GENOM

Zgradba, posledice raziskav za medicino

Po-genomsko obdobje: funkcijska genomika

• transkriptomika

• proteomika

• metabolomika

Genom bakterije je krožna

molekula DNA, velezvita s

poliamini = bakterijski kromosom.

Jedra ni in se nahaja v citoplazmi.

Poleg bakterijskega kormosoma

so v celici lahko navzoči tudi

plazmidi (ena ali več vrst), ki so

lahko tudi v več kopijah.

Eukariotska genome sestavljajo kromosomi = s histoni velezvite

molekule DNA, ki so locirane v celičnem jedru – ločitev od citoplazme.

10 – 30

1 – 3

Človeško telo: 1014 celic

Celica: 46 kromosomov

21.000 – 30.000 genov

>100.000 proteinov

Molekule DNA so

velezvite v kromosome.

Diskreten odsek v

DNA, ki nosi

zaključeno

sporočilo, je gen.

*

*

Encoded by

mitochondrial genome

Encoded by nuclear

genome

Components of oxidative

phosphorylation system

13 subunits >80 subunits

I NADH dehydrogenase 7 subunits >41 subunits

II Succinate CoQ

reductase

0 subunits 4 subunits

III Cytochrome b-c1

complex

1 subunit 10 subunits

IV Cytochrome c oxidase

complex

3 subunits 10 subunits

V ATP synthase complex 2 subunits 14 subunits

Components of protein

synthesis apparatus

24 ~80

tRNA components 22 tRNAs None

rRNA components 2 rRNAs None

Ribosomal proteins None ~80

Other mitochondrial

proteins

None All, e.g. mitochondrial

DNA polymerase, RNA

polymerase plus

numerous other

enzymes, structural and

transport proteins, etc.

Omejena avtonomija mitohondrijskega genoma

Human Molecular Genetics. 2nd edition.

Strachan T, Read AP.

New York: Wiley-Liss; 1999.

Človeški haploidni genom je velik okoli 3 milijarde nukleotidnih (baznih) parov.

Če bi nukleotide genoma razvrstili v velikosti črk tega stavka, bi bila

dolžina enaka razdaljam kot jih kažejo bele črte na zemljevidu zgoraj.

Organizem Biol. vloga Velikost

haploidnega

genoma (bp)

Ševilo

genov

φX174 Virus bakterije E. coli 5.386 11

Človeški mitohondrij Človeški mitohondrij: celično dihanje 16.569 37

EBV Virus Epstein-Barr: povzročitelj mononukleoze 172.282 80

Mycoplasma pneumoniae Eden najmanjših »pravih organizmov« 816.394 679

Helicobacter pylori Bakterija, povzročitelj želodčne razjede 1.667.867 1.589

E. coli K-12 Črevesna bakterija 4.639.221 4.377

Drosophila melanogaster Vinska mušica 122.653.977 17.000

Caenorhabditis elegans Črv 100.258.171 21.733

Homo sapiens Človek 3,3 x 109 21.000

Miš Hišna miš 2,8 x 109 23.000

Amfibije Dvoživke 109–1011 ?

Arabidopsis thaliana Preprosta rastlina 1,2 x 108 27.407

Picea abies Navadna smreka 19,6 x 109 28.354

C vrednost = celokupna vsebnost DNA haploidnega genoma. Paradoks C vrednosti = neujemanje med velikostjo genoma in številom funkcionalnih genov. Največkrat je posledica genomske akumulacije transpozonov oz. repetitivnih DNA.

Velikosti genomov: so zelo različne in pri višjih organizmih niso nujno povezane z razvojno stopnjo.

Ploidnost Število

kromosomski

h nizov

Organizem (primeri)

Haploidi 1 prokarionti; enocelična alga Chlamydomonas reinhardi, glive

Neurospora crasa, Aspergillus nidulans, kvasovka

Saccharomyces cerevisiae ...

Diploidi 2 eukarionti

Triploidi 3 jablana, banana, citrusi, lubenica, ingver ...; močeradi

Tetraploidi 4 pšenica, bombaž, por, tobak, ameriški orešek, pelargonija ...;

salmonidi

Pentaploidi 5 breza Betula papyrifera

Heksaplooidi 6 krizantema, kivi, oves ...

Oktaploidi 8 jagode, dalija, sladkorni trs ...; jesetri

Dodekaploidi 12 dvoživka Xenopus ruwenzoriensis

Število kromosomskih nizov

Človeški genom je diploiden, haploiden genom imajo spolne celice.

Organizacija človeškega genoma

Primer gručenja (angl. clustering) genov (področje HLA) in individualnosti (distrofinski gen).

Nekatera področja človeškega genoma so bolj gosto naseljena z geni,

večinoma pa so med posameznimi geni velike medgenske razdalje.

Primer razpršenosti genov iste genske družine (histonski geni).

Človeški geni se zelo razlikujejo po velikosti in vsebnosti eksonov.

Zgradba

prokariontskega gena

in njegov prepis

(mRNA).

Zgradba

evkariontskega

gena in njegov

prepis (mRNA).

Navadno so eksoni v primerjavi z introni precej manjši.

Človeški genom vsebuje približno 21.000 genov, proteom pa več stotisoč različnih proteinov.

To močno odstopa od koncepta „en gen = en protein“. Zakaj?!

Številna kodirajoča zaporedja DNA vsebujejo prekrivajoče se genetske

informacije, ki se tudi prevajajo v različnih bralnih okvirih.

Primer: podenoti 6 in 8 mitohondrijske ATPaze.

Primer „genov v genih“: intron 26 gena za neurofibromatozo tipa I (NF1) vsebuje tri

interne gene (vsak ima dva eksona), ki se prepisujejo v nasprotni smeri gena NF1.

Alternativno izrezovanje intronov

Alternativno izrezovanje intronov

1990

2001

Zgodovina projekta Človeški genom.

Osnutka zgradbe človeškega genoma sta bila objavljena leta 2001.

Molekularna medicina:

• odkrivanje molekulskih

osnov bolezni

• molekulska diagnostika

• gensko zdravljenje

• druge terapevtske

rešitve

Spekter bolezni človeka

Normalen gen

Mutiran gen

mutacija

Normalen

protein

Spremenjen

protein

Normalna

lastnost

Spremenjena

lastnost

Koncept “bolezenskega gena”

Genetske bolezni

Genetske bolezni so velika skupina bolezni, ki so posledica večjih ali

manjših sprememb (mutacij) v genetskem materialu celic (DNA v jedru ali

mitohondrijih).

Razvrščamo jih v:

kromosomske nepravilnosti

enogenske nepravilnosti

večfaktorske (multifaktorialne) nepravilnosti

mitohondrijske nepravilnosti

Normalen gen

Mutiran gen

mutacija

Normalen

protein

Spremenjen

protein

Normalna

lastnost

Spremenjena

lastnost

Pri “enostavnih boleznih” preiskujemo enega ali nekaj genov / proteinov.

X – X – X – X – X – Glu – X – X – X – X – X – X – ........

X – X – X – X – X – Val – X – X – X – X – X – X – ........

Primer: anemija srpastih eritrocitov.

Tudi enogenske bolezni so lahko posledica velikega števila različnih mutacij v enem genu.

Kromosomske nepravilnosti so obsežni premiki segmentov kromosomov - in s

tem celih nizov genov, ki se znajdejo v spremenjenem okolju svojega delovanja.

Pri zapletenih (kompleksnih) boleznih nas zanima sistemsko (globalno) stanje

in prepletanje sistemskih (globalnih) dogodkov.

“Normalno” “Spremenjeno”

Obravnava celico kot sistem sočasne

(kvantitativne in kvalitativne) navzočnosti

bioloških molekul in njihovih interakcij – v

opazovanih fiozioloških razmerah.

Področja “omik” so:

• transkriptomika

• proteomika

• metabolomika

• interaktomika / sistemska biologija

FUNKCIJSKA GENOMIKA

25.000-30.000 nekaj 100.000 do 7.000

“Zdravo fiziološko stanje” “Bolezen”

N B

Zanima nas razlika in ključni “igralci” teh razlik.

V točkah biočipa so nanešene za

posamezne gene specifične sonde

– kratke (nekaj deset nukleotidov)

enojne verige DNA.

DNA Microarray Methodology - Flash Animation

DNA Microarray Methodology Animation.htm

http://www.bio.davidson.edu/courses/genomics/chip/chipQ.html

Rezultat preiskave lahko

umestimo v neko

metabolično pot in barvno

označimo gene/proteine,

ki se preferenčno izražajo

v enem ali drugem

fiziološkem stanju.

“Celični proteom”

Proteini so dejanski “igralci” celične zgradbe in delovanja. Od transkriptoma do proteoma dejansko

lahko poteče mnogo sprememb.

“Celični proteom”: komunikacijska mreža

2D electrophoreza je izhodiščna tehnika preiskave proteoma.

N T

N/T

PRIMER

IDENTIFIKACIJE

•2D-DIGE

•DeCyder analiza

‘Gene Scan’-a

•MALDI TOF/MS

•Podatkovne baze

Seveda pa nas zanima, kateri proteini interagirajo oz. imajo komunikacijske povezave.

Kvasni dvo-hibridni sistem je metoda za določevanje interakcij proteinov.

Enostavno gručenje: na sliki je pet naključno izbranih genov / proteinov (iz zbirke ugotovljenih,

ki so pokazali razlike v izražanju) in proti sredini kroga je prikazana intenziteta njihovega

izražanja. Sevede v naključnem izboru ne dobimo takoj tako lepega rezultata (gručenja),

temveč je potrebno preiskati vse možne kombinacije ugotovljenih genov / proteinov.

Diagnostika:

Primer dveh bolnikov z

adenokarcinomom želodca;

na levi sta genski/proteomski

gruči njune normalne

želodčne sluznice, na desni

pa njunih tumorjev. Razlika

na desni nakazuje zelo

različni gruči nad/pod-

izraženih genov/proteinov in

s tem različni molekulski poti

razvoja bolezni.

Gručenje genov

/ proteinov

glede na

njihovo lokacijo

oz. biološko

vlogo.

Sistemska analiza (transkriptoma)

pri difuznem B-celičnem limfomu

Histološko enake oblike bolezni je

preiskava opredelila kot tri različne

poteke molekularnih dogodkov, kar

je pomembno za določitev načina

zdravljenja.

Plate-forme Puces-à-ADN Gif/Orsay

e.g. Cytosceletal

signaling

cdc42

Cdh1

MYL6, CLDN18 - t.j.

YES1, ACTB, RHOA

TMSL3, PIK3C2A

RDX, PDGFA, PFN1,

TMSB4X, ITGB4,

a.c.

Primer ugotovitve

interakcije dveh

preiskovanih

proteinov (obarvano

zeleno), ki ju nato

umestimo v poznano

komunikacijsko

mrežo.

V naslednjem koraku poskušamo najti majhne molekule –

pospeševalce ali zaviralce (odvisno od namena) takega

proteina oz. njihovih partnerjev: načrtovanje in razvoj

ciljnih (bioloških) zdravil.

METABOLOM: popolen nabor malih molekul, ki so metaboliti

- intermediati metabolizma

- hormoni

- ostale signalne molekule

- sekundarni metaboliti

Primarni metaboliti so organske molekule, ki so neposredno

udeležene v procesih normalne rasti, razvoja in reprodukcije.

Sekundarni metaboliti so organske molekule, ki niso

neposredno udeležene v zgoraj omenjene procese. Navadno

imajo pomembno okoljsko vlogo (antibiotiki, pigmenti pri

mikroorganizmih, obrambne spojine pri rastlinah in živalih,

feromoni ipd.)

Human Metabolome Project is a $7.5 million Genome Canada

funded project launched in January 2005.

They estimated approximately 2900 endogenous or common

metabolites that are detectable in the human body. Not all of these

metabolites can be found in any given tissue or biofluid. This is

because different tissues/biofluids serve different functions or have

different metabolic roles. Until 2006, the HMP has identified and

quantified (i.e. determined the normal concentration ranges for) 309

metabolites in CSF, 1122 metabolites in serum, 458 metabolites in

urine and approximately 300 metabolites in other tissues and

biofluids.

In January 2007 scientists at the University of Alberta and the

University of Calgary finished a draft of the human metabolome. They

have catalogued and characterized 2,500 metabolites, 1,200 drugs and

3,500 food components that can be found in the human body.

The data are freely accessible in an electronic format to all

researchers through the Metabolome Database (www.hmdb.ca). In

addition, all compounds will be publicly available through our Human

Metabolome Library (www.metabolibrary.ca).

Tukaj je

prikaz

projekta

Človeški

metabolom.

Veliko količino podatkov iz “omski” raziskav obdeluje in povezuje tako

imenovana “sistemska biologija”, katere temeljno orodje je bioinformatika.

No osnovah raziskav funkcijske genomike in sistemske biologije

temelji medicina prihodnosti, ki bo usmerjena v tako imenovano

“osebno medicino”. Ta bo pri obravnavanju bolnikov in njihovem

zdravljenju upoštevala ugotovljene individualne razlike.