función

Secuencia

Estructura

Los espacios de secuencia, estructura y función

Genómica estructural

Genómica funcional

Alfonso Valencia, CNB.

by The Genequiz Consortium

Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.

The GeneQuiz assignments

Similares a proteínas de estructura conocidaMODELADO

Similares a proteínas de función conocidaPREDICCIÓN DE LA FUNCIÓN

Similitudes débilesFUNCION TENTATIVA

Similares a proteínas de función desconocida : FAMILIAS HUERFANAS

Sin ninguna similitud conocidaSECUENCIAS ÚNICAS

http://www.genomes.org/services/follow: genequiz

http://www.genomes.org/services/follow: genequiz

Alfonso Valencia, CNB.

Haemophilus influenzae (1995)Helicobacter pyloriMycobacterium tuberculosisVibrio cholera

Genomas de patógenos bacterianos

Genómica estructural/comparadaGenómica funcional

Genes de patogeneidad, de virulencia y de resistencia

Genes metabólicos, exclusividad procariota y de patógenos

Sílvia Atrian, UB.

Desarrollo de agentes terapéuticos

Genes de determinantes antigénicosDesarrollo de vacunas

Genes exclusivos de especies, cepas patógenas

Desarrollo de tests diagnósticos

Plasmodium malariaTrypanosoma sueño, ChagasLeishmaniasis leishmaniasis

Schistosoma bilharziaOnchocerca filariasis

Genomas de parásitos eucariotas

Técnicas necesidad de desarrollo de:

-gene manipulación génica in vivo (knockouts, transgénicos)

-sistemas de transfección

-sistemas de expresión de genes en estos organismosSílvia Atrian, UB.

Sílvia Atrian, UB.

FEBRERO 2001:

Consorcio Público

Celera Genomics

Sílvia Atrian, UB.

n patrones codificantes mRNA proteínas

los RNA auto-funcionales

1 gen ~ región de DNA

Defectos sistemáticos de las anotaciones:

- los ORF < 100 aminoàcidos

- los ORF de RNA como producto final

35 % genes (ORF) humanos:lectura múltiple

Los ~40.000 genes (ORF) humanos:pueden llegar a ser el doble:

Sílvia Atrian, UB.

El número de proteínas maduras será infinitamente mayor

El número de interacciones será infinitamente mayor

* los de los dos proyectos no son coincidentes* el tercer proyecto

Lección de humildad: Complejidad y número de genes

levadura6000

* pb

La complejidad de las interacciones, no el número de

elementoscodificantes

Arabidopsis 25000

13000Drosophila

.

C.elegans

19000


30000

Sílvia Atrian, UB.

La anotación de los Proyectos Genoma es en si mismo un

Proyecto tanto o más imponente.

Sílvia Atrian, UB.

Las técnicas:

- mutagénesis por disrupción génica

- interferencia de RNA

- los ensayos de interacciones proteicas

- los DNAchips y DNAarrays

- los análisis masivos de transcritos

El genoma en funcionamiento,


Grandes modelos de Genómica Estructural:

La levadura: S.cerevisiae

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

Saccharomyces cerevisiae: 1996.El primer eucariota, el primer modelo.

Su genoma

Sílvia Atrian, UB.

Genoma

El transcriptoma

Transcriptoma 1 Transcriptoma 2 Transcriptoma 3

tiempo espacio cantidad

Sílvia Atrian, UB.

SAGE (serial analysis gene expression)

physiological condition

1) log phase2) S-phase3) G2/M phase

NlaIII

magn. estrept.

BsmFI adaptors

mRNA

3’ bioT cDNA

BsmFI &Ligation

Concatemerization

Sequence analysis and correlation with genome

data SAGE tag

Sílvia Atrian, UB.

La Microchips de DNA

x 65000Sílvia Atrian, UB.

x 1046

Proyectos EUROFAN (1, 2)

Cepa Gen A

¿ Viabilidad ?

¿ Fenotipo ?

¿ Comportamiento ?

Función Gen A

Gen A

tag

tag

Target sequence (5’ y 3’ de cada ORF )

KanMX4

Sílvia Atrian, UB.

Saccharomyces cerevisiae: 1996.El primer eucariota, el primer modelo.

G.F. en enfermedades vasculares

Mouse como modelo: la mayoría se suponen poligénicas.

Rubin & Tall. (2000) Nature 407.

2) Mutagénesis química: “Phenotype-driven”: screening de

parámetros bioquímicos, fisiológicos y morfológicos adecuados:

anormalidades cardíacas y metabolismo lipídico: miles F1, cientos

mutantes (UK + Germany).

1) Genómica comparada interespecífica de regiones reguladoras

Sílvia Atrian, UB.

3) Mutagénesis dirigida insercional: “Genotype-driven” :el gen a

evaluar: eliminado o substituido por un mutante, por inyección

pronuclear y recombinación dirigida.

Genómica funcional: Interferencia de RNA

Silvia Atrian, UB

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



Sílvia Atrian, UB.

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.

2. Función genómica conocida: predicción total de comportamientos/

creación de células virtuales

Necesidad de conocer la red total de interacciones entreproductos génicos (proteínas/RNA/DNA).

6217 ORF

Intereracción probada experimentalmente

(2H) ~ 500

Con homólogos que participan en una misma

VM ~ 2391

Perfiles filogenéticos ~ 20749

Con homólogos fusionados

~ 45502

Con patrón de expresión correlacionado

(arrays) ~ 26013

93000

Parejas de

Interrelación

Sílvia Atrian, UB.

S. cerevisiaeUetz et al. (2000) Nature 403:623-631Ito et al. (2000) PNAS 97:1143-1147

Interacción proteica: Y2H sistemático

C. elegansWalhout et al. (2000) Science 287:116-122

Nature, 2001

Sílvia Atrian, UB.

La Biología Molecular Integrativa

Genómica

Proteómica

Regulación de expresión génica

Vías y redes metabólicas

Cascadas de señales

Estructuras multiméricas

Bioinformática

E-cell Virtual cellSílvia Atrian, UB.

Yeast & other

Minicell

S.XXI: La Biología Molecular de los conjuntos

Los genomas

Los transcriptomas

Los proteomas

Genómica

Proteómica

Bioinformática

Sistema biológico

Sílvia Atrian, UB.

Los metabolomasLos ORFomasLos interactomasLos recombinomas. . . . . . . . . .

Sílvia Atrian, UB.

Science, 16.02.2001.

introducción a la genómica

Documents