Humane Genetische Diversität. Peter Ahnert

Transkript

1 Humane Genetische Diversität Peter Ahnert

2 Verschiedene Genome

3 Gliederung Das menschliche Genom Definition Gen Variabilität im Genom Genetisch Bedingte Erkrankungen Das Humangenomprojekt

4 Biologie ist Komplex Sichtbarer Phenotype Organe, Gewebe, und Zellen Proteom Transkriptom Genom

5 Das Menschliche Genom ca. 3,3 Mrd. Basenpaare, ca Gene, ca. 1,12 Meter lang

6 Eigenschaften: Das Menschliche Genom ca. 3.3 Mrd. Basenpaare (haploid) 30,000-35,000 Gene (?) Durchschnittliche Gengröße: 3000 Basenpaare. Das größte ist das Dystrophin Gen mit 2.4 Millionen Basenpaaren Nur ca. 2% kodierende DNA Für 50% der bekannten Gene ist die Funktion unbekannt 98% des Genoms hat keine bekannte Funktion (?) Verschiedene Gendichte der Chromosomen: Chromosom 1 hat die meisten Gene (2968) Y-chromosom hat die wenigsten (231) Mindestens 50% der nicht-kodierenden DNA sind repetitive Sequenzen

7 Das Menschliche Genom

8 3,300 Mb Organisation des Genoms Humanes Genom 16,6 kb Nukleares Genom 25% 75% Gene Extragenisch Mitochondriales Genom 2 rrna 22 trna 13 Gene 10% 90% Kodierend Nicht-kodierend Nicht-Repetitiv Repetitiv Pseudogene Gen Fragmente Introns usw. Tandem und Cluster Interspersed

9 Gen-Definition Bis Ende der 40er Jahre Das Gen ist etwas, was ein Phenotypisches Merkmal bestimmt.

10 Gen-Definition bis Ende der 70er Jahre DNA Protein Das Gen ist ein DNA Abschnitt, der für eine kontinuierliche Polypeptidkette kodiert.

11 Gen-Definition seit den 80er Jahren DNA prä-mrna mrna Protein DNA Segment, welches als eine Einheit transkribiert wird und für ein Set verwandter Proteine kodiert

12 Alternatives Spleißen

13 TNFR14 im Genom Gen: ca Basenpaare 238 Aminosäuren Zelloberflächenmolekül Wichtig für Signale in der Immunantwort auf Infektionen Mitglied der Tumor Necrose Faktor Rezeptor Familie Identifiziert als zellulärer Mediator für das Eindringen von Herpes Simplex Virus

14 TNFR14 Transkript 1 Transkript (mrna): 1634 bp, 8 Exons

15 Dystrophin im Genom Größe des Gens: 2,4 Megabasen 79 Exons Muskelprotein, lokalisiert in der Membran des Sarkolemma Meist nicht vorhanden in Individuen mit Duchenne Muskeldystrophie Meist falsche Größe in Becker Muskeldystrophie Genaue Funktion unklar Mögliche Rolle im Zusammenspiel von Membranen und Myofibrillen während der Muskelkontraktion

16 Dystrophin Transkripte Transkript bp 13 Exons Transkript bp 12 Exons Transkript bp 8 Exons

17 Einige Definitionen Genom: Gesamtheit der Gene eines Organismus Gen: DNA Segment, welches als eine Einheit transkribiert wird und für verwandte Proteine kodiert Allel: Eine bestimmte Variante eines Gens Mutation: Sprunghafte Veränderung des Genoms von einem Zustand in einen anderen (von einem Allel in ein anderes)

18 Individualität Unterschiede zwischen Menschen: Physische Merkmale: Größe, Geschlecht, Augenfarbe, Gesichtsform, Verhalten: Agressivität, Gruppeninteraktion, Flirtverhalten Kognitive Fähigkeiten: Lernen, Erinnerung, Abstraktionsvermögen Kommen Zustande durch: Gene Umwelt Zufall

19 Variabilität im Genom ca. 3,3 Mrd Basenpaare im Genom ca. 99,9% identisch zwischen Individuen ca. 0,1% Unterschiede = 3 Millionen Variable Stellen

20 Variabilität im Genom Ursachen Unvermeidlich da - Replikation nicht fehlerlos - Spontanes auftreten von Mutationen - Unvollkommene Reparaturmechanismen Notwendig zur Anpassung an neue Umweltbedingungen - Krankheiten - Klima

21 Variabilität im Genom in Populationen Stabilisierende Kraft - Hardy-Weinberg Prinzip Verändernde Kräfte - Mutation - Genetische Drift - Migration - Selektion

22 Beispiel Selektion FY - Oberflächenmolekül auf Erythrozyten (Duffy Blutgruppe) - Notwendig für das Eindringen von Plasmodium vivax in Erythrozyten HP - Haptoglobin, bindet freies Hämoglobin - Osteoporose Risikofaktor GC - Group-specific component, bindet und transportiert Vitamin D - Assoziiert mit Graves Krankheit (Schildrüsenleiden)

23 Beispiel Selektion GC-1 FY-0 HP-1 Plasmodium vivax Malaria

24 Variabilität im Genom Mechanismen Mutationen - Somatisch - Keimbahn Sexuelle Fortpflanzung / diploides Genom - Mischung mütterlicher und väterlicher Allele - Crossing over

25 Chromosomen Mutationen Intrachromosomal Interchromosomal Insertion Translokation

26 Sequenzmutationen Basensubstitution Baseninsertion / Basendeletion

27 Variable Elemente des Genoms Mutationen Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs) Repeats (meist nicht kodierend) - Megasatelliten (mehrere kbp, Blocks bis 100e kbp) - Satelliten (5-171 bp, Blocks 100 kbp bis Mbp) - Minisatelliten (6-64 bp, Blocks 0,1 20 kbp) - Microsatelliten (1-4 bp, Blocks bis 150bp) Repetitive kodierende DNA Variable Number Tandem Repeats (VNTRs) Transposable Elements

28 Individualität Gene, Umwelt, Zufall? Zwillingsstudien Kopplungs Kartierung (Linkage Mapping) Assoziationsstudien Mutationsanalysen

29 Zwillingsstudien

30 Kopplungskartierung (Linkage Mapping)

31 Genetisch Bedingte Erkrankungen Alle Krankheiten sind genetisch Umwelt Gene Hämophilie Diabetes Asthma Rheumatoide Arthritis Lungenkrebs

32 Genetisch Bedingte Erkrankungen Monogenisch Bedingte Erkrankungen: Mendelisch oder nahezu mendelisch Erkennbar in Stammbäumen Kausales Gen mittels Kopplungsanalyse gut zu identifizieren Polygenisch Bedingte Erkrankungen Meist nicht-mendelisch Anscheinend sporadisch Kausale Gene mittels nicht-parametrischer Kopplungsanalyse eingrenzbar

33 Hämophilie A Blutgerinnungsstörung Gerinnungsfaktor Faktor 8 ist betroffen X-gebunden rezessiv (Xq28) In ca. 80% isolierter Fälle ist die Mutter Trägerin

34 Phänotyp - Genotyp Analyse der Rheumatoiden Arthritis (RA) Autoimmunkrankheit: Progressive Gelenkzerstörung Ca. 1% der Bevölkerung betroffen Lebenserwartung 5-10 Jahre reduziert Entstehungsmechanismus unklar Genetische Suszeptibilität 30-60%

35 RA - Ätiologie und Pathogenese genetic predisposition unknown antigens other risk factors T-cells & B- cell activation Activation Adhesion Permeabilization Synovial membrane Cytokines Mediators TNF IL-1 Migration of inflammatory cells Pannus formation Lining cells T-cells, MF Production of Collagenase (MMPs) by fibroblasts, chondrocytes and osteoclasts Joint destruction Dinarello C.A., Moldawer L.L. Amgen 1999, Proinflammatory and Anti-inflammatory Cytokines in Rheumatoid Arthritis

36 RA-Gene im Humanen Genom RA Suszeptibilitäts-Loci identifiziert durch Genom-weite Kopplungsanalyse Biologische Kandidaten MacKay, et al.: Arthritis & Rheumatism Vol. 46, No. 3, March 2002, pp Andere Studien Unsere Analyse

37 Assoziationsstudien Clinical-Biological System Clinical Problem Clinical Study Analysis & Gene Selection Candidate Genes Candidate SNPs SNP Short List SNP Retrieval SNP Evaluation and Selection Clinical Data Statistics / Data Mining Pattern Recognition Associations Genotype Data Assay Design & Genotyping

38 Auswahl von SNPs für die Genotypisierung Distance Amino Amino SNP SNP rs# position Band from gene Alleles Gene previous position Role Submitterdated map snp- chr cfg total ctg ctg ctg ctg chr local avg s.e. max. vali- geno- link orig upd Promoter biological Vali- acid acid Flanks Contig chr notes weight type hits hits hits acc vers ID pos pos loci het*100 het probe dated types outs build build effect effect change position SNP SNPrange ende q A/G MMP3 Promoter TTATCTTCTTGTCTTTATTTTTATCATCTATGAAATATAAATACAATGATATCAGCCCTGGTTATTTCTTCATTACCGTTGACTACTGTATTAGCCAGAACTTGTAGTAGGGAAAATTAAAGTGTTGTTCAATTTCTTATGAGAGGGTTTACTTTGGCAAGTTAAACAAATGATGATATAGTAATTACCTTTAAAAATGAAAACGAGGTCCTTGCTAGTAACTTCATATGCGGCATCCACGCCTGAAGGAAGAGA U78045:1 KWOK,KWOK,KWOK,SC_JCM N 5E NT_ Hs11_9308 6E+06 1E E q C/G MMP3 Promoter AGGTCAAATGAGAGAATTTACAACTCTGGGTAATTTATCTTCTTGTCTTTATTTTTATCATCTATGAAATATAAATACAATGATATCAGCCCTGGTTATTTCTTCATTACCGTTGACTACTGTATTAGCCAGAACTTGTAGTAGGGAAAATTAAAGTGTTGTTCAATTTCTTATGAGAGGGTTTACTTTGGCAAGTTAAACAAATGATGATATAGTAATTACCTTTAAAAATGAAAACGAGGTCCTTGCTAGTAA U78045:1 PGA-UW-FHCRC Y 3E NT_ Hs11_9308 6E+06 1E q A/C MMP3 Promoter GAATGAATGAACTAAGGTCAAATGAGAGAATTTACAACTCTGGGTAATTTATCTTCTTGTCTTTATTTTTATCATCTATGAAATATAAATACAATGATATCAGCCCTGGTTATTTCTTCATTACCGTTGACTACTGTATTAGCCAGAACTTGTAGTAGGGAAAATTAAAGTGTTGTTCAATTTCTTATGAGAGGGTTTACTTTGGCAAGTTAAACAAATGATGATATAGTAATTACCTTTAAAAATGAAAACGAG U78045:1 YUSUKE,PGA-UW-FHCRC,KWOK,KWOK,SC_JCM Y 6E NT_ Hs11_9308 6E+06 1E keine rs 1E+08 5A/6A Promoter E+08 11q A/G MMP3Promoter TGAAAGCAGGAGAGCCTAAGGTGCTGCTGTTTTAAAGTAAGAACTTTCCCACAGTTNTCTGAAGTCCCATCCTTCCTACTNAGAGAGAAGCAGGCCTAAGGTTGGGGTGGGGGATTTCCTTAGTANAAGAAACTAATTTCCCTAATTAGGCTCCATACAAAGTCATTTNTCTTGCATCTCACCTCCAGGAAGTCCCATCCTTCCTACTAAGAGAGAAGCAGGCCTAAGGTTGGGGTGGGGGATTTCCTTAGTA U78045:1 PGA-UW-FHCRC,KWOK,KWOK,KWOK,KWOK,SC_JCM Y ## NT_ Hs11_9308 6E+06 1E

39 Eine Genotypisierungsmethode Single Base Extension ACGTAGTGGTxCAA AGTCATGCATCACCAnGTTGATAC Photocleavage and Purification ACGTAGTGGTxCAAC l ACGTAGTGGTxCAAC AGTCATGCATCACCAnGTTGATAC ACGTAGTGGT CAA C Intens. [a.u.] m /z

40 Das GENOLINK System

41 HUGO Das Humangenomprojekt Ziele: Identifikation aller Gene Sequenzierung des gesamten humanen Genoms Daten in öffentlicher Datenbank ablegen Werkzeugefür die Datenanalyse verbessern Umgang mit ELSI

42 HUGO Das Humangenomprojekt Zukunft: Feinarbeit und Interpretation 2003 Gesamtsequenz ist fertig 2001 Publikation des Working Draft in Science & Nature 2000 Bekanntgabe des 1. Working Draft 1999 Chromosom 22 und 1. Mrd Basenpaare sequenziert 1998 Celera Genomics beginnt Sequenzierung 1995 Das DHGP beginnt (Chromosomen 7, 21, X) 1990 Förmlicher Beginn des Genomprojektes für 15 Jahre 1989 ELSI Arbeitsgruppe etabliert (DOE & NIH) 1986 Ankündigung der Humangenom Initiative (DOE OHER) 1983 Erste Gedanken (LANL & LLNL)

43 Sequenzierungsstrategien

44 Ergebnisse der Sequenzierung Dezember 2000 Dezember 2001 Juni 2002 N50 length > 5mb N50 length > 1mb N50 length > 500kb N50 length > 100kb N50 length > 10kb More than 50% of bin in golden path Less than50% of bin in golden path -Clear- None of bin in goldenpath

45 ELSI - Ethische, Rechtliche und Soziale Aspekte

46 HUGO Was Kommt Danach? Anzahl der Gene, exakte Lokalisierung und Funktion Genregulation DNA Sequenz Organisation Chromosomale Strukturen und Organisation Nicht-kodierende DNA Typen, Menge, Verteilung, Informationsgehalt und Funktion Koordinierung der Genexpression, Proteinsynthese, post-translationaler Prozesse Interaktion von Proteinen in komplexen molekularen Maschinen Vergleich vorhergesagter und experimenteller Genfunktion Evolutionäre Konservierung zwischen Organismen Protein Konservation (Struktur und Funktion) Transkriptom (Gesamt-mRNA-Gehalt) in Organismen Proteom (Gesamtproteingehalt und funktion) in Organismen Korrelation von SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms) mit Krankheiten mit Krankheiten Krankheitsanfälligkeitsvorhersage basierend auf auf Gensequenz Variationen Variationen Gene in komplexen Eigenschaften und und multigenischen Krankheiten Biologie komplexer Systeme (inclusive mikrobieller Consortien für Bioremediation) Genetik und Genomik von Entwicklungsprozessen