Introducción a la Genómica

Presentación del tema: "Introducción a la Genómica"— Transcripción de la presentación:

1 Introducción a la Genómica
GENÓMICA, PROTEÓMICA Y BIOINFORMÁTICA Desarrollo de estrategias terapéuticas para el nuevo milenio. Curso de Post-Grado de la UB Enero 2006 Dra. Sílvia Atrian Departament de Genètica Universitat de Barcelona

2   S. XX S. XXI GENES GENOMAS Genómica 1900 1950 1975 Ingeniería
Genética Genética Genética Molecular GENES GENOMAS Sílvia Atrian, UB.

3 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.

4 La Genómica: sus etapas
EL PASADO: inicio de la Genómica METODOLOGÍA Sílvia Atrian, UB.

5 La Genómica vs. La secuenciación DNA
Fago Fx174 Sanger (Nature, 1977) F. Sanger & W. Gilbert Genomas: archaeas, procariotas & eucariotas Genómica ( T. Roderick, 1986) Secuenciación automática Bioinformática Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.

6 Las dimensiones de los genomas
mamíferos 3x109 levaduras 107 humano 3x109 plantas 1010 bacterias 106 103 virus insectos 108 * en nucleótidos Sílvia Atrian, U.B.

7 Las estrategias de secuenciación
CLASICO SHOT-GUN Mapa ordenado de segmentos 1 2 3 Secuenciación ATCCGGCATAGCATGAC... Secuenciación Ordenación 1 2 3 ATCCGGCATAGCATGAC... Sílvia Atrian, UB.

8 Los proyectos Genoma ¿Cuáles?: Patógenos & Parásitos El hombre Modelos
Sílvia Atrian, U.B.

9 Haemophilus influenzae Mycobacterium tuberculosis
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.

10 Proyecto Genoma de Bombyx mori.
Invertebrados. Proyecto Genoma de Bombyx mori. Proyecto Genoma de Caenorhabditis elegans. Proyecto Genoma de Drosophila melanogaster. Proyecto Genoma del Mosquito. Vegetales. Proyectos Genoma de diversos vegetales. Proyecto Genoma de Arabidopsis thaliana. Proyecto Genoma de Oryza sativa. Proyecto Genoma de Zea mays. Distintos microorganismos procariotas. Proyectos Genoma procariotas. Eucariotas unicelulares. Proyecto Genoma de Candida albicans. Proyecto Genoma de Dictyostelium discoideum. Proyecto Genoma de Neurospora crassa. Proyecto Genoma de Plasmodium falciparum. Proyecto Genoma de Saccharomyces cerevisiae. Sílvia Atrian, UB.

11 Proyecto Genoma del pez zebra.
Vertebrados. Proyecto Genoma del pez zebra. Proyecto Genoma del pollo. Proyecto Genoma de la vaca. Proyecto Genoma del perro. Proyecto Genoma del ratón. Proyecto Genoma de la rata. Diversos Proyectos Genoma. Diversos Genomas eucariotas. El genoma humano Interactive access to DNA and protein sequences: Images of chromosomes, maps, loci: Gene map: Overview of human genome structure Single-nucleotide polymorphisms: Human genetic disease: Social, ethical, legal issues: Sílvia Atrian, UB.

12 La Genómica: sus etapas
EL PRESENTE:desarrollo de la Genómica DATOS Sílvia Atrian, UB.

13 ¿ Qué “Genómica” ? Genómica estructural: Genómica funcional:
secuenciación, mapaje de genes, anotación genómica, estructura/función proteínas Genómica estructural: Genómica funcional: el genoma en funcionamiento (transcritos y proteínas) * el desarrollo * el mantenimiento * la disfunción Sílvia Atrian, UB.

14 el genoma en funcionamiento
¿ Qué Genómica ? Genómica estructural: secuenciación, mapaje de genes, anotación, identificación proteínas Genómica funcional: el genoma en funcionamiento Proteómica non-mRNAs Genómica comparada Farmaco-Genómica Genómica evolutiva Sílvia Atrian, UB.

15 Genómica estructural y comparada
La anotación de genomas, la identificación de proteínas y asignación de funciones Grandes modelos de Genómica estructural: Los genomas procariotas Sílvia Atrian, UB.

16 Los espacios de secuencia, estructura y función
Genómica funcional Secuencia Genómica estructural Estructura Alfonso Valencia, CNB.

17 The GeneQuiz assignments
Sin ninguna similitud conocida SECUENCIAS ÚNICAS Similares a proteínas de estructura conocida MODELADO Similares a proteínas de función desconocida : FAMILIAS HUERFANAS Similitudes débiles FUNCION TENTATIVA Similares a proteínas de función conocida PREDICCIÓN DE LA FUNCIÓN by The Genequiz Consortium Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.

18 http://www.genomes.org/services/ follow: genequiz
Alfonso Valencia, CNB.

19 Genómica estructural/comparada
Genomas de patógenos bacterianos Haemophilus influenzae (1995) Helicobacter pylori Mycobacterium tuberculosis Vibrio cholera Genómica estructural/comparada Genómica funcional Genes de patogeneidad, de virulencia y de resistencia Genes metabólicos, exclusividad procariota y de patógenos Desarrollo de agentes terapéuticos Genes de determinantes antigénicos Desarrollo de vacunas Genes exclusivos de especies, cepas patógenas Desarrollo de tests diagnósticos Sílvia Atrian, UB.

20 Genomas de parásitos eucariotas
Plasmodium malaria Trypanosoma sueño, Chagas Leishmaniasis leishmaniasis Schistosoma bilharzia Onchocerca filariasis Técnicas necesidad de desarrollo de: -gene manipulación génica in vivo (knockouts, transgénicos) -sistemas de transfección -sistemas de expresión de genes en estos organismos Sílvia Atrian, UB.

21 Consorcio Público FEBRERO 2001: Celera Genomics
Sílvia Atrian, UB.

22 35 % genes (ORF) humanos: lectura múltiple
1 gen ~ región de DNA n patrones codificantes mRNA proteínas los RNA auto-funcionales 35 % genes (ORF) humanos: lectura múltiple Defectos sistemáticos de las anotaciones: - los ORF < 100 aminoàcidos - los ORF de RNA como producto final Sílvia Atrian, UB.

23 Los ~40.000 genes (ORF) humanos: se multiplicarán por …..:
El número de proteínas maduras será infinitamente mayor El número de interacciones será infinitamente mayor Sílvia Atrian, UB.

24 La complejidad de las interacciones, no el número de elementos
Lección de humildad: Complejidad y número de genes levadura 6000 13000 Drosophila Arabidopsis 25000 30000 . La complejidad de las interacciones, no el número de elementos codificantes C.elegans 19000 * pb Sílvia Atrian, U.B.

25 La anotación de los Proyectos Proyecto tanto o más imponente.
Genoma es en si mismo un Proyecto tanto o más imponente. Sílvia Atrian, UB.

26 Grandes modelos de Genómica Funcional: La levadura: S.cerevisiae
El genoma en funcionamiento, Las técnicas: - los DNAchips y DNAarrays - los análisis masivos de transcritos - mutagénesis por disrupción génica - interferencia de RNA - los ensayos de interacciones proteicas Grandes modelos de Genómica Funcional: La levadura: S.cerevisiae Sílvia Atrian, UB.

27 Saccharomyces cerevisiae: 1996. El primer eucariota, el primer modelo.
Su genoma 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 Sílvia Atrian, UB.

28 El transcriptoma Transcriptoma 1  tiempo Transcriptoma 2 Genoma
 espacio Transcriptoma 3  cantidad Sílvia Atrian, UB.

29 La Microchips de DNA x 1046 x 65000 Sílvia Atrian, UB.

30 Saccharomyces cerevisiae: 1996. El primer eucariota, el primer modelo.
Proyectos EUROFAN (1, 2) Gen A tag ¿ Viabilidad ? ¿ Fenotipo ? ¿ Comportamiento ? Cepa D Gen A Target sequence (5’ y 3’ de cada ORF ) KanMX4 Función Gen A Sílvia Atrian, UB.

31 G.F. en enfermedades vasculares
Mouse como modelo: la mayoría se suponen poligénicas. 1) Genómica comparada interespecífica de regiones reguladoras 2) Mutagénesis química: “Phenotype-driven”: screening de parámetros bioquímicos, fisiológicos y morfológicos adecuados: anormalidades cardíacas y metabolismo lipídico: miles F1, cientos mutantes (UK + Germany). 3) Mutagénesis dirigida insercional: “Genotype-driven” :el gen a evaluar: eliminado o substituido por un mutante, por inyección pronuclear y recombinación dirigida. Rubin & Tall. (2000) Nature 407. Sílvia Atrian, UB.

32 Funciona con grado de dependencia de:
Genómica funcional: Interferencia de RNA 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 Silvia Atrian, UB

33 La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica INTEGRACIÓN 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 (~ pb) Genoma Mycobacterium: Sílvia Atrian, UB.

34 La Genómica: sus etapas
EL FUTURO: uso de la Genómica INTEGRACIÓN 2. Función genómica conocida: predicción total de comportamientos/ creación de células virtuales Necesidad de conocer la red total de interacciones entre productos génicos (proteínas/RNA/DNA). Sílvia Atrian, UB.

35 Interacción proteica: Y2H sistemático
S. cerevisiae Uetz et al. (2000) Nature 403: Ito et al. (2000) PNAS 97: Interacción proteica: Y2H sistemático C. elegans Walhout et al. (2000) Science 287: 93000 Parejas de Interrelación Intereracción probada experimentalmente (2H) ~ 500 Con homólogos que participan en una misma VM ~ 2391 6217 ORF Perfiles filogenéticos ~ 20749 Con homólogos fusionados ~ 45502 Con patrón de expresión correlacionado (arrays) ~ 26013 Sílvia Atrian, UB.

36 Nature, 2001 Sílvia Atrian, UB.

37 La Biología Molecular Integrativa
Genómica Proteómica Yeast & other Minicell Bioinformática Regulación de expresión génica Vías y redes metabólicas Cascadas de señales Estructuras multiméricas E-cell Virtual cell Sílvia Atrian, UB.

38 S.XXI: La Biología Molecular de los conjuntos
Los genomas Los transcriptomas Los proteomas Genómica Proteómica Bioinformática Los metabolomas Los ORFomas Los interactomas Los recombinomas Sistema biológico Sílvia Atrian, UB.

39 Science, Sílvia Atrian, UB.