1 Геномика как наука. Цели, задачи геномики. История развития. Роль геномики в развитии медицины, фундаментальной биологии. Персональная медицина.

Геномика – наука, изучающая организацию, функции и эволюцию геномов.

Основная цель:

Понять, как функционирует живой организм

Задачи

Идентифицировать гены в данной последовательности ДНК

Идентифицировать Регуляторные участки

Предсказать функцию

Три основных направления:

Структурная геномика: генетическое, физическое картирование, секвенирование геномов.

Функциональная геномика: функции генов и некодирующих последовательностей в геномах.

Сравнительная геномика: сравнение геномов различных организмов. Эволюционная задача.

Хронология развития геномики

1975 – Ф. Сенгер и независимо А. Максам и У. Гилберт разработали методы секвенирования ДНК.

1977 – Секвенирован бактериофаг фX-174: первый полный геном.

1981 – Секвенирована митохондриальная ДНК человека: 16569 п.о.

1990 – Запущен международный проект по геному человека с намеченным сроком 15 лет.

1995 – TIGR получили первую последовательность генома бактерии, Haemophilus influenzae.

1996 – Полностью определена последовательность генома дрожжей, первого генома эукариот.

1999 – Опубликована первая полная последовательность одной из хромосом человека.

26 июня 2000 – Совместное заявление о полной расшифровке генома человека (на самом деле определено 98% генома).

Геномика - биологии

Выявление структуры вариабельности генома - карта гаплотипов

Секвенирование геномов многих видов

Развитие технологий секвенировния, генотипирования, анализа экспрессии, протеомики

Вывление всех функциональных элементов в геноме человека (генов, регуляторных участков)

Выявление всех белков в клетке и их взаимодействий (Протеом)

Разработка моделей клетки и взаимодействия клеточных компонентов (Целлом)

Выявление всех метаболитов и моделирование метаболических процессов (Метаболом)

Развитие математических и компьютерных методов анализа генома и реализации генетической информации (Биоинформатика)

Геномика - здравоохранению

Выявление генетических и внешних факторов всех распространенных болезней

Разработка подходов к ранней диагностике и профилактике болезней

Разработка подходов к генотерапии наследственных болезней

Разработка лекарственных препаратов «направленного действия» и генотип-специфических препаратов (Фармакогеномика)

Разработка «молекулярной» классификации болезней человека

Здравоохранение и персонализированная медицина

Диагностика, предсказание и предотвращение

Разработка и применение лекарственных препаратов (фармакогеномика)

Примеры индивидуальных ДНК-тестов

Тесты на носительство

Тесты, оценивающие риски заболевания

Тесты, оценивающие ответ организма на те или иные лекарственные препараты

2 Методы секвенирования геномных последовательностей. Секвенаторы нового поколения

Два подхода к секвенированию геномов

Классический подход («клон за клоном» или BAC to BAC)

Шотган всего генома

Методы

Секвенирование по Сэнгеру

Автоматическое секвенирование

Пиросеквенирование

В методе Solexa используются 3'- модифицированные нуклеотиды с присоединенными флюоресцентными метками разных цветов. Модификация нуклеотидов не позволяет ДНК-полимеразе присоединить больше одного нуклеотида. Флюоресценция инициируется коротким импульсом лазера и тип присоединенного нуклеотида определяется по цвету флюоресцентной метки. Модификация нуклеотида блокируется (полимераза теперь может двигаться дальше) и цикл повторяется снова

Ионное полупроводниковое секвенирование (Ion Semiconductor Sequencing) является методом секвенирования ДНК основанным на обнаружении ионов водорода, которые выделяются во время полимеризации ДНК. Эта технология также называется рН-индуцированным секвенированием

Нанопоровое секвенирование Метод основан на измерении тока ионов через единичную нанопору в непроводящей мембране. При прохождении через эту пору нуклеотидов ток падает. Время, на которое изменяется ток ионов, и величина этого падения зависят от того, какой нуклеотид в данный момент находится внутри поры.

3 Базы данных нуклеотидных последовательностей. Разновидности и примеры

Изначально

Databank (in UK)

Database (in the USA)

Первый “банк данных” 1965 -1978

Атлас белковых последовательностей и их структур

База данных:

Коллекция данных структурированная снабженная поиском (индексированная) периодически обновляемая снабженная перекрестными ссылками (гиперлинки)

Обычно включает сопутствующие инструменты (программное обеспечение), необходимые для доступа, обновления, введения, удаления и анализа информации

Биологические базы данных

Различные типы биологической информации объединяют в базы данных

Последовательностей

Структурные

Экспериментальных данных

Научная литература

Все базы данных связаны между собой

Базы данных последовательностей:

генные

геномные

мутаций, вызывающих заболевания

………….

Базы данных

Архивные (примеры: PDB, GenBank) за содержание каждой записи отвечает её автор-экспериментатор

Курируемые за содержание записей отвечают специальные люди — кураторы

(примеры: SwissProt)

Автоматические записи генерируются компьютерными программами

(примеры: UniGene)

Базы данных ДНК (нуклеотидных последовательностей

GenBank (NCBI)

TIGR

Yeast

E. coli

Проблемы

Биологические базы данных росли последние 20 лет:

Избыточность: множественные записи.

Неверные последовательности и записи.

Открытость (данные добавляются пользователями):

Изменения вносятся владельцами записей.

Старые последовательности.

Неверные последовательности.

Неполные аннотации.

4 Общаяя характеристика эукариотических геномов. Парадокс величины с.

Организация генома эукариот. По химической организации материала наследсвенности и изменчивости экариоты и прокариоты принципиально не отличаются друг от друга. Генетический материал у них представлен ДНК. Общим для них является и принцип записи генетической информации, а также генетический код. Одни и те же аминокилосты шифруются у про- и эукариот одинаковыми кодонами. Принципиально одинаковым образом у названных типов клеток осуществляется и использование наследсвенной информации, хранящейся в ДНК. Сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность молекулы мРНК, а затем транслируется в ак последовательность пептида на рибосомах с участием тРНК. Особенности: -гены преривистые( информативные участки-экзоны и неинформативные участки-интроны);-экспрессию генов обеспечивает три вида рнк-полимераза 1,2,3.-регуляторные участки обычно расположены левее сайта инициации. Два вида:-промоторный( для связи с рнк-полимеразой 100 н.п левее сайта инициации могут быть за сотни и даже тысячи н.п левее сайта инициации);-энхансеры(от 100 до 20 000 н.п левее стимулир. Транскр-цию при связ). –прицип построения генома эукариот три уровня:-генный, хромосомный, геномный. – регуляция экспрессии генов происходит на всех этапах экспрессии генов. Механизмы регуляции многообразны и невероятно сложны