Progetto Genoma Umano

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1 Progetto Genoma Umano Perché il Progetto Genoma? La determinazione e la conoscenza dell intera sequenza genomica sembrano essere la condizione necessaria per comprendere la completa biologia di un determinato organismo

2 Timeline of large-scale genomic analyses

3 LE TAPPE DEL PROGETTO GENOMA 1953 James Watson e Francis Crick determinano la struttura del DNA (La doppia elica) 1977 Gli scienziati americani Allan Maxam and Walter Gilbert e l'inglese Frederick Sanger mettono a punto 2 diversi metodi per sequenziare il DNA, cioè per "leggere" la successione di basi nucleotidiche che lo compongono. Il metodo di Sanger, oggi automatizzato, è quello tuttora utilizzato Lo scienziato americano Kary Mullis inventa la PCR, una tecnica che permette di moltiplicare artificialmente il DNA, anche se presente in quantità minima Il premio Nobel Renato Dulbecco e Leroy Hood lanciano l'idea di sequenziare l'intero genoma Umano Negli Stati Uniti nasce ufficialmente lo Human Genome Project (HGP), sotto la guida di James Watson. Negli anni successivi Regno Unito, Giappone, Francia, Germania, Cina si uniscono al progetto formando un consorzio pubblico internazionale. In Italia il progetto genoma nasce nel 1987 ma si interrompe nel Craig Venter lascia l'nih e il progetto pubblico. Fonderà una compagnia privata, la Celera Genomics, portando avanti un progetto genoma parallelo Francis Collins e John Sulston diventano direttori rispettivamente del National Human Genome Research Center negli USA e del Sanger Center in Inghilterra, i 2 principali centri coinvolti nel HGP.

4 1999 (Dicembre) Pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma (Maggio) pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma (Giugno) Francis Collins e Craig Venter annunciano congiuntamente di aver completato la "bozza" del genoma Umano La bozza completa del genoma umano (che gli inglesi chiamano working draft) è pubblicata su Nature (quella del consorzio pubblico) e su Science (quella della Celera) (Luglio) Viene pubblicata su NCBI la prima versione del hg (NCBI34/hg16) Celera Genomics (Applera, Applied Biosystems) Istituzioni pubbliche in: USA, UK, China Francia Germania Italia

5 Whitehead Institute Center for Genome Research, Cambridge, MA

6 Public approach

7

8 Livelli di copertura di cloni e sequenze

9 Whole genome shotgun sequencing Private approach

10 La grandezza totale del genoma umano aploide è di basi di cui sono di eucromatina

11

12 UCSC Genome Browser Screenshot from University of California at Santa Cruz genome.ucsc.edu

13 Screen shot from the EnsEMBL project of European Bioinformatic Institute and Sanger Centre

14 Human Genome G e n e s ( e x o n s ) % C N C s 1-3 % Conserved Non Coding Regions % ~3,080,000,000 bp; ~25,000 genes sea3093

15 1 245,203, ,712, ,315, ,043, ,411, ,607, ,610, ,580, ,967, ,524, ,740, ,880, ,431, ,546, ,908, ,694, ,505, ,187, ,480, ,710, ,978, ,709, ,464, ,328, ,151,656 95,511, ,311,216 87,191, ,114,055 81,117, ,995,999 79,890, ,691,216 77,480, ,753,510 74,534, ,790,860 55,780, ,644,868 59,424, ,976,537 33,924, ,476,972 34,352,051 X 152,634, ,686,664 Y 50,961,097 22,761,097

16 Comparison of genetic and physical distance

17 Distribuzione del contenuto di GC (media 41%) Le isocore sono regioni abbastanza omogenee con percentuale crescente di contenuto di GC (L1, L2, H1, H2, H3) Nel 98% dei casi, i cloni che mappano sulle bande G (Giemsa) più scure hanno un basso contenuto di GC (37%) 80% dei cloni che mappano sulle bande G più chiare hanno un alto contenuto di GC

18 Istogramma del contenuto di GC (media su 20-kb)

19 Cromosomi umani con i colori dei corrispondenti cromosomi di topo Blocchi di sintenia: regioni del genoma dove l'ordine dei geni viene conservato, come risultato della discendenza da un antenato comune

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21 Dimensione dei geni Gli esoni interni hanno una dimensione media di 145 bp rispetto alle 218bp del verme C. Elegans Il gene della distrofina è il più lungo ( bp) Il gene titin ha la più lunga sequenza codificante (80.780), il più grande numero di esoni (324), il più lungo esone singolo (17.106bp)

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23 SNPs single nucleotide polymorphisms Variazioni puntiformi della sequenza tra due copie del genoma Per un SNP un individuo può essere Omozigote T/T o C/C Eterozigote T/C

24 Come hanno origine gli SNP? In prima istanza da mutazioni Come si mantengono? Mediante deriva genetica nel caso di alleli neutrali Con la selezione positiva o selezione bilanciante in caso di alleli che determinano un vantaggio del fenotipo. La distribuzione di SNP nei genomi è molto variabile da genoma a genoma, da cromosoma a cromosoma, e anche all interno dei cromosomi Nell uomo in media c è uno SNP ogni 1000 bp In Drosophila e mais c è uno SNP ogni bp Nell uomo c è uno SNP ogni 100 bp nella regione dell HLA e altre regioni dove per molte kb non si incontrano SNP

25 ACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAG CTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCG ACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAG CTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACA CACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTC 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CCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGAACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGA CCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCG ATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACA GCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACG TGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTC 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CACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGC ACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCT CGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATAT ATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTC GAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCG 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GACGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGAT ATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCT GACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTG ACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGACGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGA TATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATTATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGTA 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26 The Human Gene Mutation Database (HGMD) Gross deletions Complex rearrang/s Gross Ins & Dupl Repeat variations Small Ins/Del Small Insertions Small Deletions Single base pair substitutions Regulatory Splicing Nonsense Missense mutations in 2478 genes sea3112

27 Mutazioni dei codoni umani (mutazioni independenti nei geni F8, F9, L1CAM, OTC, BTK) 400 Numbers normalised to 1, Phe F Leu L Ile I Met M Val V Ser S Pro P Thr T Ala A Tyr Y His H Gln Q Asn N Lys K Asp D Glu E Cys C Trp W Arg R Gly G 5082 Codons in 5 chrx genes 2446 Mutations in 5 chrx genes

28 Mutazioni nonsenso 15% 16% UAA UAG UGA 69% Su 731 mutazioni independenti SEA 3063 in 9 patologie del cromosoma X

29 SNPs nel genoma umano DB SNP built 128 (23 Oct 2007) Totale Totale codificanti Codificanti sinonimi Codificanti nonsinonimi

30 Sequenze ripetute Sono almeno il 50% del genoma ripetizioni derivate da trasposoni pseudogeni processati ripetizioni semplici di k-mers (A; CA; CGG) n duplicazioni segmentali blocchi di sequenze ripetuti in tandem

31 Long interspersed elements (LINEs) Short interspersed elements (SINEs) LTR retrotrasposons DNA trasposons

32

33 rosso = elementi ripetuti, blu = esoni

34 Copy Number Variation: CNV It is a widespread and common phenomenon among humans and was first uncovered following the completion of the HPG. Alteration in DNA Copy Number: amplification and deletion. Abnormal quantity of appearance of a genomic region in the genome: single gene - whole chromosome Some variations among normal individuals Can cause defects in human development Contributors to cancer Can effect function and gene expression

35 CNVRs contain different classes of functional elements. many CNVs preferentially lie outside genes. genes that are involved in cell-adhesion functions, sensory perception of smell and response to chemical stimuli are enriched within CNVs. Conversely, cell signalling and proliferation, as well as kinase-and phosphorylationrelated categories were underrepresented among CNVs. Interestingly, ultraconserved elements are strongly excluded from these regions.

36 ACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATA CTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCT ACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGC CTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCG CACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAG GCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCTCCTCTCGAGACGTAGGGCTCTCGATATAGCTCGCGACACACACAGATATATAGCGCTCCCTGAAACAGCTCCGACACAGCTCGCACACCGCTCGAGACCTGACCTGACACGTGCTAGCTAGCT 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