Eduard Kejnovský + Roman Hobza EVOLUČNÍ GENOMIKA VI. LIDSKÝ GENOM A EVOLUCE ČLOVĚKA OSNOVA: 1.Genom člověka 2.Budoucnost výzkumu lidského genomu 3.Etické a právní aspekty sekvenace lidského genomu 4.Evoluce člověka 5. Chcete poznat svůj genom? GENOM ČLOVĚKA Lidský genom přečten http://individualizedmedicineblog.mayoclinic.org/files/2013/04/Collins-Clinton.jpg 20.červen 2000 - Bílý dům 14/21 - výzva lidstvu - 1990-2005 HGP - začátek cesty Velikost genomu člověka: ~ 3 150 000 000 bp Související obrázek Lidský genom Kdybychom lidský genom vepsali do knih: 1 normostrana – 1800 písmen 1 kniha (~1000 stran) – 2 miliony písmen 1500 knih (~100 metrů) – 3 miliardy písmen ~ 20 000 genů (1.5%) 15/21 Výsledek obrázku pro library ~ 3 150 000 000 bp Hlavní komponenty genomu člověka Sekvenování lidského genomu National Human Genome Research Institute (NHGRI), NIH Human Genome Project (HGP) 1990-2003, pětileté plány • Velikost genomu ~ 3 164 700 kb Počet genů ~ 19 000 • ~99.9% shoda u všech lidí – 1/1000 rozdíly – 3mil. bp • 2% genomu kóduje proteiny, většinu repetice, 50% transposony • Genově bohaté oblasti jsou GC-bohaté, repetice AT-bohaté • Chrom.1 má nejvíce genů (2968) a chrom. Y nejméně (231) Srovnání lidského genomu s genomy jiných organizmů •Genové ostrovy u člověka versus homogenní distribuce genů u jiných organizmů •3x více proteinů než D.m. nebo C.e. díky alternativnímu sestřihu (35-60% genů) •Stejné genové rodiny jako u D.m., C.e., rostlin, ale počet členů rodin expandoval Lidský genom ve faktech a číslech Ultrakonzervativní elementy: - stovky UCEs, identita mezi člověkem a myší - UCE jsou enhancery genů, homologie s transposony RNA nekódující proteiny: - mnoho transkriptů nekódujících proteiny a s neznámou funkcí - „transfrags“ genů, reorganizaci chromatinu, dostupnost pol či TF - několik tisíc miRNAs - Copy number variations: - rozdíl mezi dvěma lidmi 0.3%, až 5Mb, změny ve struktuře větší než v SNP, schizofrenie, autismus Srovnání genomu člověka a šimpanze - speciace ~ 6.3 mil - následné křížení - větší podobnost chromosomu X 1.23% rozdíl • Genové duplikace • Expanze transposonů • Mutace • Posttranskripční a translační modifikace • Odlišné používání genů (alternativní promotory a alternativní sestřih) Chromosom Y člověka a šimpanze rozdíly v amplikonových oblastech Mozaikovitá struktura genomu: Některé oblasti bližší šimpanzovi a jiné gorile 38-50 mil let - vznik retrogenů v linii primátů - role ve spermatogenezi HAR (human accelerated region) - důležitá pro rozvoj řeči - mutace v rodinách s poruchou řeči - chápáním pojmů, gramatika, kreativita, kultura - existuje i u jiných zvířat - nová lidská forma vznikla před 200 000 let - lidská forma přítomná u Neandertálce Gen FOXP2 (forkhead box P2) -49 oblastí lišících se u člověka oproti šimpanzům, přitom konzervativní u člověka (tedy funkční) -nekódují proteiny, v intronech, poblíž developmenálních genů, transkripčních faktorů, genů pro vývoj mozku, regulace, GC-bias -HAR1 – lncRNA, aktivní v mozku v 7-18. týdnu vývoje embrya (sekundární struktura, prefrontal cortex) -7x větší mutation rate u člověka než jiné části genomu (pozitivní selekce), desítky „lidských“ mutací HAR1F RF00635 rna secondary structure.jpg člověk myš •Od evoluční divergence došlo k četným přestavbám, které umístily bloky genů do různých kombinací. •Konzervativita chromosomu X. Srovnání genomu člověka a myši BUDOUCNOST VÝZKUMU LIDSKÉHO GENOMU Variabilita a mutace - 99.9% identita mezi jedinci - ~ 3 miliony polymorfních míst (SNP) – vazba na choroby - 2x více mutací v zárodečné linii muže než ženy Budoucnost výzkumu lidského genomu •Transkriptomika – exprese genů, za různých podmínek •Proteomika – exprese a funkce proteinů, dopady pro design léčiv •Komparativní genomika – srovnání s jinými organizmy •Polymorfismus mezi jedinci (genetic variation program) •ELSI – (ethical, legal and social implications) – 10 mil $ /rok •Zdraví, společnost, vzdělávání … „Now this is not the end. It is not even the beginning of the end. But it is, perharps, the end of the beginning.“ Winston Churchill (1942) Rozdíly mezi jedinci Comparative genomic hybridization (CGH) Pomocí DNA čipů/NGS lze určit, které varianty genů/sekvencí DNA člověk obsahuje a podle toho zacílit léčbu. DNA chips nebo NGS SNIPs: 1/1000 genomu (=3 000 000 bp) CNV: 3/1000 genomu Farmakogenomika a personální medicína Současnost - design léků na průměrného pacienta, masová výroba, avšak „Jedna velikost bot nepadne všem“ Pomalá metabolizace (vedlejší účinky) x rychlá metabolizace (žádné účinky) Vedlejší účinky léků (adverse drug reactions, ADR): > 2mil případů, 100 000 úmrtí v USA (rok 1994) Budoucnost – farmakogenomika, test v dětství, varianty v genech určují reakci na léky Single nucleotide polymorphism (SNP, snips) – genetické varianty, katalogizace, anotace DNA čipy/NGS – skríning milionů snipů/několik hodin à výběr léků Levnější - pacient se nevrací k lékaři pro další léky na vyzkoušení kvůli žádnému efektu nebo nežádoucím účinkům Farmakogenomika studuje, jak varianty v lidském genomu ovlivňují odpověď na léčbu. Umožní vytvářet léky „na míru“ podle znalosti konkrétního genomu pacienta. Minimalizují se tak nežádoucí vedlejší účinky. Etické otázky: léky na míru (tailor-made drugs) dražší, nezájem farmaceutických firem (menší objemy výroby), neochota pojišťoven platit za lidi s genetickými testy indikující potřebu drahých léků na míru. Prohloubení propasti mezi rozvinutým a rozvojovým světem. Dostupnost všem. Genová terapie Genová terapie je obor medicíny, kdy jsou geny zaváděny do těla (genomu) jedince s cílem vyléčit nemoc. Dědičné nemoci – jeden gen (srpková anémie, barvoslepost), polygenní (většina nemocí – diabetes, epilepsie, astma, bipolární choroba, schizofrenie) Škodlivý gen: recesivní (cystická fibróza), dominantní (Huntingtonova chorea), na chromosomu X (hemofílie) PODMÍNKY ÚSPĚCHU: - dobré pochopení problému, identifikace genu - metoda vnesení, typ buněk, vektory (retroviry, adenoviry, adenoasociované viry), požadavek stabilní integrace na požadované místo - opravovány jen geny v somatických buňkách!!!, nahrazen špatný gen nebo vnesen nový gen s funkcí vyléčit nemoc. Experiment (Cavazzana-Calvo, 2000): léčba imunodeficience způsobené mutací genu na chromosomu X, děti uzdraveny, ale 2 z 10 dětí onemocněly leukémií, virový vektor aktivoval onkogen. Projekt „osobního genomu“ „Budeme pročítat svůj genom jako když plánujete cestu a hledáte případné objížďky (predispozice pro nemoci)…“ „Vidíme, že znalost našeho vnitřního vesmíru je tak podmanivá…“ … zahájí éru medicíny šité na míru každému jednotlivci“ George M. Church \ Projekt osobního genomu (PGP): -„1000 genomes project“ vyhlášen 2008, Nature 2012, 2015 -vyhlásil G. Church 2005, cílem sekvenace 100 000 lidí, další země -hledání korelace mezi genetickými a tělesnými vlastnostmi - cílem cena do 1000 USD během několika let (faktory: čas, technologie, cena) - Archon Genomics X prize – 100 genomů/1000 USD/30 dnů à 10mil USD - axiomy: automatizace práce + otevřenost dat - předpokladem je vývoj novějších technologií sekvenování: 454 (Roche), Solexa (Illumina), SOLiD a IonTorrent (Life Technologies), PacBio, aj. Aspekty osobní genomiky: •Zdravotní hlediska •Rodokmen •Obavy ze zneužití (pojišťovny, zaměstnavatel, soudy, konkurence, zločinci) Dříve 13 let – nyní 13 hodin ETICKÉ A PRÁVNÍ ASPEKTY SEKVENACE LIDSKÉHO GENOMU Patentování genů aneb kdo vlastní naše geny? 1790: „first patent act“ 1930: lze patentovat nové odrůdy rostlin (kongres USA) 1948: spojování bakterií není objev, nelze patentovat (Nejvyšší soud USA) 1981: spor Diamond vs. Chakrabarty – umělá bakterie likvidující ropné skvrny - geneticky modifikovaná (fúze), nepřítomná v přírodě 1996: Bermudská pravidla – sekvence genomů musí být volně dostupné 2000: Bil Clinton – lidský genom patentovat nejde, společné vlastnictví 2005: zamítnut patent na lidskou chiméru, aby zabránili tvorbě hybridů 2005: přes 4 300 genů je spojeno s patentem, Incyte vlastní 10% genů 2013: geny jsou „product of nature“, nelze patentovat (Fed. soud), ale diagnostické postupy jsou patentovány (BRCA1/2), DNA manipulovaná v laboratoři může být patentována, podpora výzkumu - různé přístupy různých zemí Francis Collins, NIH Patentovatelný objev nebo nápad musí být umělý, ne zcela zřejmý, nový a užitečný. Nelze patentovat zákony přírody. ELSI, Pojišťovny Obava ze zneužití (eugenika – USA, Německo) 3-5% rozpočtu HGP (10mil $). Čtyři priority: 1. Poctivost (fairness) – svoboda od diskriminace na bázi genotypu 2. Soukromí (privacy) – kontrola jedince nad svým genotypem, volba odhalení 3. Poskytování zdravotní péče 4. Vzdělání Pojišťovny: – nutnost rovné hry (analogie loterie) – stejné informace, spravedlivá smlouva. Proč by pojišťovny nemohly znát kromě fenotypových i genotypové parametry? Obava pojištěnce - že bude pojišťovna chtít jeho testy a zdraží pojistné Obava pojišťovny - že se pojištěnec dozví o budoucí nemoci a vysoce se pojistí např. Huntingtonova chorea – znát počet CAG repetic, pojišťovací hra možná, změna s časem. Zaměstnavatelé: Např. povolání pilota: - argument zaměstnavatele – chci znát riziko jeho infarktu, platím pojištění, bezpečnost - argument žadatele – nyní jsem zcela zdráv, nenesu vinu na predispozici Studium etických právních a sociálních otázek (ELSI) je součástí HGP. Etické otázky související s HGP Lze vytvořit z lidí anděly nebo alespoň zabránit, aby se z nich stávali ďáblové? Člověk není redukovatelný na své geny a výchovu. I když poznáme „chemický vzorec člověka“ stále nás bude překvapovat. Filosofické důsledky sekvenování lidského genomu Neudržitelnost rasismu: – všichni lidé jsou si příbuznější než jsou si navzájem příbuzní šimpanzi v rezervaci Gombe, jacíkoliv dva lidé – 99.9% podobnost - jedinečnost individua a universalita lidstva Člověk je tvor spolupracující: – jeden druh z mnoha, antropocentrismus nahrazen ekocentrismem, jsme součástí sítě života, - složení našich těl je kooperující: mitochondrie v našich buňkách, 45% TE v našem genomu Co je člověk? – stavebnice pozůstatků v nás přežívajících, dříve samostatných bytostí Karl Popper: „Jakýkoliv pokus vytvořit nebe na zemi zplodí peklo“ Genový doping a „designer baby“ Dříve: Výběr vhodného partnera Nyní: Znalost lidského genomu + asistovaná reprodukce/PGD vliv na vlastnosti dětí Co si mužeme dovolit? Můžeme vybrat zdravá embrya? (Down, BRCA1, DTNBP1 Můžeme vybrat pohlaví? Zaplatili jsme si. Aviedo 1997: pohlaví není nemoc. Můžeme zlepšit vlastnosti dítěte (výšku, paměť)? Čím se liší plastická chirurgie od genové změny? Klasický doping u sportovců je zakázaný, a co genový doping? Jak prokázat? Když investujeme do environmetálních faktorů (knihy, vzdělání, výchova), proč neinvestovat do genetických faktorů? Budou rodiče odsuzování za narození postiženého dítěte? Genový doping jen pro nejbohatší? Vznik nového darwinismu? Vznikne novodobá genetická aristokracie a třída genetických proletářů? DNA databáze FBI (Combined DNA Indexing System = CODIS) CODIS 1994 Kongres USA - FBI databáze - 13 milionů vzorků DNA (rok 2018), dříve jen u usvědčených zločinců, nyní širší záběr - 3 miliony zločinců - 400 000 vyšetřování Ministerstvo obrany USA – vzorky tkání vojáků pro pozdější identifikaci pomocí DNA NAŠI PŘÍBUZNÍ Přečtené genomy: šimpanzi, gorila, orangutan, indický makak, čínský makak Čtení genomů primátů 16/21 člověk – šimpanz 1.2% rozdíl v DNA nártouni (Filipíny) kotulové (Brazílie) lemuři (Madagaskar) hominoidi (Afrika+Asie) opice starého světa (Afrika+Asie) EVOLUCE ČLOVĚKA Nálezy nejstarších hominidů: * Olduvajská rokle (Tanzanie) * Hadar (Etiopie) * jezero Turkana (Kenya) – současně zde žily 4 druhy hominidů!!! * řeka Omo (Etiopie) * Laetoli (Tanzánie) Naleziště hominidů v Africe Oddělení větví hominidů a šimpanzů: před 6-7 miliony let Za 35 mil. let vzniklo 84 druhů hominidů Za 8 mil. let vzniklo 16 druhů hominidů Sahelanthropus (Toumai): stáří 6-7 mil.let •Mozkovna 340-360cm3 •Bipedie •Nejstarší předek člověka po oddělení větví vedoucích k šimpanzům a člověku Sahelanthropus tchadensis : 6 mil. let (Čad, Michel Brunet, 2002 Nature) Orrorin tugenensis: 5.8 mil let Ardipithecus kadabba: 5.6-5.8 mil let Australopithecus: 4 mil. - 1 mil. robustní - A. robustus …………….. 1-2 mil A. boisei …………………..…1-2 mil gracilní - A. afarensis = Lucy ... 3.5-3 mil A. africanus …………..….. 2-3 mil •mozkovna 35% moderního člověka •výška 120-140cm, pohlavní dimorfismus (až 50% rozdíl) •frugivorní (pojídal ovoce), možná omnivorní (všežravec), žil v savanách Lucy = A. afarensis (3.5-3 mil) Homo habilis: 2.5 mil. – 1.5 mil. •Olduvajská rokle (Tanzánie, Mary a Louis Leakey) •Jezero Turkana (Kenya) •poloviční mozkovna •primitivní nástroje, lovec, sběrač H. habilis (OH62): „Žena roku 1987“, 1.8 mil let Homo erectus: 2 mil. – 0.3 mil. •Velká mozkovna (850-1100cm3) •Vysoký (180cm), pohlavní dimorfismus (30% rozdíl) •Používal oheň, plaval na vorech, primitivní „řeč“, poprvé malé rovnostářské skupiny, složitější nástroje, lov ve velkém měřítku •Jezero Turkana, Java, Čína Homo habilis and Homo erectus žili vedle sebe v Africe po dobu 500 000 let!!! (Nature 448, p688, 2007) - evoluce ze společného předka - rozdíly v potravě - H. habilis – boční větev, přežíval déle - H. erectus – životní styl podobný gorilám Homo erectus: první expanze člověka (1.8 mil) - první překročil hranice afrického - kontinentu - používal oheň Floreský člověk - Hobit Nálezy v jeskyni Liang Bua: - 2003 (LB1), později 8 jedinců - mezi nejstarší a nejmladší kostrou 80 000 let - nejmladší jen 12 000 let Nový druh nebo nemoc: - mozek jen 380 cm3, - nejde o patologické jedince (microcephalus) - velikost mozku a inteligence, nástroje a oheň - ostrovní fenomén Rodokmen: - H. sapiens do Austrálie před 45 000 lety - střet s H. sapiens (jako neandertálci) - živé legendy – Ebu Gogo, poslední setkání před 100 lety, mýty o malých lidech u indiánů, austrálců Homo naledi •Jihoafrická republika, objev 2013 v Sterkfonteinských jeskyních •15 jedinců různého věku a obou pohlaví •stáří nejasné, až 2.5-2.8 mil let •150cm, 45kg, primitivní stavba těla, pokročilá stavba lebky (450-550cm jako gorila) •ruce umožňovaly pohyb po stromech i používání nástrojů http://cdn1.ntn.al/600x/90/7439/rndtv21qjkqwgm66o6ag2dnsqiab0y.jpeg http://images.mic.com/ovpyvvspf4mxtcgob5vs2kkcqp3qpy88lzsuv4jdvpk9bied1qioywpdllcjoeic.jpg Homo naledi – nejasné datování http://www.slate.com/content/dam/slate/articles/health_and_science/science/2015/09/150909_SCI_Homin id_map.jpg Přečten genom neandertálce. Není našim předkem! (Green et al 2010, Science) Neandertálcí žili před 400 000-30 000 lety Náš genom obsahuje 1-4% neandertálské DNA 90 000-25 000 moderní člověk vstupuje do Evropy https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a6/Spread_and_evolution_of_Denisovans.jpg http://cdn4.sci-news.com/images/enlarge/image_1624_2e-Neanderthals.jpg Děnisované http://www.independentsentinel.com/wp-content/uploads/2011/11/neanderthal.jpg •Děnisova jeskyně Altaj 2008 •několik kostí, 41 000 let •poddruh H. sapiens, blízcí neandertálcům •křížení s moderními lidmi – nejvíce oblast Melanézie (až 6%) „Out of Africa“ (Wilson, 1987) - mtDNA 182 lidí - 2 větve – africká a neafrická - max 0.6% rozdíly, 3 mutace/500bp, 1 rozdíl~10 000 let - z Afriky před 100 tis lety, 50 tis. Austrálie, 35 tis. Evropa Hypotézy: „multiregionální“ a „Out of Africa“ Multriregionální hypotéza (teorie svícnu, polycentrická hypotéza) (Wolpoff) Zakladatelská populace ~ 10 000 jedinců Homo sapiens: vznik před přibližně 200 000 lety https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/27/Spreading_homo_sapiens_la.svg/851px-Sprea ding_homo_sapiens_la.svg.png Moderní pohledy na evoluci člověka „Velký skok vpřed“ (před 50 000 lety) Střední a mladší paleolit - úsvit lidské kultury - abstraktní myšlení, plánování, inovace, symbolické chování - oblékání, pohřbívání, rafinované pasti a lov Co dělá člověka člověkem? CHCETE POZNAT SVŮJ GENOM? Genetické testování – nemoci, původ (firma „23andMe“) www.23andme.com Zdraví: nemoci, mutace, citlivost k lékům Původ Paternální – R1a1a Maternální – J1c4 Původ Y chromosom: 20 haploskupin (svět) mtDNA: 11 haploskupin (Evropa)