Comperative Genomics

סמינריון גישות מחקר בביוסמינריון גישות מחקר בביולוגיה חישובית 2005לוגיה חישובית 2005

11

ComperatiComperative ve

GenomicsGenomics

סמינריון גישות מחקר בביולוגיה חישובית סמינריון גישות מחקר בביולוגיה חישובית 20052005..

מאת:מאת:סוניה ליברמןסוניה ליברמן

ניר לונדוןניר לונדון


22

מה נראה היום ?מה נראה היום ?

גנומיקה השוואתית מהיגנומיקה השוואתית מהיהשמר כאורגניזם מודלהשמר כאורגניזם מודל מחקר מחקרIIשמירות ואבולוציה ברצפים מקודדים – שמירות ואבולוציה ברצפים מקודדים – מחקר מחקרIIII שמירות ואבולוציה של אלמנטי – שמירות ואבולוציה של אלמנטי –

בקרהבקרהסיכום ומסקנותסיכום ומסקנות


33

גנומיקה השוואתיתגנומיקה השוואתית

.אנאליזה והשוואה של גנומים במינים שונים.אנאליזה והשוואה של גנומים במינים שונים.הכוח של גנומיקה השוואתית.הכוח של גנומיקה השוואתית :דרושים: דרושים

זנים בעלי קרבה אבולציונית מספקת- זנים בעלי קרבה אבולציונית מספקת -.גנומים מרוצפים של זנים אלה.- גנומים מרוצפים של זנים אלה -

.הגנום האאוקריוטי הראשון.הגנום האאוקריוטי הראשון:למה צריך יותר למה צריך יותר שאלה:שאלה

משני גנומים בכלל ? משני גנומים בכלל ?


44

התפתחות יכולת הריצוףהתפתחות יכולת הריצוף

מקטעים קצריםמקטעים קצריםפרוייקט הגנום האנושיפרוייקט הגנום האנושי טכניקת טכניקתShotGunShotGunריצוף גנום שלם של שמר תוך מספר ימיםריצוף גנום שלם של שמר תוך מספר ימים


55

ShotGun sequencingShotGun sequencing


66

האתגר האתגר של גנום של גנוםde novode novoניסיון לבצע אנוטציה ניסיון לבצע אנוטציה

ניסיון ראשון ניסיון ראשון '('(genolevuresgenolevures 00 00)צרפת - מעבדות )צרפת - מעבדות

1414 20-40%20-40% מיני שמרים. ספריות המכסות מיני שמרים. ספריות המכסות מכלל הגנום.מכלל הגנום.

הנחה: גנים פונקציונאליים שמורים במינים הנחה: גנים פונקציונאליים שמורים במיניםקרובים אבולוציוניתקרובים אבולוציונית

גנים. גנים.742742גנומיקה השוואתית, ביטול גנומיקה השוואתית, ביטול


77

שאלהשאלה

מדוע אמינות מדוע אמינותהתוצאות מוטלת התוצאות מוטלת

בספק ?בספק ?


88

Sequencing and comparison of Sequencing and comparison of yeast species to identify genes yeast species to identify genes

and regulatory elementsand regulatory elements)*()*(

:חוקר ראשי: חוקר ראשיMannollis KellisMannollis Kellis :ראש מעבדה: ראש מעבדהEric s. LanderEric s. Lander

)*( Kellis M, et al. )2003( Sequencing and comparison of yeast species to identify genes and regulatory elements. Nature 423: 241–254


99

Kellis to the rescueKellis to the rescue

.רוצפו שלושה גנומים של שמרים במלואם.רוצפו שלושה גנומים של שמרים במלואם:מטרות המחקר:מטרות המחקר

העמקת הבנת הגנום של העמקת הבנת הגנום שלS. cerevisiaeS. cerevisiae קביעת אסטרטגיה בבחירת גנומים הקרובים לאדם קביעת אסטרטגיה בבחירת גנומים הקרובים לאדם

לקידום הבנת הגנום האנושי.לקידום הבנת הגנום האנושי.


1010

Fungal phylogenyFungal phylogeny


1111

Genome alignment Genome alignment algorithmalgorithm

מציאת כל הגנים האורתולוגיים ע"י הרצת מציאת כל הגנים האורתולוגיים ע"י הרצתBlastBlastיצירת גרף דו"צ מכווןיצירת גרף דו"צ מכוון

הורדת צלעות הורדת צלעות

לפי דמיון רצפי. לפי דמיון רצפי. בניית בלוקים בניית בלוקים

syntenysynteny על פי על פי BUSBUS

A

B

C

D

E

1

2

3

4

5


1212

מסקנות מיישור הגנומיםמסקנות מיישור הגנומים

1:11:1לרוב התאמה של לרוב התאמה שלטלומרים – מגרש המשחקים של הגנוםטלומרים – מגרש המשחקים של הגנוםשימור ניכר של סדר הגניםשימור ניכר של סדר הגניםשוני כולל מספקשוני כולל מספק


1313

התוצאותהתוצאות

Figure 2Figure 2


1414

1414כרומוזום כרומוזום


1515

מדד להתפתחות אבולוציוניתמדד להתפתחות אבולוציונית

הערכת קצב השינוי הערכת קצב השינויהאבולוציוני.האבולוציוני.

גנים גניםVsVs...אינטרגניים. אינטרגניים

Figure 3Figure 3


1616

זיהוי גניםזיהוי גנים ביצענו ביצענוalignmentalignmentשל הגנומים של הגנומים -נרצה לזהות גנים פונקציונלים ב-נרצה לזהות גנים פונקציונלים בS.CerevisiaeS.Cerevisiae :בעיה: בעיהORFsORFs.אקראיים. אקראיים .פתרון: התבוננות ברצף האורתולוגי בזן אחר.פתרון: התבוננות ברצף האורתולוגי בזן אחר


1717

לכל לכלORFORF.נערכת הצבעה. נערכת הצבעה - אזורים לא מקודדים. אזורים לא מקודדים. 340340בקרה שלילית - בקרה שלילית 96%96% .נדחו. נדחו מהדחויים הם אכן ¾ מהדחויים הם אכן ¾ORFORF)!(אמיתיים )!(אמיתיים .מסקנה: השיטה מדויקת ביותר.מסקנה: השיטה מדויקת ביותר

מבחן שימור מסגרת הקריאה מבחן שימור מסגרת הקריאה ((RFCRFC))


1818

מבחן שימור מסגרת הקריאה מבחן שימור מסגרת הקריאה ((RFCRFC))

כבעל או חסר כבעל או חסר S. CerevisiaeS. Cerevisiae ב- ב- ORFORFסווג כל סווג כל משמעות ביולוגית משמעות ביולוגית

Figure 4Figure 4


1919

מסקנותמסקנות

גנים גנים 503503בוטלו בוטלו גנים חדשים גנים חדשים4343נמצאו נמצאו - 5,7265,726קטלוג הגנים המעודכן - קטלוג הגנים המעודכן ORFORF מקודדים מקודדים ריצוף זני שמרים נוספים ישיג דיוק גבוה אף ריצוף זני שמרים נוספים ישיג דיוק גבוה אף

יותריותר


2020

הגדרה מחדש של מבנה הגןהגדרה מחדש של מבנה הגן

210210 ORFORF .התחילו במיקום שונה. התחילו במיקום שונה .מיקום שמור ביותר לתחילת התרגום.מיקום שמור ביותר לתחילת התרגום330330 ORFORF .הסתיימו במקום שונה. הסתיימו במקום שונה קודוני סיום נוטים לשוני אבולוציוני גדול קודוני סיום נוטים לשוני אבולוציוני גדול

יותר. יותר.


2121

Figure 5Figure 5


2222

שאלהשאלה

לא לא S.CerevisiaeS.Cerevisiae גנים של גנים של 1818עבור עבור נמצאו אורתולוגיםנמצאו אורתולוגים

כיצד ניתן להסביר זאת?כיצד ניתן להסביר זאת?


2323

אבולוציה של גניםאבולוציה של גנים

גנים גניםspecies specificspecies specific פערים בריצוף הגנום של הזנים האחרים פערים בריצוף הגנום של הזנים האחרים 3535הסבר זה אינו עובד בכיוון השני – נמצאו הסבר זה אינו עובד בכיוון השני – נמצאו

.S. Sגנים בזנים אחרים שאינם מופיעים ב-גנים בזנים אחרים שאינם מופיעים ב-CerevisiaeCerevisiae..


2424

זיהוי של אזורי בקרה בכלל הגנוםזיהוי של אזורי בקרה בכלל הגנום

בעיה: זיהוי אזורי בקרה - קצרים יותר, שמורים בעיה: זיהוי אזורי בקרה - קצרים יותר, שמוריםפחות.פחות.

:שיטות קודמות:שיטות קודמותמוטציות נקודתיות בפרומוטורים – מייגע וארוךמוטציות נקודתיות בפרומוטורים – מייגע וארוךאנאליזה של גנומים יחידים – לא חזק מספיקאנאליזה של גנומים יחידים – לא חזק מספיק

דרושה שיטה לזיהוי דרושה שיטה לזיהויde novode novo של אלמנטי של אלמנטי בקרהבקרה


2525

מה השגנו ?מה השגנו ?

זנים בלבד )או – מה זנים בלבד )או – מה 44מה השגנו באמצעות מה השגנו באמצעות כוחה של הגנומיקה ההשוואתית(:כוחה של הגנומיקה ההשוואתית(:

זיהוי גנים חדשיםזיהוי גנים חדשיםהגדרה מדוייקת יותר של מבנה הגניםהגדרה מדוייקת יותר של מבנה הגניםזיהוי אלמנטים של בקרהזיהוי אלמנטים של בקרההבהרה של התפתחויות אבולוציוניותהבהרה של התפתחויות אבולוציוניות


2626

הפסקההפסקה


2727

בעיה!בעיה! ? מאין כל המגוון הזה ? מאין כל המגוון הזה ! דרוש מכניזם נוסף ! דרוש מכניזם נוסף? מישהו יודע ? מישהו ניסה ?מישהו יודע ? מישהו ניסה


2828

Conservation and Evolution of Conservation and Evolution of Cis-Regulatory Systems in Cis-Regulatory Systems in

Ascomycetes FungiAscomycetes Fungi)*()*(

:חוקרת ראשית: חוקרת ראשיתDr. Audrey GaschDr. Audrey Gasch :ראש מעבדה: ראש מעבדהProf. Michel EisenProf. Michel Eisen

)*( Gasch AP et al. )2004( Conservation and evolution of Cis-Regulatory systems in Ascomycete fungi. PloS Biol. 2:e-398


2929

מוטיבציה מוטיבציה חקר אבולוציית מערכות הבקרה בשמריםחקר אבולוציית מערכות הבקרה בשמרים התמקדות ברצפים התמקדות ברצפיםciscisרגולטורים-רגולטורים-


3030

אלמנטי בקרהאלמנטי בקרה

Cis-regulation elementsCis-regulation elements במינים קרובים - אבולוציית רצפי הבקרה במינים קרובים - אבולוציית רצפי הבקרה

איטית יותר איטית יותר :הקושי באנליזת רצפי בקרה:הקושי באנליזת רצפי בקרה

הרצפים קצרים וואריאבילייםהרצפים קצרים וואריאבילייםבמינים מרוחקים: קושי ב במינים מרוחקים: קושי ב alignmentalignment של אזורים של אזורים

אינטרגנייאינטרגניינשתמש בטכניקה של השוואת אורתולוגיםנשתמש בטכניקה של השוואת אורתולוגים


3131

צורת עבודה – קווים כללייםצורת עבודה – קווים כלליים

מציאת גנים המתבטאים במשותףמציאת גנים המתבטאים במשותףהנחה: ביטוי משותף -< קו-רגולציההנחה: ביטוי משותף -< קו-רגולציהמציאת קבוצות אורתולוגיותמציאת קבוצות אורתולוגיותחיפוש אלמנטי בקרה משותפיםחיפוש אלמנטי בקרה משותפים


3232

פרופ' שימחן היקר...פרופ' שימחן היקר...

פרופ' שימחן היקר,

.Sהנחה: קבוצות הגנים שעוברים קו-רגולציה ב-•Cerevisiae.עוברים קו-רגולציה גם במינים האחרים ,

האם הנחה זו נכונה ?•

תודה מראש,

סוניה וניר.סוניה וניר היקרים,

לדעתי הנחה זו צריכה להיבדק באופן ניסויי.•

-60 נמצא דמיון של רק .Kellis et alאפילו לפי המאמר של • ברצפים אינטרגניים.80%

.Sההנחה הולכת ונחלשת עבור זנים רחוקים יותר כמו •Pombe

ברכותיי, גיורא


3333

המשך המחקרהמשך המחקר

264264קבוצות גנים קו-רגולטיביים קבוצות גנים קו-רגולטיביים רצפים ידועים רצפים ידועים8080בדיקת רמת העשרה של בדיקת רמת העשרה של 4141רצפים ספציפיים לקבוצה רצפים ספציפיים לקבוצה בקרת איכות בקרת איכות


3434

רצפים משותפיםרצפים משותפים

597597אלמנטים משותפים אלמנטים משותפים 4242אלמנטים הראו העשרה אלמנטים הראו העשרה 44מתוכם – אלמנטים חדשים מתוכם – אלמנטים חדשים


3535

המינים האחרים המינים האחרים1313ב-ב-

נבדקה העשרה בכל מין בנפרד נבדקה העשרה בכל מין בנפרד שמירות = מספר המינים בהם נמצאה שמירות = מספר המינים בהם נמצאה

העשרה.העשרה.


3636

אבולוציה אבולוציה..vsvsשמירות שמירות

המינים המינים 44 מתוך מתוך 33כל האלמנטים זוהו ב כל האלמנטים זוהו ב הקרוביםהקרובים

רוב האלמנטים זוהו באורתולוגים למעט מינים רוב האלמנטים זוהו באורתולוגים למעט מיניםמרוחקיםמרוחקים

?שאלה: כיצד ניתן לפרש תוצאות אלה?שאלה: כיצד ניתן לפרש תוצאות אלה


3737

תשובהתשובה

מרחק אבולוציוני = רמת שמירות האלמנטיםמרחק אבולוציוני = רמת שמירות האלמנטים

שאלה למתקדמים: האם יכולה להיות סיבה נוספת שאלה למתקדמים: האם יכולה להיות סיבה נוספתלקורלציה זו ?לקורלציה זו ?


3838

תשובה למתקדמיםתשובה למתקדמים

כן!כן!


3939

ויותר בפירוט – חוסר דיוק ויותר בפירוט – חוסר דיוק

פחות דיוק בקביעת אורתולוגיםפחות דיוק בקביעת אורתולוגים תשובת המאמר: איתור האלמנטים אינו רגיש תשובת המאמר: איתור האלמנטים אינו רגיש

לרעשלרעש


4040

Conservation Conservation of Cis of Cis

sequence sequence enrichment in enrichment in specific gene specific gene

groups. Figure groups. Figure 22

ונתחיל ונתחיל בשמירותבשמירות


4141

אתרי קישור שמורים:אתרי קישור שמורים:

MCBMCB מבקר גנים המעורבים בשלב ה – מבקר גנים המעורבים בשלב ה – GG11 מבקר ביטוי גנים גם ב מבקר ביטוי גנים גם בS.PombeS.Pombe


4242

Gen4pGen4pביוסינתזה של ח. אמינו – ביוסינתזה של ח. אמינו – GATA factorsGATA factorsמטאבוליזם של נתרן – מטאבוליזם של נתרן – מודל מודלGATAGATA

אורתולוגים של אורתולוגים שלGATA factorsGATA factors במינים בהם במינים בהם הרצף שמורהרצף שמור


4343

.S. Sאלמנטים החסרים לאלמנטים החסרים לCerevisiaeCerevisiae--

אלמנטים מסויימיםאלמנטים מסויימים

S. CerevisiaeS. Cerevisiae חסרים ב- חסרים ב- מדובר במערכות בקרה מדובר במערכות בקרה

שמורות. שמורות.


4444

שאלהשאלה

איזו תכונה נוספת של האלמנטים של הבקרה, יכולה איזו תכונה נוספת של האלמנטים של הבקרה, יכולהלהיות שמורה מלבד הדמיון הרצפי ?להיות שמורה מלבד הדמיון הרצפי ?

מיקום!מיקום!


4545

שמירות בפיזורשמירות בפיזור

פיזור לא רנדומאלי בגנים מאותה קבוצהפיזור לא רנדומאלי בגנים מאותה קבוצההתפלגות דומה בכל המיניםהתפלגות דומה בכל המיניםמיקום מדויק אינו נשמרמיקום מדויק אינו נשמר


4646


4747

קרבה בין אלמנטיםקרבה בין אלמנטים

אלמנטים אלמנטיםמסויימים מסויימים

קרובים אחד קרובים אחד לשני יותר לשני יותר

מהצפוימהצפוי אינטראקציות אינטראקציות

קואופרטיביות קואופרטיביות של פקטורי של פקטורי

שעתוקשעתוק


4848

שמירות - סיכוםשמירות - סיכום

שמירות ברצףשמירות ברצףשמירות במיקוםשמירות במיקוםשמירות במרחקשמירות במרחקהגנים התפתחו – הבקרה נשמרההגנים התפתחו – הבקרה נשמרה


4949

אבולוציה ברמת הרצףאבולוציה ברמת הרצף

רצפים חדשים במערכות קיימותרצפים חדשים במערכות קיימותרצפים משנים מיקוםרצפים משנים מיקום?כיצד זה מתרחש?כיצד זה מתרחש

deletions & insertionsdeletions & insertions סחיפה גנטיתסחיפה גנטית


5050

קו-אבולוציהקו-אבולוציה

רצפים ופקטורי שעתוק: קו-אבולוציהרצפים ופקטורי שעתוק: קו-אבולוציהRpn4pRpn4p קושר רצף בקרה של גנים – קושר רצף בקרה של גנים –

פרוטאוזומיםפרוטאוזומים ב בC.AlbicansC.Albicansנמצאו רצפי בקרה נוספים נמצאו רצפי בקרה נוספים ב בRpn4nRpn4n ב ב C.albicansC.albicans יש דומיין קישור יש דומיין קישור

שונה שונהDNADNAל-ל-


5151

מערכות בקרה משנות יעדמערכות בקרה משנות יעד

אותן מערכות בקרה – קבוצות גנים אחרותאותן מערכות בקרה – קבוצות גנים אחרות ב בN.CrassaN.Crassa התגלה אורתולוג של התגלה אורתולוג של Rnp4pRnp4p רצפי המטרה לא נמצאו בפרומוטורים של רצפי המטרה לא נמצאו בפרומוטורים של

פרוטאוזומיםפרוטאוזומים ייתכן ש ייתכן שRpn4pRpn4pמבקר גנים אחרים מבקר גנים אחרים


5252

אבולוציה - סיכוםאבולוציה - סיכום

רצפים חדשים במערכות קיימותרצפים חדשים במערכות קיימותרצפים משנים מיקוםרצפים משנים מיקוםרצפים ופקטורי שעתוק: קו-אבולוציהרצפים ופקטורי שעתוק: קו-אבולוציהאותן מערכות בקרה – קבוצות גנים אחרותאותן מערכות בקרה – קבוצות גנים אחרות


5353

מבט לעתידמבט לעתיד

ריצוף של גנומים נוספים של שמרים יאפשר ריצוף של גנומים נוספים של שמרים יאפשרמבט מעמיק יותר על שלבי ביניים באבולוציה מבט מעמיק יותר על שלבי ביניים באבולוציה

-רגולטוריות. -רגולטוריות. ciscisשל המערכות ה של המערכות ה


5454

מה ראינו?מה ראינו?

גנומיקה השוואתית – אנליזה השוואתית של גנומיקה השוואתית – אנליזה השוואתית שלרצפיםרצפים

כלי חזק להבנת: * שימור ואבולוציה בין מיניםכלי חזק להבנת: * שימור ואבולוציה בין מינים* סוגיות ביולוגיות* סוגיות ביולוגיות

:ראינו שני מחקרים שמוכיחים את יעילות השיטה:ראינו שני מחקרים שמוכיחים את יעילות השיטה Kellis et alKellis et al.. ניתוח מקיף והגדרה מחדש של גנום – ניתוח מקיף והגדרה מחדש של גנום –

S.CerevisiaeS.Cerevisiaeה ה Gasch et alGasch et al.. בחינת רצפי בקרה - בחינת רצפי בקרה - ciscisרגולטוריים-רגולטוריים-


5555

השלכות לגבי הגנום האנושיהשלכות לגבי הגנום האנושי

מחקר זה יכול לתת אומדן למרחקים מחקר זה יכול לתת אומדן למרחקיםהאבולוציוניים הדרושים להצלחת הגישההאבולוציוניים הדרושים להצלחת הגישה

השוני ברצף בין השוני ברצף ביןS. CerevisiaeS. Cerevisiae לבין לבין S. S. BayanusBayanus.דומה לזה שבין האדם לעכבר. דומה לזה שבין האדם לעכבר

בעייתיות: דחיסות גנום השמר לעומת דלילות בעייתיות: דחיסות גנום השמר לעומת דלילותשל גנום האדם.של גנום האדם.


5656

השלב הבא...השלב הבא...

Hsa21Hsa21 ו ו Ptr22Ptr22הם אורתולוגיים הם אורתולוגיים טריזומיה מובילה לתסמונת דאוןטריזומיה מובילה לתסמונת דאון מחקר עדכני)*( חקר באמצעות גנומיקה מחקר עדכני)*( חקר באמצעות גנומיקה

השוואתית את התופעההשוואתית את התופעה

)*(Watanabe et al. DNA sequence and comparative analysis of chimpanzee chromosome 22. Nature. 2004 May 27;429:382-8.


5757

נקודות לשימור ולשיפורנקודות לשימור ולשיפור

אנליזה ללא ידע ביולוגי מוקדםאנליזה ללא ידע ביולוגי מוקדםמחקר ברמת הגנום השלםמחקר ברמת הגנום השלםהשיטה מתאימה לכל אורגניזםהשיטה מתאימה לכל אורגניזםיעול השיטה באמצעות הוספת גנומיםיעול השיטה באמצעות הוספת גנומיםדרושים גנומים מרוצפיםדרושים גנומים מרוצפיםהנחות מוטלות בספקהנחות מוטלות בספקדרושה בקרה ניסוייתדרושה בקרה ניסויית

Comperative Genomics

Documents

Transcript of Comperative Genomics