 |
Тесты, оценивающие ответ организма на те или иные лекарственные препараты
|
|
|
|
Понять, как функционирует живой организм
Задачи
Идентифицировать гены в данной последовательности ДНК
Идентифицировать Регуляторные участки
Предсказать функцию
Три основных направления:
Структурная геномика: генетическое, физическое картирование, секвенирование геномов.
Функциональная геномика: функции генов и некодирующих последовательностей в геномах.
Сравнительная геномика: сравнение геномов различных организмов. Эволюционная задача.
Хронология развития геномики
Ф. Сенгер и независимо А. Максам и У. Гилберт разработали методы секвенирования ДНК.
Секвенирован бактериофаг фX-174: первый полный геном.
1981 – Секвенирована митохондриальная ДНК человека: 16569 п.о.
1990 – Запущен международный проект по геному человека с намеченным сроком 15 лет.
1995 – TIGR получили первую последовательность генома бактерии, Haemophilus influenzae.
Полностью определена последовательность генома дрожжей, первого генома эукариот.
1999 – Опубликована первая полная последовательность одной из хромосом человека.
26 июня 2000 – Совместное заявление о полной расшифровке генома человека (на самом деле определено 98% генома).
Геномика - биологии
Выявление структуры вариабельности генома - карта гаплотипов
Секвенирование геномов многих видов
Развитие технологий секвенировния, генотипирования, анализа экспрессии, протеомики
Вывление всех функциональных элементов в геноме человека (генов, регуляторных участков)
Выявление всех белков в клетке и их взаимодействий (Протеом)
Разработка моделей клетки и взаимодействия клеточных компонентов (Целлом)
Выявление всех метаболитов и моделирование метаболических процессов (Метаболом)
|
|
|
Развитие математических и компьютерных методов анализа генома и реализации генетической информации (Биоинформатика)
Геномика - здравоохранению
Выявление генетических и внешних факторов всех распространенных болезней
Разработка подходов к ранней диагностике и профилактике болезней
Разработка подходов к генотерапии наследственных болезней
Разработка лекарственных препаратов «направленного действия» и генотип-специфических препаратов (Фармакогеномика)
Разработка «молекулярной» классификации болезней человека
Здравоохранение и персонализированная медицина
Диагностика, предсказание и предотвращение
Разработка и применение лекарственных препаратов (фармакогеномика)
Примеры индивидуальных ДНК-тестов
Тесты на носительство
Тесты, оценивающие риски заболевания
Тесты, оценивающие ответ организма на те или иные лекарственные препараты
2 Методы секвенирования геномных последовательностей. Секвенаторы нового поколения
Два подхода к секвенированию геномов
Классический подход («клон за клоном» или BAC to BAC)
Шотган всего генома
Методы
Секвенирование по Сэнгеру
Автоматическое секвенирование
Пиросеквенирование
В методе Solexa используются 3'- модифицированные нуклеотиды с присоединенными флюоресцентными метками разных цветов. Модификация нуклеотидов не позволяет ДНК-полимеразе присоединить больше одного нуклеотида. Флюоресценция инициируется коротким импульсом лазера и тип присоединенного нуклеотида определяется по цвету флюоресцентной метки. Модификация нуклеотида блокируется (полимераза теперь может двигаться дальше) и цикл повторяется снова
Ионное полупроводниковое секвенирование (Ion Semiconductor Sequencing) является методом секвенирования ДНК основанным на обнаружении ионов водорода, которые выделяются во время полимеризации ДНК. Эта технология также называется рН-индуцированным секвенированием
|
|
|
Нанопоровое секвенирование Метод основан на измерении тока ионов через единичную нанопору в непроводящей мембране. При прохождении через эту пору нуклеотидов ток падает. Время, на которое изменяется ток ионов, и величина этого падения зависят от того, какой нуклеотид в данный момент находится внутри поры.
3 Базы данных нуклеотидных последовательностей. Разновидности и примеры
Изначально
Databank (in UK)
Database (in the USA)
Первый “банк данных” 1965 -1978
Атлас белковых последовательностей и их структур
База данных:
Коллекция данных структурированная снабженная поиском (индексированная) периодически обновляемая снабженная перекрестными ссылками (гиперлинки)
Обычно включает сопутствующие инструменты (программное обеспечение), необходимые для доступа, обновления, введения, удаления и анализа информации
Биологические базы данных
Различные типы биологической информации объединяют в базы данных
Последовательностей
Структурные
Экспериментальных данных
Научная литература
Все базы данных связаны между собой
Базы данных последовательностей:
генные
геномные
мутаций, вызывающих заболевания
………….
Базы данных
Архивные
(примеры: PDB, GenBank)
за содержание каждой записи отвечает её автор-экспериментатор
Курируемые
за содержание записей отвечают специальные люди — кураторы
(примеры: SwissProt)
Автоматические
записи генерируются компьютерными программами
(примеры: UniGene)
Базы данных ДНК (нуклеотидных последовательностей
GenBank (NCBI)
TIGR
Yeast
E. coli
Проблемы
Биологические базы данных росли последние 20 лет:
Избыточность: множественные записи.
Неверные последовательности и записи.
Открытость (данные добавляются пользователями):
Изменения вносятся владельцами записей.
Старые последовательности.
Неверные последовательности.
Неполные аннотации.
4 Общаяя характеристика эукариотических геномов. Парадокс величины С.
Организация генома эукариот. По химической организации материала наследсвенности и изменчивости экариоты и прокариоты принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокилосты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследсвенной информации, хранящейся в ДНК. Сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность молекулы мРНК, а затем транслируется в ак последовательность пептида на рибосомах с участием тРНК. Особенности: -гены преривистые(информативные участки-экзоны и неинформативные участки-интроны);-экспрессию генов обеспечивает три вида рнк-полимераза 1,2,3.-регуляторные участки обычно расположены левее сайта инициации. Два вида:-промоторный(для связи с рнк-полимеразой 100 н.п левее сайта инициации могут быть за сотни и даже тысячи н.п левее сайта инициации);-энхансеры(от 100 до 20 000 н.п левее стимулир. Транскр-цию при связ). –прицип построения генома эукариот три уровня:-генный, хромосомный, геномный. – регуляция экспрессии генов происходит на всех этапах экспрессии генов. Механизмы регуляции многообразны и невероятно сложны
|
|
|
ПАРАДОКС ВЕЛИЧИНЫ С
Отсутствие соответствия между величиной С и предполагаемым количеством генетической информации, содержащейся внутри генома, известно как парадокс величины С (C-value парадокс).
а) размеры генома большинства эукариот настолько велики, что их потенциальная информационная емкость намного превышает реальное число генов;
б) виды одного и того же рода могут существенно (в несколько раз) отличаться по величине генома;
в) так называемые "эволюционно примитивные" реликтовые формы ("живые ископаемые") по содержанию ДНК на клетку зачастую превосходят представителей эволюционно преуспевающих таксономических групп.
5 Организация геномов прокариот. Горизонтальный перенос генов у прокариот. Понятие пангенома.
По химической организации материала наследсвенности и изменчивости экариоты и прокариоты принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокилосты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследсвенной информации, хранящейся в ДНК. Сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность молекулы мРНК, а затем транслируется в ак последовательность пептида на рибосомах с участием тРНК. Особенности: -наследственный материал прокариота содержится главным образом в единственной кольцевой молекуле ДНК. Она распологается непосредсвенно в цитопламе клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты, часть из которых заключена в рибосомах. –гены прокариот непрерывны –в процессе транскрипции участвует только один фермент – рнк-полимераза. –у прокариот 3 вида регуляторных участков ДНК:1)промоторный, для связи с РНК-полимеразой, 10-35 н.п левее сайта инициации; 2)терминаторный, отвечает за завершение транскрипции и высвобождения транскрипта; 3)операторный, сцеплен с промотором или перекрывается с ним.
|
|
|
Основной чертой молекулярной организации прокариот является отсутствие в их клетках (или вирионах - вирусных частицах, в случае вирусов) ядра, отгороженного ядерной мембраной от цитоплазмы, если она существует. В отличие от эукариот, геном прокариот построен очень компактно. Количество некодирующих последовательностей нуклеотидов минимально, интроны редки. У прокариот для кодирования белков часто используются две или все три рамки считывания одной и той же последовательности нуклеотидов гена, что повышает кодирующий потенциал их генома без увеличения его размера.
ПАНГЕНОМ
Легкость горизонтального переноса и сильное эволюционное давление на минимизацию генома приводит к тому, что геном отдельной бактерии может не содержать весь набор генов, необходимых для нормального существования вида. Термин «вид» применительно к прокариотам следует использовать очень осторожно! Реальный размер бактериального генома почти всегда больше, чем тот, что мы наблюдаем в отдельно взятой клетке.
Пангеном – совокупность всех генов одного вида бактерий, которые могут быть скомбинированы в геноме одной клетки за счет механизмов горизонтального переноса.
Латеральный перенос генов (LGT), также называемый горизонтальным переносом генов (HGT) – это феномен, при котором геном одного организма приобретает новый ген из другого организма напрямую.
|
|
|
LGT можно описать как важную, “альтернативную” форму не вертикальной эволюции, открывающую организмам возможность быстро приобретать новые функции. LGT имеет важное значение как источник возможных ошибок филогенетического анализа.
6 Эволюция геномов. Роль мобильных генетических элементов в изменчивости ДНК. Дупликации и их значение для эволюции геномов. Ортологи и паралоги. Псевдогены.
Эволюция прокариотического и эукариотического геномов
1. Эволюция прокариотического генома
Уменьшение размеров ДНК за счет утраты некодирующих нуклеотидных последовательностей. Одновременно в качестве механизмов, поддерживающих выживаемость этих форм, закреплялось свойственное им короткое время генерации, т.е. интенсивное размножение и быстрая смена поколений. Перечисленные особенности хорошо сочетаются с гаплоидностью прокариот, что приводит к воспроизведению в фенотипе любой мутации.
Экспрессия 95% ДНК, относительно малые размеры генома, гаплоидность, проявление в фенотипе практически каждой мутации в сочетании с коротким временем генерации обусловливают высокую приспособленность. Вместе с тем для прокариотического типа организации не свойственны обширные и разнообразные изменения структуры. Вследствие этого описанное направление эволюции, обеспечивая высокую способность к выживанию (прокариоты существуют на Земле около 3,5 млрд. лет), является тупиковым в плане прогрессивной эволюции живых существ.
1. Эволюция эукариотического генома
В отличие от изменений прокариотического генома преобразования генома в эволюции эукариот связаны с нарастающим увеличением количества ДНК. На фоне такого увеличения большая часть ДНК является «молчащей», т.е. не кодирует аминокислот в белках или последовательностей нуклеотидов в рРНК и тРНК. В составе ДНК обнаруживаются высоко и умеренно повторяющиеся последовательности. Вся масса ДНК распределена между определенным числом специализированных структур -- хромосом. Хромосомы в отличие от нуклеоида прокариот имеют сложную химическую организацию. Эукариоты в большинстве случаев диплоидны. Время генерации у них значительно больше, чем у прокариот. Отмечаемые особенности, оформившиеся в ходе эволюции генома эукариот, допускают широкие структурные изменения и обеспечивают не только адаптивную (приспособительную), но и прогрессивную эволюцию.
2. Роль и мобильных генетических элементов горизонтального переноса генов в эволюции генома
Мобильные генетические элементы (МГЭ, подвижные элементы, транспозируемые элементы, транспозоны и т.д.) Будучи нестабильными по своей локализации в геномах, они создают мощный источник изменчивости генов, систем их управления и геномов. Поэтому МГЭ выступают и как факторы эволюции содержащих их геномов, и как эволюционирущие объекты.
Ортологи — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в процессе видообразования. Ортологи, как правило, имеют одну и ту же функцию
Паралоги — последовательности, возникшие из одного общего предшественника в результате дупликации одного гена в одном организме. Паралоги, как правило, имеют разные функции.
|
|
|
