1
1955: 46 emberi kromoszóma van 1961: mRNS 1975: DNS szekvenálás 1982: gén-bank adatbázisok 1983: PCR (polymerase chain reaction)
J. D. Watson
F. H. C. Crick
1953 DNS szerkezet
Mérföldkövek…
2008 Watson genomja 2003 A Humán Genom Projekt 2 befejezése
Genom – kromoszóma – gén – DNS genotípus - allél
A haploid humán kromoszóma szett
3
A DNS szerkezete 2 nm P
A
O
T
P O
O P
C G
O P
P
G
O
C
O P
P O
3,4 nm 10 bp
T A
O
P
„teljes hossz” = 2 m 4
A kromoszóma szerkezete hiszton
DNS
30 nm
kromoszóma
5
Pontos méretek ☺
6 https://www.youtube.com/watch?v=9kQpYdCnU14&list=PLAD3DE96CA98E831E&index=4
Mi a rendelkezésre álló információ? 15601 15661 15721 15781 15841 15901 15961 16021 16081 16141 16201 16261 16321 16381
ACTCGCTCGT TCATCGTGAG TCTACTCCGA CGTCCCTGTC GCTGGGGCGG CTCGCGACCT CCGTCTGTCT AACAGGCGAC AGCTGGACAG ACACACTGCC GAAGGAGGCT GTGTGTGGGG GATGGAGCCC CCTCTGCGGC
GTGCGTGAGC CCTGGCGGCC GGTGAGCCGC CCTACGGAGG CGGCAGGGGC TCCACCCGCT TGGCGTCTGT TTTGTCAAGC ACAGGCAGAT ACAGCCACTG CACAGCTCGC ACCAGGCCCC ACACTCCACA CAGAGAAAAG
GTGGCCACCG GCCGACCTCC GTCCGGCCGC ACCCGGCGCG GCTGCGCCTT GCGCTGTCTG TATCCAGGAG CCAGTCCCCT GCAGGCTCAG CCCACCACAC AGGGGAGACC TGCTGAGAAC CCAGGTCTGG CAGCTTAGGG
AGCGCGCCCT TCCTCGCTCT ACGAGCATCC ACCCGGCCCC GTCCCTCGGC TCCCCCGACC ATGCCCGTCC CCGTAGCTGG CCCCCTGGCT ACACCTAGTG TGGGCTGGAC CCTGGGGGGA CCCTCGAGTG CTGAGCTGGA
GCAGACGCCC CCTGGTGCTG TCACCTGCTC TTTCTGGTGC GATACACCCA CTCGTTCCTC TTCTATCCAG ATTTCACCTC GCCGTGGGAC CAGATGCTGG AAAACCCAGG AGCCTGAGGG GGTCGGCCTT GACGCGGTGT
ACCAACTCCT CCGCTCTTCG CTCGGTTCCC GGAGCTTCCA CCGCCGCCAC TTCTCCTTCC GGACCCCGGA CAGGGCAGCC ACACACACAC CACACCCCCA GGAGGGGAGG GGAATTGGGG GGTGCCAGCC CCCCGACTGT
„nyers szekvencia” (Humán Genom Projekt)
„Post-genomic era” 7
A DNS két funkciója: Replikáció
és a fehérje-szintézis irányítása, azaz: génkifejeződés - génexpresszió
8
A DNS-funkciói I.
replikáció 1. A DNS kettős spirál szétnyílik 2. beilleszkednek a komplementer bázisok 3. két új DNS molekula jön létre 9
https://www.youtube.com/watch?v=bee6PWUgPo8&index=6&list=PLAD3DE96CA98E831E
A DNS-funkciói II.
fehérje szintézis
A „Centrális Dogma”
DNS (génkifejeződés)
mRNS
fehérje https://www.youtube.com/watch?v=SMtWvDbfHLo&index=1&list=PLAD3DE96CA98E831E
10
Plomin könyv: A molekuláris genetika "központi dogmája" Box 4.1, keretes szöveg (44. old):
A fehérje szintézis genetikai kódja második betű
• Kodon (3 mRNS betű), melyből lesz 1 aminosav
U
C Ser
első betű
Leu
• determinált (egy kodon mindig egy adott aminosavat határoz meg)
C
Leu
Pro
G Cys
Stop Stop His
Stop Trp Arg
Gln A
• univerzális (minden élő-
Ile
Thr
Met Start G
lényben ebből a 20 aminosavból épülnek fel a fehérjék)
A Tyr
Val
Ala
Asn
Ser
Lys
Arg
Asp
Gly
Glu
• vesszőmentes (folyamatos) mRNS
UGCGUUAGCGUGGCCACCGAG
aminosavak
Cys Val Ser Val Ala Thr Glu
https://www.youtube.com/watch?v=rW8NKvQQ8P4&index=10&list=PLAD3DE96CA98E831E
11
U C A G U C A G U C A G U C A G
harmadik betű
(pl. UUU = phenylalanine) • redundáns (gyakran több kodon határoz meg 1 aminosavat
U Phe
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása
MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE 12
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása Exonok: fehérjéket kódoló szekvenciák Intronok: kivágódnak (nem íródnak át RNS-é) Exon Exon I. II.
Exon II.
kutya
tereli
A
„puli gén”
Exon IV.
Exon V. a
Exon Exon VI. VII. nyáj
Exon VIII. at
MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE 13
DNS-szekvenciából fehérjék: a kivágás=splicing variabilitása Ugyanarról a génrészletről alternatív fehérjék termelődhetnek!
Exon Exon I. II. A
kutya
Exon II.
Exon IV.
„komondor gén”
örzi
Exon V. a
Exon Exon VI. VII. ház
Exon VIII. at
MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ MDIÓEQLAÉÁTOREWWHFIEŐ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ WLDHRÚŰQOALKÓCOSTWLŐŰ QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN QNOVAQURÜEŰAHFKUTYAMN DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT DPRWTERELIAMNŐRZIUQRT AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ AHQILKAKŐEQWIXYYTRAEQ JANYÁJHÁZTTTATLKÓÜQA JANYÁJHÁZATLKÓÜQALTYE 14
15
A Humán Genom Projekt: 1989-2003 GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG
Humán Genom Projekt Hierarchikus CGAGGATCAA CTGTGCAACGmódszer GGTGGGGCCG
GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG
CGGCTGACCG TGGTGGTCGC
J. WatsonTGCGGGGGGG , a HGP első GGGCGGCGGG elnöke GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG AGCGGGCGTG MarkerekGGGCAGGGGG , ‘clone by clone ’ technika GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA GGGCGATGCT GGCCTGCCCG GCATTCGTCC ACGTGCCCGT TCACGGTGGA GCGCCGCGGG
• cél: egyetlen ember haploid (azaz fél) GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC kromoszóma készletének információját TCCTTGTCGG CGCGGACCCC felderíteni.TTTCTCGGGT (nem ismert, hogy ki) GCGCGGCGCC TGGCCACCAC TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC • 1989-benCTCGCTTCAT alapított ‘állami’ szektor CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AATACTGGGC • 1992: 1$/bp, 100,000AAGATGAGCA bp/év – reménytelennek tűnt GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG • nemzetközi koordináció 16
TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG
A HGP „egyenes útja” Hogyan keresi a matematikus az oroszlánt a sivatagban? GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG Watson által kidolgozott Hierarchikus módszer: GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA A Humán genom projekt fő stratégiája a genom hierarchikus GGCGGCCACG TGGTGGTCGC lebontása CGAGGATCAA mind kisebbCTGTGCAACG és kisebbGGTGGGGCCG szerkezeti CGGCTGACCG egységre, és
csupán eztGGCCAGAGGC követte a szekvenálási munka. Sokan kritizálták a GGGGGCTGAG TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT tervet a rendkívül időigényes hierarchikus kiépítése TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTGrendszer GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA miatt. GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA A DNS-szekvenálás kivitelezése 500 CGGGCCTGGG AGGGAGGTTTtechnikai TGCCAGATAC CAGGTGGACTmaximum AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC betűs sorozatokban Ezért a „végeláthatatlan” GGGACGCACG CACGGGCCGGtörténik. GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC DNSGCTTCAGGGC molekulákat ilyen nagyságrendű darabokra kell bontani,GCGCGGCGCC és CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC csupán ezeket a kisebb fragmenteket szekvenálják. A kapott nyers szekvenciákat azután összerakják, és így készül el a GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC végleges szekvencia. A részek összerakása azonban nem TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG könnyű. 17 GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC
TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG
Az „alternatív” Humán Genom Projekt A „shotgun” módszer… GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC Az alternatív projekt
AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG
GGCCGGAGGG AATGGAGGAG (Celera, Craig Venter) GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC
random szekvenálás GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG bioinformatika TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG
GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA
GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC
Shotgun módszer: GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC •A genomotCGCCCCTCCA felszabdalták, ezeket TTTCTCGGGT a darabokat szekvenálták, majd CTGGTCTGGC TCCTTGTCGG CGCGGACCCC GCGCGGCGCC az átfedő szekvenciák segítségével összeillesztették. GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC (a módszer bizonyítottan működött kisebb (bakteriális) genomoknál) GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC
• Így a hierarchikus módszert elhagyva egy gyorsabb módszert TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG dolgozott ki. TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG 18
A Humán Genom Projekt eredményei 2001 Első (nyers) genom szekvencia
Celera Genomics (privát szektor) Craig Venter
HGP (Human Genome Project) Francis Collins NCBI:National Center of Biotechnology Information
50 évvel a DNS kettősspirál megfejtése után…
2003 A HGP befejezése A ‘posztgenomikus’ éra kezdete 19
A Humán Genom eredményei szabadon hozzáférhetők https://www.youtube.com/watch?v=ZvnhZI-GZS4&index=18&list=PLAD3DE96CA98E831E
3000 könyv kellene a DNS-nek (ezer oldalas, egy oldalon ezer betű) Ezt a hatalmas információ-tömeget ezért praktikusan egy szabadon hozzáférhető internetes adatbázisban tárolják.
A szabadon hozzáférhető adatok helye: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/genome/guide/human/index.shtml Click on one of the chromosomes!
A “hasznos információ” (gének) a genom 1-2%-át foglalják el! Ma: kb. 18-20.000 fehérje kódoló gén
Orvos-biológiai periódusos rendszer • humán gének • humán fehérjék 21
Összehasonlító vizsgálatok
Csimpánz – emberi genom: kb. 95%-ban azonos
22
23
A humán genom polimorf jellege Nem rokon emberek között: GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC GAGGGAGCGC
azonosság - 99.5% (kb. 3 millió bp különbség) Mutációk és Polimorfizmusok
GAGGGTGCGC
GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC
Ember és csimpánz:
azonosság ~ 95% 24
Sajtóhibák?! GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG 25
TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC GTTGTCCGCG
… amikor a „sajtóhiba” végzetes A mutáció: ritka allélváltozatok (1%-nál kisebb gyakoriságú) általában monogénes öröklődésű betegségek GTCCGGTCCC GGGACCCCCT GCCCAGGGTC AGAGGGGCGC CTACCTAGCT CACGGTCTTG GGCCGGAGGG AATGGAGGAG GGAGCGGGGT CGACCGCTCA GCTGTCCGCC CAGTTTCGGA GGCGGCCACG CGAGGATCAA CTGTGCAACG GGTGGGGCCG CGGCTGACCG TGGTGGTCGC GGGGGCTGAG GGCCAGAGGC TGCGGGGGGG GGGCGGCGGG ATGAGCTAGG CGTCGGCGGT TGAGTCGGGC GCGGAGTCGG GGGCAGGGGG AGCGGGCGTG GAGGGCGCGC ACGAGGTCGA Desease genes identified GGCGAGTCCG CGGGGGAGGC GGGCAGAGCC TGAGCTCAGG TCTTTCTGCG TCTGGCGGAA CGGGCCTGGG AGGGAGGTTT TGCCAGATAC CAGGTGGACT AGGGTGAGCG CCCGAGGGCC GGGACGCACG CACGGGCCGG GTAGGATGGC GCTGGCGTCG ATGCCCGCGC GCTTCAGGGC CTGGTCTGGC CGCCCCTCCA TCCTTGTCGG TTTCTCGGGT CGCGGACCCC GCGCGGCGCC GGGCGATGCT GGCCTGCCCG TGGCCACCAC CTCGCTTCAT TCCCGTCTCT TTGGGCCGCC GCATTCGTCC ACGTGCCCGT CTCTCCCTGC GCAAAATTCC AAGATGAGCA AATACTGGGC TCACGGTGGA GCGCCGCGGG GGCCCCCCTG AGCCGGGGCG GGTCGGGGGC GGGACCAGGG 26
https://www.youtube.com/watch?v=ZSpFVPBEeLk&index=11&list=PLAD3DE96CA98E831E TCCGGCCGGG GCGTGCCCGA GGGGAGGGAC TCCCCGGCTT GCGACCCGGC CGACCCGGC GTTGTCCGCG GTTGTCCGCG
… veszélytelen „sajtóhibák” Genetikai polimorfizmusok: 1%-nál gyakoribb génváltozatok SNP
G CA C TAC C C GTGATG G G CATTAC C C G TAA T G G Single Nucleotide Polymorphism Egypontos nukleotid variációk
VNTR 2 ismétlődés 3 ismétlődés 4 ismétlődés 5 ismétlődés Variable Number of Tandem Repeats Változó számú ismétlődések 27
További diploid genomok 2007-2008
PGP-10 http://www.nature.com/news/2008/080416/full/452788b.html
A humán genom polimorf jellege Nem rokon emberek között:
GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC GAGGGAGCGC
azonosság - 95% eltérések (polimorfizmusok) SNP, VNTR, CNV (kb. 3 millió SNP)
GAGGGTGCGC
GAGGGTGCGC GAGGGAGCGC
29
Kromoszómális foltokban mért polimorfizmusok (CNV copy number variations) News Feature
Nature
437, 1084-1086 (20 October 2005)
Human genome: Patchwork people Erika Check
30
Szakirodalom • Sasvari-Szekely Mária. A Humán Genom Projekt. Lege Artis Medicine 2003, 13: 102-109. • Sasvari-Szekely M, Szekely A, Nemoda Z, Ronai Z. A genetikai polimorfizmusok pszichológiai és pszichiátriai vonatkozásai. Kognitív idegtudomány. Pléh C, Gulyás B, Kovács G. (Eds). Osiris Kiadó Budapest 2003: 669-685. • Cikk részletek (fontos részek sárgával jelölve): – Check, E. 2005. Human genome: patchwork people. Nature. 437: 1084-1086. 31
