Einblicke in das menschliche Erbgut (Genom) am Computer

Transkript

1 Einblicke in das menschliche Erbgut (Genom) am Computer Prof. Dr. Antje Krause FH Bingen / akrause@fh-bingen.de Binger Nacht der Wissenschaft

2 Das menschliche Genom ist entschlüsselt Pressemeldung im Februar 2001 Aber was heißt eigentlich entschlüsselt? Entschlüsselt? 2

3 Das menschliche Genom... ist auf 2 * 22 Chromosomen verteilt + X/X oder X/Y liegt im Zellkern ist eng zusammengefaltet wird von speziellen Proteinen zusammengehalten 3

4 Karyogramm 5

5 Das menschliche Genom... besteht aus ca. 3 Mrd Basen (in beide Richtungen lesbar, nur 4 verschiedene Buchstaben/Basen!) enthält ca Gene diese können jedoch mindestens Genprodukte erzeugen Durchschnittliche Länge eines Gens: 3000 Basen Längstes Gen: 2,4 Mio Basen (Titin im Herzmuskel) Von nur 50% der Gene ist die Funktion bekannt Über 40% der Gene findet man auch in der Fruchtfliege oder im Fadenwurm Nur ca. 2% des Genoms sind Gene, über die restlichen 98% weiß man noch sehr wenig! 6

6 Wievielen Telefonbüchern entspricht das, wenn jedes Buch 1000 Seiten hat? Bücher 1 Buch 300 Seiten 14 Seiten 7

7 Wie lang ist die DNA in unseren Zellen? Länge einer Base * Anzahl Basen pro Zelle * Anzahl Zellen 0,34 * 10-9 m * 2 * 3 * 10 9 * m km km Länge der DNA 70mal zur Sonne und wieder zurück! 8

8 Whole Genome Shotgun Sequencing Genom im Reagenzglas in kleine Schnipsel zerschneiden Schnipsel sequenzieren (Fragmente, Basen) Fragmente im Computer zu Text zusammensetzen Sequenzierautomat 9

9 Vergleichbar mit geschredderten Akten? DNA ist kein natürlichsprachlicher Text es gibt keine Satzzeichen, Leerzeichen, Absätze usw. niemand kennt den Inhalt 10

10 Fragmente im Computer zu Text zusammensetzen? 11

11 Probleme? 3 Mrd Buchstaben 3,75 Mio Fragmente zu je 800 Buchstaben 18,75 Mio Fragmente, wenn jeder Buchstabe durchschnittlich auf 5 Fragmenten vorkommen soll außerdem können wir den Text in 2 Richtungen lesen, d.h. wir kennen die Richtung eines Fragmentes nicht außerdem kommen viele Textteile mehrfach vor außerdem ist der Text auf den Fragmenten fehlerhaft 12

12 Next Generation Sequencing (NGS) Second Generation Sequencing, Pyrosequencing, Sequencing-by-Hybridization, Sequencing-by- Synthesis Liefert mehrere Terabyte an Rohdaten pro Experiment Sequenzieren ist damit kostengünstiger und schneller geworden Anbieter: Illumina / Solexa (Genome Analyzer) Roche / 454 (Genome Sequencer FLX) ABI (SOLiD) 13

13 CCTTCCCCCCATCCCAGGCAGGCTGACAGCGGTCATGTTTCTGCCTACAGCGCCTGCCTATCTCTTTTGAATGTCCTTCTCTAC ACTACTCTGTACTTATGGTGCCAGGTTTCTCTTAAGAATGTCCCCTTTGTCCTTCTTATCAGCATGTAGCCAGCAATATTGTGA CATTTTTACTGCAGAGTGAATGATGACTGGGGCATCTTAAATGGAGTTCTGGGGTGTTTCTTTCTGCATAGGTACCTCTGCAGT AGTAGTTTCCAAAATACTTTTGGTAATTTTTAACCTTAAAGTTAACCTTAAAGTTAAGCTAAGTAAAAGATTTGCATTAAATAT CTAGACCATTTATAAATAAGATACAATACTAAAACATTACTGAAGATAAATAATTCTAGTTTACATACTTTTGGCTACTTATTT TTACAGAGAAACTAAAGATATTTTAGCCCATTAATAAACATGTTTTTGTCTACCACACTGAGAAATTGTACTATGAGGAAACAC ATCCCTCTAGATGTTGGGAGATGGTATACTCATACATTTTCTAACCTACTATAGAATGCTAACATATGACAGTTTATAACTGTC TACTTCCTAGTTTTCTCTGGAAAATAAAAGATTACTAAGTATTAAAATTATAATCAATATGTGTAAATAAAACTACTGGAAATA ATAGAATAACTAGAAACAACTCTATGCAAAGCATGCAAGAAAAGTAGTGCATGTTTTGCAAGTAAAGTAGGACGTATTTTTTAT AAGGAAAACCATACAAAAGATACAAATAAAAAGAGATACCTAGCCTTCCCTGTGTTATATTTGTATGGGTAAAATGTCATGTTT TCAGAAAMANFANGWARDASWORTTCAATGTTCTCCTTATCCATGCTATGTGCCAGTATAGAGTTATGAGTCATAATTCCAATT ATTATTTTAAATGTTGTGCTGGGTGCAGTGGCTCACGTCTGTAATCCCACCACTTTGGGAGGCCTAGGCAGGTGGATCACAAGG TCAGGAGATCGAGAACATCCTGGCTGACATGGTGAAACCCCATCTCTACTAAAAATACAAAAAATTAGCCAGGCGTGGTGGTGG GCACCTGTACTCCCAGCTACTCAGGAGGCTGAGGCAGGAGAATGGCATGAACCAGGGAGGCAGAGCTTGCAGTGAGCCAAGATA GCGCCACTGCACTCCAGCATGGGCAACAGAGCGAGACTCTGTCTCTAAATAAATAAATAAATAAATAAATAAATGTTTTATCCC ACAGAAAAAATCGAATATCCTTGTCAGTTGTGGTATAATGAACTCTCATCAGATCTTTCATCACAGCCATTTCATATTCTTTAT CATTTAGATATTATTTCCCCCTGATGCTTTCCTGAAAGCTCCTGCAATCAGCTACAGGTCAGAATGTTCATCTCCATCACGGGA CTCCCTCTGAGACACACAGAAAAGAGTATGCAAGATAGTCTGGTTATAGGCTTCTGATGATATTGCTTAAATAACTTTAAGACC ATACACTTCGCTCAGTGAAGATCTCCAGAAGTCTGCTTCAGAAATTGATGGGTTCATGACACTGCTAACCCAAGATGCAACAAG ACTGGAATTGATTACATGGTACTGAATGAACTGATGAAAATTGATTATAATTTTATAGCTTTTTGGAGCATTGCTGGTTCTTTA ATGTTCTAGTTTCTGGACTTAAGAAATCTCTTTCTCTTAACCTAACTGTAACATACAATTTAGTAGATTATACTTTTGAAAACA GAAGTGAAGCATTTATCTTTTTTCCCCTGCCTGATTTTTCCAGAATTTTGAAATCCTTACTGAACACTCTTATTTTTACGATGA TATAGTTGTTAGCAAAAGTCCAATAAGAATCTGTTCACCTTGAACAGAGACCTCAGAAATAATGCCGCATATCTACAACCATCT GATCTTTGACAAACCTGACAAAAACAAGCAATGGGGAAAGGATTCCCTATTTAWERBINICHATAAATGGTGCTGGGAAAACTG GCTAGCCATATGTAGAAAGCTGAAACTGGATCCCTTCCTTACACATTATACAAAAATTAATTCAAGATGGATTAAAGACTTACA TGTTAGACCTAAAACCATAAAAACCCTAGAAGAAAACCTAGGCAATACCATTCAGGACATAGGCATGGGCAGGGACTTCATGTT TAAAACACCAAAAACAATGGCAACAAAAGCCAAAATGGACAAATGGGATCTAATTAAACTAAAGAGCTTCTGCACAGCAAAAAA AAACCTACTGTCAGAGTGAACAGGCAACCTACAAAATGGGAGAAAATTTTCACAACCTACTCATCTGACAAAGGGCTAATATCC AGAATCTACAATGAACACAAAGAAATTTACAAGAAAAAAACAAACAACCCCATCAAAAAGTGGGCGAAGGATGTGAACAGACAC TTCTCAAAAGAAGACATTTATGCAGCCAAAAGACATGTGAAGGAATGCTCATCATCATTGGCCATCAGAGAAATGCAAATCAAA 16 ATCACAATGAGACACCATCTCACACCAGTTAGAATGGCGATCATTAAAAAGTCAGGAAACAACAGGTGCTGGAGAGGATGTGGA GAAATAGGAACACTTTTACACTGTTGGTGGGACTGTAAACTAGTTCAACCATTGTAGAAGATGGTGTGGCGATTCCTCAGGGAT

14 Personalisierte Medizin Idee: Wenn das Genom jedes einzelnen Menschen bekannt ist, kann jeder Patient individuell behandelt werden Ziele: Nebenwirkungen von Medikamenten minimieren, Krankheiten gezielter und effektiver behandeln momentan noch unrentabel für Pharmakonzerne Problem: der gläserne Mensch was ist mit dem Datenschutz? 33

15 Wem gehört mein Genom? Was ist eigentlich ein Krankheitsgen? Was heißt krank? Reicht es, das entsprechende Gen zu haben? Was tue ich, wenn ich ein Krankheitsgen habe? Dürfen Gene patentiert werden? Soll mein Arbeitgeber / meine Krankenversicherung / meine Lebensversicherung Einblick in meine Gene haben? 34

16 Und nun? (Mai 2007) Firma: Ziel: Entwicklung einer Suchmaschine für persönliche genetische Daten Zugriff geplant für Individuen und zu Forschungszwecken Google hat 3,9 Mio $ investiert Foto: DNA Google Logo At Google Kirkland by Flickr 35

17 Analyse von ca SNPs für 499 $ inklusive Abstammung Genotypisierung, keine Sequenzierung! 36

18 Januar 2008: auch für Europäer und Kanadier! 37

19 Suche nach Markern von 28 Krankheitsbildern für 999 $ keine Sequenzierung! 38

20 Analyse von 1 Mio Varianten Suche nach Markern von Krankheiten für 500 $ inklusive Abstammung keine Sequenzierung! 39

21 Stand Januar 2008: komplette Sequenzierung für $ noch im Teststadium 40

22 Und nun? (Mai 2007) Firma: 454 LifeSciences Sequenzierung von James D. Watsons Genom (1962 Nobelpreis für Aufklärung der Struktur der DNA) Project Jim Kosten: 1 Mio $ Zeitaufwand: 2 Monate Genom auf DVD Veröffentlicht unter: jimwatsonsequence.cshl.edu Einzige Forderung von Dr. Watson: Alzheimer-Gen muss unkenntlich gemacht werden... und andere bekannte Krankheitsgene?... und bisher nicht bekannte Krankheitsgene? 41

23 Januar Genomes Project komplette Sequenzierung Suche nach Gemeinsamkeiten und Unterschieden 2000 Individuen aus 20 Populationen weltweit Dauer: 3 Jahre Mio $ insgesamt

24 Sequenzierung in den Schlagzeilen Mai 2008: komplettes Genom einer Frau sequenziert August 2008: mitochondriales Genom des Neandertalers sequenziert Februar 2009: komplettes Genom des Neandertalers sequenziert August 2009: komplettes Genom eines Koreaners sequenziert Februar 2010: komplette Genome von vier Buschmännern aus Südafrika sequenziert (u.a. Desmond Tutu) März 2010: komplettes Genom einer ganzen Familie sequenziert (Vater, Mutter und 2 Kinder; $ pro Genom) März 2010: neue Menschenform in Sibirien entdeckt (mitochondriales Genom sequenziert) März 2010: Patente der Firma Myriad auf Brustkrebsgene BRCA1 und BRCA2 für ungültig erklärt 44

25 ENSEMBL 46

26 aktuell 52 mehrzellige Spezies 47

27 Human Homo sapiens 48

28 Karyotype 49

29 Chromosom 21 (Chromosome summary) Known Genes = Bekannte Gene %GC = Anteil der Basen G und C Repeats = Wiederholungen (meist viralen Ursprungs) Variations = z.b. SNPs (single nucleotide polymorphisms) = individuelle Varianten verschiedener Menschen 50

30 Synteny Chromosom 21 des Menschen im Vergleich mit Chromosomen der Maus 51

31 Chromosome summary 52

32 Region in detail 53

33 54

34 hide transcripts 55

35 Human Genome Nomenclature 56

36 57

37 Was kommt als nächstes?

38 Prof. Dr. Antje Krause Bioinformatik Fachhochschule Bingen Berlinstr Bingen am Rhein Tel: 06721/