휴먼게놈프로젝트와 컴퓨터 Human genome project and Computer science

1. 휴먼게놈프로젝트와 컴퓨터Human genome project and Computer science 2005-12-03 Biocom OB 세미나 93’김형용 http://biohackers.net/wiki/HgpAndComputer http://biohackers.net

2. 순서 • 생물학 백그라운드 • Genome의 구조 • 서열결정작업 • HGP 이후의 이야기들 • 컴퓨터과학의 기여

3. Genome • 게놈? 지놈? • 유전자(gene), 유전체(genome)

4. Great 3 books • 우주 –생명 - 인간

5. Central Dogma of Molecular Biology

7. Protein structure • 20 Amino acids • Sequence specifies conformation • RNase

8. Life • DNA’s common method of producing more DNA • Review the life

9. Evolution • Self replicator

10. Chromosome 1 cM ~= 1 Mbps

11. Gene structure

13. Junk DNA • 전체 Genome의 5%만이 단백질이 되는 영역. 그렇다면 나머지는? • Repetitive sequence • LINE (>300bps) • SINE (300bps), Alu (30000~50000개) • Microsatelite

14. Human genome • 3~4x1014 cells (~=245) • > 200 cell type • 3x109 bps (3Gbps = 3Gbyte) • 20000~25000 Genes • 98% unknown functional DNA • 0.1% difference with you • Information theory : 30Mbyte

15. Human genome project • DOE, NHGRI 에서 시작. 2003년 공식 완료. 13년. 7개국 참여 • 95%나 되는 Junk DNA 를 꼭 그 많은 돈을 들여서 해야만 했는가? • 목적 • Human DNA 에서 모든 Gene의 동정 • 30억 염기서열의 결정 • Database에 결과의 저장 • 이를 분석할 수 있는 도구의 향상 • 관련 윤리적 문제의 연구

16. History • PCR • RFLP • Genetic marker • BAC • Shotgun sequencing • Whole genome shotgun

17. Gel Electrophoresis • 젤(그물막)에 전하를 띤 물질을 통과시킴으로, 분리하는 방법. 작을수록 멀리~ • DNA, Protein

18. PCR • Polymerase Chain Reaction

19. Genetic marker • Polymorphic allele locus

21. Genetic map

22. Cloning • 무지 작은 저 분자를 하나씩 직접 읽을 수 없다. • 따라서, “동일” 한 것들 여러 개를 갖고 실험

23. Gene cloning • Gene cloning 과정 • Genome상에서 원하는 영역을 정한다. • 원하는 영역을 뽑아낼 수 있는 PrimerDesign을 한다. • PCR로 해당영역의 major band를 확인하고, 추출한다. • CloningVector에 삽입한다. • Selection의 과정을 통해, 해당 유전자가 삽입된 벡터가 들어있는 클론을 선발한다. • Cloning vector • Plasmid : • Cosmid : 30 kb • BAC : 350 kb • YAC : 2 Mb 이상 • PAC : 300 kb

24. DNA sequencing

25. DNA sequencing

26. DNA sequencing • Frederic Sanger • DNA, Protein • 유효길이 • 700-800bp

27. Shotgun sequencing 게놈을 읽기 위해 유전학자들은 먼저 게놈을 수천조각으로 부순 뒤, 아무렇게나 잘라졌을 이 조각들을 가지고 시작할 수 밖에 없다. 재조립하기 위해 파괴하는 것, 그것이 분자생물학자들의 저주받을 운명이고 직업적 강박관념이다. -- 다니엘코엥, 휴먼게놈을 찾아서

28. Genome sequencing • Clone by clone method • Genetic marker에 따라 BAC 선발 후 shotgun • Whole genome shotgun • 무작정 shotgun • Repeat 로 인한 조립에의 어려움. • 컴퓨터만 믿는다.

29. Current status (since 2003) • Human Chromosome 4 Completed, April 2005. • Human Chromosome 2 Completed, April 2005. • Human Chromosome X Completed, March 2005. • Human Chromosome 16 Completed, December 2004. • Human Gene Count Estimates Changed to 20,000 to 25,000, October 2004. • Human Chromosome 5 Completed, September 2004. • Human Chromosome 9 Completed, May 2004. • Human Chromosome 10 Completed, May 2004. • Human Chromosome 19 Completed, March 2004. • Human Chromosome 13 Completed, March 2004. • Human Chromosome 6 Completed, October 2003. • Human Chromosome 7 Completed, July 2003. • Human Chromosome Y Completed, June 2003. • Human Genome Project Completion: 1990-2003 (April 2003)

30. Genome browser • UCSC Genome browser • NCBI Genome browser • Ensembl • VistaBrowser

31. Genetic disease – before HGP

32. Genetic disease – after HGP

33. Comparative genomics • Synteny (Gene order), Gene duplication, Gene fusion

35. Comparative genomics

36. SNP • Single Nucleotide Polymorphism • 종간 다양성  종내 다양성 • 염기변화  유전자내  아미노산변화  구조변화

37. Haplotype

39. HapMap • 일본, 영국, 중국, 캐나다, 미국, 나이지리아 • Project의 목표는 MinorAllele의 빈도가 최소 5% 이상이고 평균 간격이 5 kilobase 인 60만개 SNPs을 genotype 하는 것

40. Transcriptome, Proteome • EST • DNA chip • Proteomics

41. EST • Expression Sequence Tag

45. Transformational grammar • Regular grammar : computer program • Context free grammar : DNA • Palindrome, “다시 합창합시다” • Context sensitive grammar • Unrestricted Grammar : 자연어

46. Sequence alignment

47. Smith-Waterman algorithm

48. BLAST • Unknown sequence Known sequence Database

49. Object oriented programming • Computer programming paradigm • 생명현상의 모델링

50. 마치며… • Rosetta stone • Programming