Introducción a la Genómica

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 Genómica 1900 1950 1975 Ingeniería Genética Genética Molecular Genética 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. Secuenciación automática Bioinformática Genomas: archaeas, procariotas & eucariotas Genómica ( T. Roderick, 1986) La Genómica vs. La secuenciación DNA Secuenciación DNA Fago Fx174 Sanger (Nature, 1977) F. Sanger & W. Gilbert Sílvia Atrian, UB., adaptada de Alfonso Valencia, CNB.

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

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

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

9. 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. Invertebrados. http://www.ab.a.u-tokyo.ac.jp/sericulture/shimada.html Proyecto Genoma de Bombyx mori. http://www.ddbj.nig.ac.jp/htmls/c-elegans/html/CE_INDEX.html Proyecto Genoma de Caenorhabditis elegans. http://flybase.bio.indiana.edu/ Proyecto Genoma de Drosophila melanogaster. http://klab.agsci.colostate.edu/ Proyecto Genoma del Mosquito. Vegetales. http://ars-genome.cornell.edu Proyectos Genoma de diversos vegetales. http://www.arabidopsis.org/ Proyecto Genoma de Arabidopsis thaliana. http://rgp.dna.affrc.go.jp/ Proyecto Genoma de Oryza sativa. http://aestivum.moulon.inra.fr/imgd/ Proyecto Genoma de Zea mays. Distintos microorganismos procariotas. http://www.tigr.org/tdb/mdb/mdb.html Proyectos Genoma procariotas. Eucariotas unicelulares. http://alces.med.umn.edu/Candida.html Proyecto Genoma de Candida albicans. http://glamdring.ucsd.edu/others/dsmith/dictydb.html Proyecto Genoma de Dictyostelium discoideum. http://www.mips.biochem.mpg.de Proyecto Genoma de Neurospora crassa. http://ben.vub.ac.be/malaria/mad.html Proyecto Genoma de Plasmodium falciparum. http://www.wehi.edu.au/biology/malaria/who.html Proyecto Genoma de Plasmodium falciparum. http://genome-www.standford.edu/Saccharomyces/ Proyecto Genoma de Saccharomyces cerevisiae. Sílvia Atrian, UB.

11. Vertebrados. http://zfish.uoregon.edu/ Proyecto Genoma del pez zebra. http://www.ri.bbsrc.ac.uk/chickmap/chickgbase/manager.html Proyecto Genoma del pollo. http://locus.jouy.inra.fr/cgi-bin/bovmap/intro2.pl Proyecto Genoma de la vaca. http://mendel.berkeley.edu/dog.html Proyecto Genoma del perro. http://www.informatics.jax.org/ Proyecto Genoma del ratón. http://ratmap.gen.gu.se/ Proyecto Genoma de la rata. Diversos Proyectos Genoma. http://www.sanger.ac.uk/Projects Diversos Genomas eucariotas. http://www.mips.biochem.mpg.de Diversos Genomas eucariotas. El genoma humano http://www.nhgri.nih.gov http://www.sanger.ac.uk http://www.celera.com Interactive access to DNA and protein sequences: http://www.ensembl.org/ Images of chromosomes, maps, loci: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/guide/ Gene map: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genemap99/ Overview of human genome structure http://hgrep.ims.u-tokyo.ac.jp Single-nucleotide polymorphisms: http://snp.cshl.org/ Human genetic disease: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/ http://www.geneclinics.org/profiles/all.html Social, ethical, legal issues: http://www.genome.gov/page.cfm?pageID=10001618 Sílvia Atrian, UB.

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

13. ¿ Qué “Genómica” ? 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. ¿ 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 Genómica estructural Función Secuencia 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. Genomas de patógenos bacterianos Genes de patogeneidad, de virulencia y de resistencia Genes metabólicos, exclusividad procariota y de patógenos Haemophilus influenzae (1995) Helicobacter pylori Mycobacterium tuberculosis Vibrio cholera Genómica estructural/comparada Genómica funcional 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. Técnicas necesidad de desarrollo de: -gene manipulación génica in vivo (knockouts, transgénicos) -sistemas de transfección -sistemas de expresión de genes en estos organismos Genomas de parásitos eucariotas Plasmodium malaria Trypanosoma sueño, Chagas Leishmaniasis leishmaniasis Schistosoma bilharzia Onchocerca filariasis Sílvia Atrian, UB.

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

22. 1 gen ~ región de DNA mRNA proteínas n patrones codificantes 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. Drosophila 13000 . Arabidopsis 25000 Lección de humildad: Complejidad y número de genes levadura 6000 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 Genoma es en si mismo un Proyecto tanto o más imponente. Sílvia Atrian, UB.

26. - los análisis masivos de transcritos - los DNAchips y DNAarrays - mutagénesis por disrupción génica - interferencia de RNA Genómica funcional: El genoma en funcionamiento, Las técnicas: - 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. Gen A tag tag Saccharomyces cerevisiae: 1996. El primer eucariota, el primer modelo. Proyectos EUROFAN (1, 2) ¿ 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. RNA x de doble cadena Genómica funcional: Interferencia de RNA GEN x mRNA x Proteína x 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 (~500.000pb) 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 403:623-631 Ito et al. (2000) PNAS 97:1143-1147 C. elegans Walhout et al. (2000) Science 287:116-122 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. Genómica Proteómica Regulación de expresión génica Vías y redes metabólicas Cascadas de señales Estructuras multiméricas La Biología Molecular Integrativa Yeast & other Minicell Bioinformática 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, 16.02.2001. Sílvia Atrian, UB.