Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms Erkenntnisse und Perspektiven

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1 Die Entschlüsselung des menschlichen Genoms Erkenntnisse und Perspektiven Prof. Dr. habil. Egon Amann 31. Oktober 2012 Profilmodul: Grundlagen und Anwendungen der Genom- und Proteomforschung WS 2012/13 Egon Amann und Frank Vitzthum

2 Gliederung des Vortrags: Geschichte des HGP Humane Genomarchitektur Neue Erkenntnisse des HGP Bedeutung und gesellschaftliche Folgen Ausblick und neue Grenzen

4 Meilensteine der Molekuarbiologie (I) 1865 Gregor Mendel berichtet über Faktoren (Gene) der Vererbung Friedrich Miescher isoliert Nuklein (DNS). Um 1900 DeVries, Von Tschermak und Correns entdecken Mendel wieder; Begriff Gene wird eingeführt DNS als Träger der genetischen Information erkannt (O. Avery et al.) Insulin: Aminosäuresequenz entschlüsselt (F. Sanger) James Watson, Francis Crick publizieren die DNS Struktur Der genetische Code (die Übersetzung der DNS in Proteine) ist entschlüsselt.

5 Meilensteine der Molekuarbiologie (II) 1973 Forscher übertragen erstmals genetisch veränderte DNS von einer Lebensform in die andere Konferenz von Asilomar: Forscher fordern Moratorium für DNS-Experimente Gründung der ersten Gentechnik-Firma Genentech Chemische (Maxam & Gilbert) und enzymatische Methode (Sanger & Coulson) der DNS-Sequenzierung Erstes Patent auf genetisch veränderte Organisme.n 1983 Gentechnisch hergestelltes Insulin kommt auf den Markt.

6 Kurze Geschichte des Humanen Genomprojektes (I) 1985 Erste Überlegungen, das humane Genom zu sequenzieren (Robert Sinsheimer, UCSC) Erste Genom-Kartierungen und -Sequenzierungen (US-Department of Energy, DOE) US National Academy of Sciences empfiehlt Start des HGP über einen Zeitraum von 15 Jahren zu Kosten von $ 200 Millionen/Jahr. NIH-DOE Projekt (Jim Watson) Gründung des National Center for Human Genome Research (NCHGR) Wellcome Trust beteiligt sich am HGP NIH beteiligt sich massiv am HGP (Francis Collins) Deutsche Beteiligung am HGP. Erste vollständige Sequenzierung eines Bakterium (H. influenzae) Bermuda Statement. Erstes Genom eines Organismus mit einem Zellkern (S. cerevisiae).

7 Bermuda Statement First International Strategy Meeting on human Genome Sequencing, 1996 All human genomic information produced at large scale sequencing centers should be freely available and in the public domain, in order to encourage research and development and to maximize its benefits to society

8 Kurze Geschichte des Humanen Genomprojektes (II) 1997 NCHGR wird zum National Human Research Institute (NHRI). Die Klonierung von Dolly wird bekannt Gründung von Celera Genomics (Craig Venter). Bessere Koordinierung der G5 Laboratorien. Erstes Genom eines vielzelligen Organismus entschlüsselt (C. elegans) In den USA gibt es 1274 Biotechnikunternehmen. < 15% des HG sequenziert. Methodische Voraussetzungen gegeben (Automatisierung, Bioinformatik, etc) Gemeinsame Pressekonferenz von Bill Clinton und Tony Blair Working draft sequence in Science und Nature veröffentlicht Finished high quality sequence veröffentlicht High quality sequence individueller Chromosomen werden veröffentlicht.

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11 Wer sequenzierte das humane Genom im Rahmen des öffentlich geförderten Projektes? Beteiligte Länder: China, Frankreich, Deutschland, Großbritannien, Japan, USA (insgesamt 20 Zentren). Die fünf größten Zentren ( G5 ) The Sanger Institute in Oxford, UK. DOE s Joint Genome Institute in Walnut Creek, CA. Baylor College of Medicine in Houston, Texas (NIH funded). Washington University Scholl of Medicine in St. Louis, Missouri (NIH funded). Whitehead Institute in Cambridge, Massachusetts (NIH funded).

12 Verbesserung der DNS-Sequenzierungs- Technologie 1985: 1000 bp/day in best equipped laboratories 2000: 1000 bp/second, 24 hours/day, 7 days a week in the 20 largest sequencing centers. Improvement: 86,400 x 2005: 25 million bases, at 99% or better accuracy, in one four-hour run (Pyrosequenzierung). Improvement: 100 x 2008: Several billion bases at high accuracy / experiment (Illumina / Solexa) Improvement: 100 X

13 Custom-designed factory-style conveyor belt robots

14 Genomgröße und Anzahl der Gene bei Modellorganismen

15 Der lange Weg zur Sequenz des menschlichen Genom (I)

16 Der lange Weg zur Sequenz des menschlichen Genom (II)

17 Levels of clone and sequence coverage

18 Schrotschuss -Sequenzierung BAC = Bacterial Artificial Chromosome Contig = Physikalisch zusammengesetzte Sequenzen Assembly = Deduzierte, resultierende DNS Sequenz der Chromosomen

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20 Das Finale des Wettlaufs Science, Februar 2001 Nature, Februar 2001

21 Nature, Vol 409, 860, 15 February 2001 The human genome holds an extraordinary trove of information about human development, physiology, medicine and evolution. Here we report the results of an international collaboration to produce and make freely available a draft sequence of the human genome. We also present an initial analysis of the data, describing some of the insights that can be gleaned from the sequence.

23 Zytogenetische Chromosomenanalyse

24 Humanes X- und Y-Chromosom

25 Nukleare und mitochondriale Komponenten des humanen Genoms

26 Architektur des menschlichen Genoms T.A. Brown, 1999

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28 Es existieren verschiedene Klassen repetitiver Sequenzen

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31 Neue Erkenntnisse des HGP (I) Nur 1-2% des humanen Genoms kodiert für Protein (1.1% in Exons / 24% in Introns / 75% intergenisch) Es gibt nur ca Protein-kodierende Gene. Gene sind nicht statistisch verteilt > Gencluster (inter- und intra-chromosomal) Viele Genom-Segmente sind dupliziert (bis hin zu Chromosomengröße > komplexe Evolution) Große Zahl an SNPs ( Single nucleotide polymorphisms ).

32 Neue Erkenntnisse des HGP (II) Zwei beliebige haploide Genome unterscheiden sich in ca. 1 von 1000 bp (d.h. sie sind 99,9% identisch). Aber: Aufgrund der Unterschiede in Segment- Duplikationen beträgt die Identität nur 99.5%). Unterschiede zwischen dem Human- und dem Schimpansengenom beträgt nur 1.2%! Expansion im Humangenom von Genen für: Neuronale Entwicklung Gewebe-spezifische Differenzierung Hämostase Immunsystem

33 SNP: Single nucleotide polymorphism

34 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) (I) What is SNP? Single base variation in DNA sequence that has a frequency >= 1% in a population. Single base difference in DNA sequence between individuals in a population. The most common type of genetic variation, consisting of a change at a single base in a DNA molecule.

35 Single Nucleotide Polymorphism (SNP) (II) What is a SNP map? A collection of SNPs that can be superimposed over the existing genome map, creating greater details and facilitating further genetic studies. Why a SNP map? The map is expected to be used to identify specific genes involved in both common and rare diseases, to develop novel diagnostic tests, and to create new personalized medicines, based on understanding of minute genetic variations that predict response to therapy.

36 Genetische Variationen des Menschen Häufigkeiten der SNPs: sehr selten (< 0.05 %) selten ( %) häufig (> 5.0 %)

37 Functional consequences of SNPs (I) Most SNPs are located in non-coding regions of the genome: > No direct known impact on the phenotype of an individual. > Useful as markers in population genetics and evolutionary studies. SNPs in coding regions that alter the function/structure of the encoded proteins: > Cause of most of the known monogenic disorders - Routinely analyzed for diagnostic purposes. > May be involved in the pathogenesis of a complex trait of interest. - Prioritized for inclusion in association studies.

38 Functional consequences of SNPs (II) SNPs in coding regions that do not change the amino acid sequence in a protein (synonymous SNPs: > May alter splicing SNPs in promoter/regulatory regions: > Do not affect amino acid sequence of a protein, but can affect the level, location, or timing of gene expression.

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40 SNPs und Haplotypes: Wichtige Hilfsmittel bei der Erkennung von Erkrankungsrisiken und bei genetischen Populationsstudien

41 Einige nützliche Definitionen (I) Association: A statistically significant relationship either between an allele or two alleles at different loci. Genotype: (1) The genetic constitution of an organism. (2) The combination of alleles of a gene pair. Genotyping: The determination of the alleles of a chromosome of an individual. Also called DNA typing, haplotyping. Genetic map: A map of the relative locations of sites (loci) on a chromosome, based on recombination frequencies. The distance between sites is measured in centimorgans (centimorgens, cm). Also called linkage map, meiotic map.

42 Einige nützliche Definitionen (II) Genetic linkage: The association of two or more gene loci on the same chromosome. Also called linkage. Haplotype: Haploid: The alleles of the loci of a chromosome. Derived by combining haplo from haploid and type from genotype. The total complement of chromosome in an egg or sperm. The human haploid chromosome number is 23. Also called N. Haploinsufficiency: Lowered production of a protein as a result of a mutated gene causes an abnormal phenotype.

43 Einige nützliche Definitionen (III) Linkage disequilibrium: The nonrandom association of alleles on a chromosome. Single nucleotide polymorphism: A single nucleotide position in the genome sequence for which two or more alternative alleles are present at appreciable frequency (traditionally, at least 1 %) in the human population.

44 Stark vereinfachte Darstellung chromosomaler Rekombination. A soll eine genetische Variante darstellen, die zu einem erhöhten Erkrankungsrisiko führt.

45 Haplotyp: Haploid + Genotyp

47 Genomics and the World s Economy Genomics now allow us to study, design, and build biologically important molecules. As new discoveries in this area are applied, companies and industries are being restructured in a way that will change the world s economy. Thus this new science of genomics is forcing some of the world s largest companies to reinvent themselves as borders between pharmaceutical, biotech, agriculture, food, chemical, cosmetics, environmental, energy, and computer industries blur and erode Juan Enriquez Science, 21, 98 (1998)

48 Genomics and the World s Economy The flow of genomics information is so massive that it threatens to overwhelm existing R&D budgets, labs, and knowledge bases. It is driving mega mergers, as companies seek to lock patents and licensing agreements. The U.S. Patent and Trademark Office (PTO) received 4,000 patent requests for nucleic acid sequences in 1991 and 500,000 in 1996 Juan Enriquez Science, 21, 98 (1998)

49 Die Kenntnis des menschlichen Genoms hat Einfluss auf zahlreiche Gebiete der Forschung und der Medizin Humangenetik Diagnostik Entwicklung neuer / verbesserter Medikamente Verständnis genetischer Prädisposition Pharmakogenetik / - genomik Patientenstratifizierung Populationsgenetik Vergleichende Genomforschung Evolution / Menschwerdung

50 Die Kenntnis des menschlichen Genoms hat Einfluss auf zahlreiche Gebiete der Forschung und der Medizin Ernährungsforschung Gentherapien Stammzellforschung Organ- / Gewebezüchtung Neonatales screening Onkologie / Tumor screening und Verlaufskontrollen Problematik: Notwendigkeit der gesetzlichen Regelung des Schutzes der genetischen Privatsphäre.

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52 Identifizierung neuer pharmokologischer Zielmoleküle bekannte Erkrankungen ca häufige Erkrankungen 5 10 Gene, die zum Phänotyp multifaktorieller Erkrankungen beitragen wichtige krankheitsassozierte Gene Annahme 1: Jedes der 5 10 Genprodukte interagiert mit 3 10 weiteren Proteinen der Signalkette Annahme 2: Auch interagierende Proteine sind gute pharmakologische Zielmoleküle ca neue Zielmoleküle

53 Genomics: Enabling new Diagnostics & Therapies Targeted Therapy after disease onset Gene Therapy Preventive Measures (e.g. diet) to delay onset Small Molecules Patient Stratification New Molecular Diagnostics Recombinant Proteins Genomics Disease Related Genes Understanding Disease Related Gene Variations Target Selection, Lead Generation, Optimization Innovative Therapies

55 ENCODE (Encyclopedia of DNA Elements) Aims to delineate all functional elements encoded in the human genome. Functional element is a discrete genome segment that encodes a defined product (e.g., protein or ncrna) or displays a reproducible biochemical signature (e.g., protein binding, or a specific chromatin structure). 2007: Pilot phase that analyzed 1% the human genome. 2012: Results of 1,640 data sets derived from 147 different cell types published. Entire human genome covered. Data from other resources (e.g. GWAS, evolutionarily constrained regions) included. Nature 489, 57 (2012)

56 ENCODE Functional elements: RNA transcribed regions Protein-coding regions Transcription-factor binding sites Chromatin structure / Chromatin accessibility / DNase I hypersensitive sites DNA methylation sites > 80.4% of the human genome participates in at least one biochemical RNA- and/or chromatin-associated event in at least one cell type. Nature 489, 57 (2012)

57 Results (I): ENCODE 20,687 protein-coding genes (GENCODE annotation v7) with, on average 6.3 alternatively spliced transcripts (3.9 different protein-coding transcripts) per locus. GENCODE-annotated exons of protein-coding genes cover 2.94% of the genome or 1.22% for protein-coding exons. Protein-coding genes span 33.45% from the outermost start to stop codons, or 39.54% from promoter to poly(a) site. 8,801 small RNAs and 9,640 long non-coding RNAs loci were identified. 11,224 pseudogenes, of which 863 were transcribed and associated with active chromatin were annotated. Nature 489, 57 (2012)

58 ENCODE Results (II): 62% of genomic bases are represented in sequences of long (> 200 nucleotides) RNA molecules or GENCODE exons. Of these bases, only 5.5% are explained by GENCODE exons. 62,403 transcription start sites identified, of which 27,362 (44%) are within 100 bp of the 5 end of a GENCODE-annotated transcript or previously described full-length mrna. The remaining regions predominantly lie across exons and 3 untranslated regions, and some exhibit cell-typerestricted expression; these may represent the start sites of novel, celltype-type specific transcripts. A significant portion of coding and non-coding transcripts are processed into RNAs shorter than 200 nucleotides (e.g., trna, mirna, snrna, snorna). Binding sites of 119 different DNA-binding proteins mapped in 72 cell types: 636,336 regions identified (231 megabases = 8.1%). Nature 489, 57 (2012)

59 Zukünftige Entwicklung der (humanen) Genomforschung Human Genome Diversity Project (Genetische Variationen von Populationen) Transkriptom (Erbgutabschriften) Proteom (Eiweiße) Metabolom (die zugehörigen Abbauprodukte) Metagenom (Genome der den menschlichen Körper besiedelnde Bakterien)* * Mehr als 9/10 der Erbinformationen, die einen Menschen krank machen können, finden sich außerhalb seiner Körperzellen, in den Milliarden Bakterien, die ihn besiedeln.

60 Gentechnik für alle : Genomvisionen Francis Collins / Detlev Ganten 2010: - Umfangreiche Möglichkeiten der Gendiagnose von Krankheiten - Erste erfolgreiche Gentherapien 2020: - Keimbahnmanipulationen am Menschen - vollständige Computermodelle menschlicher Zellen 2030: - DNS Sequenzierung so billig, dass das Genom jedes Menschen sequenzierbar ist - gezielte Eingriffe zur systematischen Lebensverlängerung 2040: - Genombasiertes Gesundheitswesen - Individualisierte Prävention