Projekt lidského genomu

2010Marek Vácha

Lidský genom

má přibližnou velikost 3,2 Gb z nichž je 2,95 Gb tvořeno euchromatinem. 28% sekvencí je transkribováno do RNA a z těchto 28%

je pouhých 5% přepisováno do proteinů; což je 1,1%-1,4% absolutní velikosti celého genomu člověka.

Přes 50% genomu je tvořeno repetitivními sekvencemi: 45% genomu je tvořeno jedním ze čtyř typů parazitických DNA elementů, 3% genomu tvoří repetice jen několika bází a 5% genomu je tvořeno recentními duplikacemi velkých segmentů DNA.

Většina parazitické DNA je tvořena reverzními transkripty z RNA.

Lidský genom tak z určitého úhlu pohledu připomíná moře repetitivních sekvencí s malou příměsí genů.

Projekt lidského genomu

přírodní vědy dosáhly působivých poznatků ve zkoumání external Universe, vnějšího světa

seriózně se mluví o 13 rozměrech a Hubbleův teleskop posílá fotografie i velmi vzdálených míst vesmíru

existuje ale doposud neprozkoumaný internal Universe, vesmír v nás, neméně rozsáhlý a neméně překvapivý


Navržen v 80. letech, oficiální začátek 1990

Navržen postup: Genetická mapa Fyzikální mapa Úplná sekvence genomu člověka


očekávaná doba trvání byla 15 let očekávaná cena: 3 miliardy dolarů 1981: publikována sekvence DNA lidské

mitochondrie (16 569 pb)

Pomocné projekty

vytvoření nových technologií zlepšení technik umožňující fyzikální a genetické

mapování zlepšení technik sekvenování DNA konstrukce databází

sekvenování genomu pěti modelových organismů E.coli, Saccharomyces cerevisiae, Caenorhabditis

elegans, Drosophila melanogaster a Mus musculus

ELSI: Etické, Legální, Sociální Implikace

Personalizovaná medicína

od terapie již rozvinuté choroby snaha k preventivní medicíně, založené na znalosti rizika konkrétního člověka

ovšem jen málo chorob je způsobeno nesprávnou funkcí jediného genu, většinou jedná o multifaktoriální choroby


problémy konstrukce genetické mapy člověka člověka dost dobře nelze křížit jen málokdy můžeme studovat rodokmeny s

genetickou chorobou tak dobře, že jsme schopni vytvořit geneticko mapu člověka (VIZ drosophily s černým tělem a zakrnělými křídly)


do 1970 byla pozornost zaměřena na rozdíly v strukturních genech jenomže asi jen 1,5 % lidské DNA kóduje proteiny a na správnou stavbu těchto proteinů je silný

selekční tlak

od 70. let se začala zkoumat negenová DNA, která se výrazně liší od jednoho člověka ke druhému …a byla vynalezena metoda zkoumající RFLPs

HUGO

1988 vzniká HUGO Human Genome Organization

Hierarchický přístup

Genetická mapa

Metoda je založena na relativních vzdálenostech markerů, které odpovídají frekvencím rekombinace (pravděpodobnosti crossing-overů)

Jako marker může sloužit buď gen a jeho fenotypový projev, nebo jakákoli jiná identifikovatelná sekvence, jako jsou RFLPs nebo mikrosatelity

Mapování skončilo nalezením cca 5000 markerů v celém lidském genomu

Fyzikální mapa

Se snaží vyjádřit vzdálenost mezi markery v absolutní míře, nejlépe v počtu nukleotidů

pro genom člověka byla dokončena cca 1994 DNA celého chromosomu je rozstříhána

dvěma restriktázami na identifikovatelné fragmenty, které se překrývají

Je užita próba, pomocí které jsou zjišťovány fragmenty, které se překrývají

Metoda je zvána procházení chromosomu (chromosome walking)

Procházení chromosomů

Chromosome walking

Prvním klonovacím vektorem pro zisk DNA bude YAC, který obsahuje fragmenty miliony pb dlouhé

Nebo BAC, umělý bakteriální chromosom, který může obsahovat fragmenty 100 000 – 500 000 pb dlouhé

Tyto fragmenty se užívají pro chromosome walking

Finální fragmenty jsou dlouhé asi 1000pb – ty se uchovávají v plasmidech nebo virech a již se dají snadno sekvenovat

Whole-genome sequencing

1992 J.Craig Venter navrhuje vyhnout se genetickému a fyzikálnímu mapování a rozstříhat DNA celého genomu na krátké fragmenty, které by se potom přímo sekvenovaly

1995 takto sekvenuje Haemophilus influenzae

1998 zakládá Venter společnost Celera Genomics s heslem „Discovery can´t wait“ a stává se rivalem veřejného consortia

2000 ve spolupráci s akademiky publikována sekvence Drosophila melanogaster

Whole-genom shotgun approachCelera Genomics

Veřejné consortium a Celera

Veřejné consortium a Celera

Veřejné consortium a Celera Genomics: remíza V únoru 2001 Celera publikuje v Science

sekvenování 90% genomu člověka Ve stejném týdnu publikuje totéž veřejné

consortium v časopise Nature Spory: Veřejné consortium vystavuje

výsledky sekvenování průběžně veřejně na síti… …a Celera tato data využívá

Celera Genomics doufá, že by nalezené geny patentovala – to by znamenalo obrovské zisky díky farmaceutickému průmyslu

Veřejné consortium x Celera GenomicsFrancis Collins Craig Venter

Poznámka pod čarou

v současnosti se Craig Venter věnuje úsilí vytvořit živou buňku z chemikálií

pokud se mu to podaří, bude to první živá buňka vytvořená z „neživota“ po 4 miliardách let

Rok 2001

Cca 50 organismů je buď zcela nebo téměř sekvenováno Asi 10 archeí E.coli Saccharomyces cerevisiae C. elegans Arabidopsis thaliana

Sekvenování DNASangerova metoda

Pro tuto metodu se užívají fragmety DNA o délce 200 – 300pb, ale ne delší a polyakrylamidový gel (agarosový gel má příliš velké póry pro odlišení fragmentů lišící se jedinou bází)




Fred Sanger dostal za tuto metodu druhou Nobelovu cenu (první již měl za objev struktury insulinu)

Sekvenování DNA dnesPrimer pro každou ze čtyř reakcí je značen odlišnou fluorescenční barvou – každá DNA končící dideoxy bází má jinou barvu – zde A, C, G, T.

Na rozdíl od klasické elektroforézy probíhá nyní elektroforéza v kapiláře, a laser „za pochodu“ – tak jak DNA postupuje gelem detekuje jednotlivé barvy

Sekvenování DNA dnes

Protože laser snímá jednotlivé kroužky barevné DNA za pochodu, stačí krátký gel, kterým neustále prochází DNA – laser stále zaznamenává stále delší a delší (= pomalejší a pomalejší) kusy DNA, zatímco kratší jsou již dávno z gelu venku

Díky barvám stačí jedna kapilára (v klasické podobě musely být čtyři pruhy v jedné gelové destičce)

Sekvenování DNA dnes

Galerie genomů

Galerie genomů

Galerie genomů

Počty genů

Mycoplasma genitalium (genom pouhých 580 000 pb) – 517 genů asi jen 265 – 350 genů jsou opravdu potřebné

k životu

Počty chromosomů

jsou u různých organismů velmi různé mravenec Myrmecia pilosula má pouze 1

pár chromosomů (samec jen jediný chromosom)

kapradina Ophioglossum reticulatum 630 párů chromosomů

Počty chromosomů u ptáků

nejnižší počet chromosomů: dytík úhorní (Burhinus oedicnemus) 2N = 40

nejvyšší: ledňáček říční (Alcedo atthis) 2N = 132

většina ptáků kolem 80 chromosomů chromosomy u ptáků jsou však velikostně

diferencovány na makrochromosomy a mikrochromosomy hustota genů v mikrochromosomech je výrazně

vyšší – mikrochromosomy tvoří jen 18 % - 23 % genomu, ale obsahují více než polovinu genů

(Gaisler, J., Zima, J., (2007) Zoologie obratlovců. Academia, Praha, str. 450)

Lidský genom

Lidský genom

Lidský genom

41% genomu tvořeno GC páry, 59% jsou AT

Přibližně polovinu genomu tvoří repetice Geny tvoří cca čtvrtinu genomu, jen asi 1,5%

ale kóduje proteiny, rRNA a tRNA, zbytek jsou introny

Lidský genom

Geny tvoří cca čtvrtinu genomu, jen asi 1,5% ale kóduje proteiny, rRNA a tRNA, zbytek jsou introny

u bakterií 90 % genomu kóduje proteiny, 10 % jsou regulační oblasti

Caenorhabditis má 27 % genomu obsazeno geny kódující proteiny

Drosophila 13 %

srovnání distribuce genů ve náhodně zvolené oblasti o velikosti 90 000 pb u různých organismů. Pro srovnání je uvedeno i 500 000 pb lidského chromosomu 21. Introny jsou naznačeny tence, šipky ukazují směr transkripce.

Repetitivní DNA u různých organismů u bahníků a ocasatých obojživelníků je

obsah repetitivní DNA až 50 % – 90 %! u ptáků je obsah repetitivní DNA 15 % - 20

% u savců je obsah repetitivní DNA 30 % -

50 %

Lidský genom

Stovky genů člověka vykazují bakteriální původ a do lidského genomu se dostaly zřejmě někdy v různých fázích evoluce obratlovců horizontálním transferem. Několik desítek genů zřejmě pochází z transpozabilních elementů

Ačkoli je přibližně polovina genomu člověka tvořena transpozabilními elementy, zdá se, že v hominidní linii tyto elementy pozvolna ztrácely na aktivitě. V genomu člověka se zdá že jsou již všechny zcela neaktivní

Dispersed repeats(Jobling, M.A., et al. (2004) Human Evolutionary Genetics. New York, Garland Science

Třída Počet kopií v haploidním genomu

Frakce genomu

Délka

LINEs 850 000 21% 6 000 – 8 000 pb

SINEs 1 500 000 13% 100 – 300 pb

Retrovirus-like elements

450 000 8% 6 000 – 11 000 pb

Kopie DNA transpozonů

300 000 3% 2 000 – 3 000 pb

Vyložení pojmů

mezi repetitivní sekvence se řadí transposony

u člověka již neaktivní cut-and-paste mechanismus přes DNA intermediát

retrotransposony u člověka ještě občas aktivní copy-and-paste mechanismus přes RNA intermediát

Lidský genom

zatím nebyl podán důkaz, že by transposony u člověka byly aktivní

transposony se v genomu pohybují mechanismem cut-and-paste

Lidský genom

Alu elementy se nachází v oblastech bohatých na GC. Zdá se, že tyto elementy, donedávna považované za zcela „sobecké“ mohou prospívat svým lidským hostitelům.

Alu elementy se přepisují do RNA a jejich počet vzrůstá během virové infekce

Mutace probíhají při meiose u mužů přibližně dvakrát častěji než u žen.

Genom jádra a mitochondrií u člověka

Vyložení pojmů

mezi repetitivní sekvence se řadí transposony

u člověka již neaktivní cut-and-paste mechanismus přes DNA intermediát

retrotransposony u člověka ještě občas aktivní copy-and-paste mechanismus přes RNA intermediát

Lidský genom

zatím nebyl podán důkaz, že by transposony u člověka byly aktivní

transposony se v genomu pohybují mechanismem cut-and-paste

Lidský genom

Alu elementy se nachází v oblastech bohatých na GC. Zdá se, že tyto elementy, donedávna považované za zcela „sobecké“ mohou prospívat svým lidským hostitelům.

Alu elementy se přepisují do RNA a jejich počet vzrůstá během virové infekce

Mutace probíhají při meiose u mužů přibližně dvakrát častěji než u žen.

Lidský genom

Rekombinační frekvence jsou až dvojnásobné v distálních oblastech chromosomů než je průměr a obecně jsou častější v kratších raméncích, v četnosti přibližně jeden crossing-over na každém raménku každého chromosomu v průběhu meiosy.

bylo identifikováno více než 1,4 milionů SNPs. Tento nález má velkou důležitost pro srovnání genomů lidí z různých oblastí světa.

LINE

= long interspersed nuclear elements (LINEs) LINE patří mezi retrotransposony a šíří se

technikou copy-and-paste u člověka existují tři rodiny LINE elementů,

zvány LINE1, LINE2 a LINE3 tyto tři rodiny tvoří dohromady 20 % genomu

člověka! nacházejí se obvykle v euchromatinu a

obvykle v místech bohatých na AT

LINE - 1

jediný LINE1 je ještě v genomu aktivní a sám LINE1 tvoří 17 % genomu člověka LINE-1 má přibližně 6 100 pb, opakuje se v

genomu 20 000 – 50 000x LINE1 kóduje dva proteiny

RNA binding protein protein, který má zároveň aktivitu endonukleázy a reverzní

transkriptázy endonukleáza štěpí dvoušroubovici lidské DNA

obvykle na místě TTTT↓A během integrace se reverzní transkriptáze ovšem

jen velmi zřídka zdaří přepsat celý LINE element

LINE - 1

většina přepsaných LINE elementů má délku kolem 900 pb a jsou tedy zkrácené a nefunkční jen asi každá stá inzerce má plnou délku 6,1 kb z asi 6 000 LINE1 sekvencí v genomu plné délky

je jen asi 60 – 100 schopno transpozice a občas mohou způsobit nemoc inzercí do funkčního genu

LINE1 mašinerie je ale odpovědná za většinu reverzních transpozicí v genomu

tato mašinerie rovněž poněkud oslabuje striktní platnost základního dogmatu

LINE 1

celkový mechanismus ještě není zcela znám

Alu elementy

patří mezi SINE délka kolem 300 pb, v genomu člověka jich je asi

milión! tvoří až 13 % sekvence celého genomu! na každých 100 narozených dětí se objeví jedna

nová Alu sekvence alu sekvence jsou tedy velmi silným endogenním

mutagenem u člověka …což je velmi špatná zpráva

zatímco LINE elementy mají rády oblasti chudé na geny (a odpovídají jen za 0,07 % spontánních mutací u člověka), Alu elementy jsou hojnější v oblastech bohatších na geny

Lidský genom

nukleární genom 3200Mb

mitochondriálnígenom

16,6 kb

euchromatin 2900-3000Mb

konstitutivníheterochromatin

200Mb

Lidský genom

kódující DNA 50 Mb (cca 1,5%)

regulační oblasti 100Mb (3%)

nekódující repetitivní DNA

50%

počet genů cca 25 000

nukleární genom cca 25 000

mitochondriální genom

37 genů

Lidský genom

počet genů nachromosom

průměrně 1400

geny kódujícípolypeptidy

30 000, ale číslo jenejisté

RNA geny 3 000, ale číslo jenejisté

pseudogeny 20 000

hustota genů 1/100kb v jadernémgenomu

hustota genů 1/0,54 kbv mitochondriálnímgenomu

Lidský genom

velikost genu průměrně 27 kb, alečíslo je veliceproměnlivé

intergenovávzdálenost

průměrně 75 kbv jaderném genomu

počet GpC ostrůvků 30 000

počet exonů v genu průměrně 9. Obecněkoreluje s velikostígenu, ale je velikávariabilita

Lidský genom

největší počet exonův genu

363

nejmenší početexonů v genu

1 (žádné introny)

velikost exonu průměrně 122 bp

největší exon exon 26 apoB genu7,6kb

nejmenší exon méně než 10bp

velikost intronů enormní variace.Silná závislost navelikosti genu

Lidský genom

největší introny stovky kb; intron 8WWOX genu je800kb

nejmenší introny desítky bp

mRNA velikost průměrně 2,6 kb, aleveliká variabilita (až115 kb!)

nekódující RNA microRNA (21-22nukl.) – XIST (17kb)

Lidský genom

velikost polypeptidů průměrně 500-550 aminokyselin

největší polypeptid titin: 38 138 kodonů

nejmenší polypeptidy desítky aminokyselin; tj. různé malé hormony

Přepisování genů u člověka

800 genů je house-keeping genes tyto se přepisují v každé buňce lidského těla

každá buňka lidského těla přepisuje celkem asi 10 000 genů

Velikost chromosomů člověka

Odhadovaný počet genů

Chromosomy 9, 10, 11 a chromosomy 21 a 22 nejsou řazeny podle velikosti – číslování chromosomů proběhlo podle mikroskopu, kde se velikosti špatně odhadují

Nejmenší autosom u člověka je 21 chromosom 21 obsahuje asi jen 225 genů

Lidský genom obsahuje překvapivě málo genů Množství nekódující DNA v lidském genomu

je repetitivní DNA, ale lidské geny obsahují také neobvykle dlouhé introny (lidské introny jsou cca 10x delší než introny Drosophily nebo Caenorhabditis)

U lidských genů častější alternativní sestřih – typický gen dává vznik dvěma až třem polypeptidům…

…takže počet druhů proteinů v buňce je odhadován na 90 000

Ještě je třeba připočíst četné posttranslační úpravy

Genové pouště

asi 25 % genomu člověka tvoří oblasti, které jsou větší než 500 000 pb a které jsou zcela bez genů

…a jsou proto nazývány gene deserts

Chromosom Y

přes 90 % chromosomu Y nepodléhá rekombinaci

důležitá je zejména pseudoautosomální oblast 1 (PAR 1), dlouhá 2,6 Mb

GC oblasti

geny leží spíše v oblastech bohatých na GC

Rekordy a zajímavosti

gen pro dystrofin má 2,7 Mb, z nichž je ovšem 99,4 % intronů! exony tvoří jen 14 000 pb

SRY gen na chromosomu Y nemá žádné introny (má jen jeden exon 612 pb)

jaderný genom obsahuje 400 000 pb mitochondriální DNA – 25x víc, než obsahují mtDNA samotné mitochondrie! lidská mitochondrie obsahuje 16 569 pb DNA

u 40 % lidských genů se předpokládá alternativní sestřih

Velikost genomu a počet genů různých organismů

Paradox hodnoty C

C = množství DNA organismus Fritillaria assyriaca má genom 120 000 000

Mb u obojživelníků se velikosti genomů pohybují

mezi 700 – 100 000 Mb genom pšenice (14 000 Mb) je 11x větší než

genom rýže (430 Mb), ačkoliv obě obiloviny mají podobnou morfologii, podobný počet biochemických drah a fyziologických procesů

paradox hodnoty C = neúměra mezi složitostí organismu a velikostí genomu

Poučení ze sekvenování různých genomů Bacteria and Archea

genomes are „compact“ genomes are correllated to metabolic diversity

Mycoplasma genitalium – žije uvnitř eukaryotických buněk velikost genomu 580 000 bp., 517 genů

Streptomyces coelicolor – půdní bakterie s velmi komplikovanými metabolickými drahami velikost genomu 8,7 mil. bp., 7 846 genes


large genetic diversity between species cca 15 % - 30 % of genes are unique to a

species! lateral gene transfer

Thermatoga maritima – žije v horkých pramenech až 80 st. Celsia spolu s mnohými Archei až 25 % jejích genů je velmi blízce příbuzných

genům Archeí! přenosy jsou způsobované viry, plasmidy a

transpozony


virulence genes among patogenic bacterias often arise by lateral gene transfer

Poučení ze sekvenování různých genomů Eucarya

genes are generally orders of magnitude larger

exons are only few percent of the genome majority of the genome are „repeated

sequences“

Lidský genom obsahuje překvapivě málo genů Proteom = soubor proteinů v buňce Lidské proteiny mají rovněž víc domén

než proteiny bezobratlých snad až u 40 % genů se předpokládá

alternativní sestřih

Studium a srovnávání genů

Asi třetiny genů u E.coli byl pro vědce zcela nová

Srovnání genomů ukázalo silné evoluční vztahy mezi i vzdálenými organismy a důležitost jednodušších organismů pro pochopení složitějších

Na drosofily je nahlíženo jako na „malé lidičky s křídly“

Gen pro lidskou nemoc může být objeven srovnáním analogického genu u kvasinek

Studium a srovnávání genů

The chimpanzee genome is 98.77% identical to the human genome. On average, a typical human protein-coding gene differs from its chimpanzee ortholog by only two amino acid substitutions; nearly one third of human genes have exactly the same protein translation as their chimpanzee orthologs. A major difference between the two genomes is human chromosome 2, which is the product of a fusion between chimpanzee chromosomes 12 and 13.

Studium exprese genů

Zkoumá se, které geny jsou zapínány v kterých situacích

V určitých zájmových buňkách je isolována mRNA a vytvoří se cDNA

Tato DNA se srovnává s jinými známými DNA a zkoumá se, které geny se v dané buňce přepisovaly

Takto se zjistí, které geny jsou zapnut v různých fázích ontologického vývoje, v různých tkáních, nebo ve zdravých či nemocných orgánech

DNA mikročipy

DNA array je také zvána DNA chipdíky podobnosti s pčítačovými čipy

DNA micročipy

V ideálním případě jsou na jednom čipu přítomny všechny geny daného organismu

Vzorky z různých tkání mohou být označeny různými barvami, a tak na jednom čipu vidíme aktivitu genů z různých tkání

Užívá se při srovnání nádorové a nenádorové tkáně

porozumění tomu, jak jednotlivé geny spolupracují v konkrétní tkáni

Zkoumání funkce genů

In vitro mutageneze: in vitro (ve zkumavce) je daný gen mutován, pak vrácen do buněk raného embrya a zkoumá se, jaký bude mít nefunkční gen fenotypový efekt

RNA interference (RNAi) – užívá se syntetická dsRNA (=dvojřetězcová), jejíž sekvence odpovídá sekvenci genu. Tato RNAi nějak zničí příslušnou mRNA.

RNAi ale existují i přirozeně v buňce a slouží jako obrana proti virům a retrotranspozonům

Nové pohledy

RNA ovšem vzniká nejen přepisováním genů, nýbrž i přepisováním junk DNA!

Některé tyto RNA se překládají do proteinů, jiné nikoli

k čemu tyto RNA vlastně jsou, je záhada v každém případě junk DNA téměř jistě

není natolik „junk“, jak se myslilo

Další výhledy

Proteomika = zkoumání proteomu (=souboru proteinů v buňce)

Mnohem obtížnější než genomika – proteiny mají různou strukturu a různé chemické vlastnosti, nacházejí se v různých koncentracích v různých fázích života buňky či tkáně

Bioinformatika – spojení genetiky s informatikou a matematikou

Metoda 454

Studium evoluce člověka

Lidé t.č. žijící na planetě pochází z Afriky z populace žijící před 150 000 – 200 000 lety

Dva cizí lidé mají shodu v 99,9% pb Většina rozdílů je způsobena tzv. SNPs

(=Single Nucleotide Polymorphisms) – rozdíl v jediné bázi

Studium evoluce člověka

U člověka je SNP přítomna jedna na 1000 nukleotidů – v genomu člověka jich je asi 3 000 000 Vztah mezi RFLP a SNP: některé RFLP jsou

SNP. Ale mnoho SNPs nejsou RFLPs protože se nenachází v restrikčních místech a musí být objeveny přímým sekvenováním DNA. Mnohé RFLPs jsou způsobeny změnou více než jedné báze

Praktické aplikace

Identifikace genů, jejichž mutace způsobují nemoci člověka

Geny ale ovlivňují i řadu „negenetických“ chorob, jako je revmatismus nebo AIDS

Díky DNA mikročipům možno provádět srovnání mezi genovou expresí zdravé a nemocné tkáně

Díky PCR umíme detekovat i malé množství DNA viru HIV v krvi

Genetické testování u osob,které jsou nyní ještě zcela zdravé (např. Huntingtonova nemoc)

Praktické aplikace I když ještě gen nemáme naklonován, můžeme

zjistit přítomnost abnormální alely, pokud jsou v její blízkosti RFLPs.

Je malá pravděpodobnost, že crossing over proběhne mezi markerem a genem – budou se tedy dědit společně

Genová terapie

Pokud by se zdařilo zasáhnout kmenové buňky, mohla by se do nich vložit správná alela např. pomocí virového vektoru

Navzdory zprávám z denního tisku, zatím existuje jen teoreticky

Člověk: Možní kandidáti na genovou terapii

nemoci, které jsou způsobené defektem v jediném genu: ADA deficiency, cystická fibrosa, hemophilia, familiální hypercholesterolemie, alpha-1 antitrypsin deficience

nemoci, které vznikají nesprávnou interakcí několika genů: diabetes, hypertenze

Neterapeutické genetické modifikaceetické problémy Co vlastně odlišuje závažné onemocnění od

„lehčího“ onemocnění a od genetické variace? Mělo by se adolescentovi, jehož rodiče oba měří 150 cm aplikovat růstový hormon?

pokud bude jednoho dne objeven gen, řekněme, posilující paměť, měl by se aplikovat genový transfer na požádání?

Neterapeutické genetické modifikaceetické problémy Může být tentýž přístup aplikován ke

genetické modifikaci lidských parametrů, které nesouvisí přímo s nemocí?

Genetickou složku mají určitě lidské znaky, jako je: tělesná výška barva kůže inteligence

Neterapeutické genetické modifikaceetické problémy 82% prezidentů zvolených v USA v 20.

století bylo vyšší postavy než protikandidáti U dvou mužů v USA vykonávající stejnou

profesi se každých 2,5 cm tělesné výšky nad průměr (172 cm) odráží v o 600 $ vyšším ročním příjmu

Neterapeutické genetické modifikaceetické problémy vědecká, teologická i metafyzická tradice

západu chápe nemoc jako zlo, proti kterému je třeba bojovat

odstranění utrpení, které je způsobeno nemocemi, se obecně chápe jako morální dobro či dokonce jako morální imperativ

ovšem medicínské znalosti jsou již dnes používány ke zlepšení řady rysů člověka, které nemají s nemocí nic společného – typickým případem je plastická chirurgie…

…která ovšem není chápána jako neetická či neakceptovatelná

Neterapeutické genetické modifikaceetické problémy Nebezpečí vzniku novodobé eugeniky Dítě má právo být kompletním překvapením pro

rodiče Determinace k budoucnosti: ztráta

nejzákladnější svobody Možnost vzniku novodobé aristokracie („lepších“

oproti „normálním“) Vztah geny – chování: je moje úspěšná maturita

docílena mou pílí nebo úsilím genetiků?

2009: The Complete Genomics

The Complete Genomics of Mountain View, California said it would sell whole human genomes in

2009 for $5,000 the company revealed a human genome it

said it had sequenced using nine machines for eight days over Christmas. (2008/2009)

the technology is highly accurate, with less than one-third of a per cent chance of making an error in any given base.

2009: The Complete Genomics

the company says by June 2009 its materials cost will be down to $1,000 per genome.

The company aims to launch commercially that month (February 2009), sequence 1,000 genomes this year and 20,000 human genomes next year.

2007: tři lidé 2008: počet lidí s sekvenovaným

genomem je stále menší než počet lidí co chodili po Měsíci

2009: cena je 70 000 dolarů 2015: odhadovaná cena 1 000 dolarů a

doba sekvenování odhadovaná na dny

Forenzní využití DNA technologií(=v soudnictví)

Dříve se dala určit jen krevní skupiny, a to musel být vzorek relativně čerstvý

Dnes díky PCR stačí nepatrné množství krve nebo spermatu

Díky RFLP se DNA každého člověka odlišuje (s výjimkou jednovaječných dvojčat) a pomocí Southernova blottingu jsme schopni určit podobnosti a rozdíly vzorku a konkrétního člověka

Stačí asi 1000 buněk

DNA fingerprint

Srovnává se krev oběti, neznámá krev a krev potenciálního útočníka

Pravděpodobnost, že dva lidé budou mít náhodou stejný vzorec RFLP je mizivá

Obžalovaný

Krev z oblečení obžalovaného

Krev oběti

Paternitní spory Kauza

(časopis Týden) 3. ledna 2005 Německé ministryně proti testům V německých rodinách žijí statisíce dětí, které jsou plodem sexuální aféry

manželky. Podle odhadů expertů je každé desáté dítě "kukaččí". Pochybující muži to ale mají už nějakou dobu relativně snadné. Do příslušné laboratoře stačí poslat na kousku vaty vzorky slin svých a svého (údajného) dítěte; nejpozději do pěti dnů odesilatel s jistotou na 99,9 procenta ví, zda je potomek, o kterého se stará či na něho platí výživné, opravdu jeho. Když nejsou k dispozici sliny, stačí jiný genetický materiál, třeba vlasy, použitá náplast, vyplivnutá žvýkačka nebo exkrementy z plenek. Potřebnou sadu s vatovými tyčinkami a trubičkami na vzorky lze dostat bez receptu v každé lékárně. Absolutně diskrétní servis na určení otcovství nabízí jen ve Spolkové republice zhruba třicet laboratoří za poplatek 200 až 400 eur (přibližně 6200 až 12 400 korun, tedy o něco méně než v ČR). Obchod s nejistotou jenom kvete. Podle odhadů německého ministerstva zdravotnictví se v roce 2004 uskutečnilo patnáct až dvacet tisíc testů.

Místo RFLP se stále více užívají mikrosatelity Mikrosatelitní DNA = repetice cca 2-10 pb

opakované 10 – 100x Různé osoby se liší v počtu repetic Např. konkrétní osoba má na jednom místě

118 repeticí ACA, na jiném 65 atd. atd. Takovýto polymorfismus je zván STR

(=Simple Tandem Repeats) Restrikční fragmenty se liší velikostí, nikoli

nutně počtem restrikčních míst

DNA fingerprint

Užívá se 5 oblastí genomu člověka, kde je známa mimořádně velká variabilita mezi jedinci

Pro PCR stačí 20 buněk Pravděpodobnost, že dvě osoby budou

mít stejný vzorec fragmentů je 1:100 000 Důkaz pomocí DNA má – podle mnohých

– větší váhu než očité svědectví…

Personální genomika

Projekt HGP stál tři miliardy dolarů v roce 2007/8 by sekvenování genomu

zájemce mělo stát 50 000 dolarů Do deseti let (2016) by sekvenování

genomu nemělo stát víc než plochá televize

…čímž zřejmě nastanou „orgie sebediagnóz“ za pomocí domácích PC.

Environmentální využití

Upravené bakterie dokáží metabolizovat kovy (měď, olovo, nikl) a měnit je v sulfáty, které se pak snadno isolují Těžba těchto kovů (v budoucnosti) Čištění toxických odpadů po těžbě

Degradace doposud nerozložitelných jedovatých chemikálií v přírodě

Metabolizace ropných skvrn

Využití ve farmaceutickém průmyslu Proteiny ve velkých množstvích dnes

vyrábí bakterie nebo kvasinky Především insulin a lidský růstový hormon

(STH)

Farmakogenomika

cytochrom P450 hraje důležitou roli v oxidativní degradaci cizích molekul, mezi které patří i řada léčiv.

cytochrom P450 je ve skutečnosti celá rodina blízce příbuzných enzymů, jejichž substrátem jsou cizorodé molekuly, před kterými tyto enzymy organismus chrání. Například isoenzym CYP2D6 likviduje zejména léčiva s antidepresivními účinky.

Tento isoenzym má řadu alelických variant, z nichž některé jsou méně účinné a jiné naopak vykazují vysokou aktivitu. Tyto alely se vyskytují v různých frekvencích v různých lidských populacích. Pacienti, kteří mají alely kódující méně aktivní formy tohoto enzymu, jsou mnohem citlivější na žádoucí účinek drogy, avšak více se u nich rovněž projeví nežádoucí vedlejší účinky léku (Clark 2005). Vzniká tak nové vědní odvětví zvané farmakogenomika, která se snaží vytvořit léky přesně uzpůsobené genetické konstituci pacienta. Nejprve je zjištěna pacientova genetická konstituce a potom je adekvátně aplikováno léčivo.

Použití v „živočišné výrobě“

Transgenní organismy = obsahují v sobě geny dvou druhů organismů Ovce s lepší vlnou, prasata s libovějším

masem, krávy co rostou rychleji Např. tak, že gen krávy , důležitý pro růst

svalů je isolován a přenesen do jiného plemena krávy nebo dokonce ovce

Transgenní ovce mají v mléce proteiny důležité pro člověka (hormony apod.)

Transgenní myšV roce 1982 Ralph Brinster a Richard Palmiter vytvořili „transgenní“ myši – do myších embryí byl vložen krysí gen pro růstový hormon.

Myš, nesoucí tento cizí gen (na obr. vlevo) produkovala velké množství růstového hormonu a vyrostla do dvojnásobné velikosti ve srovnání se svými sourozenci (vpravo)

Brinster, School of Veterinary Medicine, University of Pennsylvania

Transgenní organismy

1. Isoluje se oocyt a in vitro se provede oplodnění spermií

2. Z cizího organismu se naklonuje žádaný gen

3. Tento gen se injikuje do zygoty4. Musí se provést velké množství pokusů, ale

někdy se cizorodý gen začlení do genomu zygoty

5. Zygota se implantuje do dělohy náhradní matky

Genetické inženýrství u rostlin

Rostliny odolné chorobám, nebo se zpomaleným zráním

Díky tomu, že jsou prakticky všechny buňky totipotentní (=buňka je schopna dát vznik nové rostlině) se s rostlinami pracuje lépe než s živočichy

Jako vektor se užívá Ti plasmid z Agrobacterium tumefaciens

V přírodě tento plasmid způsobuje tumory rostlin

Pracuje se s Ti plasmidem, upraveným tak, že tumory nezpůsobuje

Genetické inženýrství u rostlin Žádaný gen se vloží do Ti plasmidu

Plasmid se vloží do bakterie, která pak infikuje rostlinu, nebo se

plasmid přímo injikuje do rostlinných buněk

Genetické inženýrství u rostlin

Velkou nevýhodou Ti plasmidu je, že Agrobacterium napadá pouze dvouděložné

Přibližně polovina sklizně kukuřice a sóji v USA jsou GMO (geneticky modifikované organismy)

Mnoho transgenních rostlin obsahuje gen pro resistenci k herbicidům

Rostliny upravené k odolnosti vůči škůdcům snižují užívání chemických insekticidů

Snaha vytvořit rostliny schopné fixovat vzdušný dusík (=náhrada dusíkatých hnojiv)

Transgenní rýže

„Zlatá“ rýže. Tato transgenní rýže obsahuje beta-karoten, který je zdrojem vitamínu A. Tato rýže pomáhá odstranit nedostatek vitamínu A u poloviny světové populace – která je závislá na rýži jako hlavní potravině. V současnosti trpí 70% dětí stáří do pěti let v jihovýchodní Asii nedostatkem vitamínu A. Jako vektor byl užit Ti plasmid.

„Normální“ rýže

Případná nebezpečí

Transgenní rostliny by mohly cizí geny (např. odolnosti proti pesticidům) nějak předat divokým plevelům – nebezpečí vzniku „superplevele“

Vzniká technologie pro vytvoření „geneticky modifikovaného člověka“

Documents

Projekt lidského genomu