Um balanço da Genética Molecular na
  primeira década do século XXI.
  Complexidade, está é a ordem!

   Prof. Dr. Rinaldo Wellerson Pereira
    Programa de Pós Graduação em
  Ciências Genômicas e Biotecnologia
Por trás do título desta palestra
Craig Venter, Bill Clinton, Francis Collins
 26 de Junho de 2000 - East Room – White House
Anúncio do primeiro rascunho do genoma humano



               "Today," [Clinton] said, "we are learning the language in
               which God created life. We are gaining ever more awe for
               the complexity, the beauty, and the wonder of God's
               most divine and sacred gift."
Nós temos a sequência!




           Genoma de
      Homo sapiens sapiens
     15/02/2001 e 16/02/2001
Organização do Genoma
       Humano
E o sequenciamento do genoma
    humano ajudou a clarear o que
            sabemos sobre:

• Números de Genes
• Variabilidade em DNA
• Padrão de distribuição da variabilidade em
  sequência ao longo do genoma humano
Sequenciamento de DNA

• 1977 -2004 – Evolução e consolidação do
  método de Sanger
• 2004 - ……. – Plataformas de NGS – Next
  Generation Sequencing (Na verdade pode ser:
  “Now Generation Sequencing”)
     • Segunda Geração
     • Terceira Geração
Sequenciamento de DNA
Detecção Simultânea de Quatro Cores
• Sanger                • NGS




           Shendure, 2008 – Nature Biotechnology
Human genome at ten: the sequence explosion. Nature, 464: 670-671. 2010.
Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Large-Scale Genome
Sequencing Program Available at: www.genome.gov/sequencingcosts. Accessed
[08/28/11]
Scalability
                 massively scalable semicond




                 Simplicity
                 natural biochemistry, no opti




                 Speed
                 runs in about two hour s, not




Discover Ion Torrent
Número de sequências codificantes
              Genes
• Década de 90 – 100.000
• Artigos Nature e Science 2001 – 35000
• Outubro de 2004 - .... – Algo como 25000
RNAs não codificantes

• 90% do genoma humano é transcrito

• Small ncRNA

• Long ncRNA
Variações em Sequência
Padrões de Variabilidade


• Ao final dos anos 90 do século passado a ideia
  dominante era a de que a variabilidade era
  distribuída uniformemente ao longo dos
  genomas
Desequilíbrio de ligação e variação
            haplotípica
Blocos de haplótipos
Desequilíbrio de ligação x distância
Estrutura haplotípica do genoma humano
Mapeamento de Genes no inicio do
          século XXI

• Doenças/Fenótipos Mendelianos
  – Mapeamento por ligação
• Doenças/Fenótipos Complexos
  – Estudos de associação utilizando variações
    funcionais em genes candidatos
HapMap
• Projeto que se propôs a identificar blocos
  haplotípicos para as principais populações
TagSNPs
• SNPs encontrados dentro de um bloco
  haplotípico que genotipados nos fornece a
  maior parte da divesidade haplotípica da
  região

• Vantagen
  – Redução do número de SNPs a serem genotipados
  – Redução nos
    $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
GWAS
  Genome Wide Association Studies

• Genotipagem de milhares de SNPs utilizando
  microarranjos da Illumina
• Modelo de Arquitetura Alélica para doenças
  Complexas – CD/CV – Common
  Disease/Common Variability
Published GWA Reports, 2005 – 6/2011
                                                                                            951
                                   1000
                                   900
                                   800
    Total Number of Publications




                                   700
                                   600
                                   500
                                   400
                                   300
                                   200
                                   100
                                     0
                                          2005   2006   2007    2008        2009   2010   2011
                                                         Calendar Quarter
Through 9/30/10 postings
Published Genome-Wide Associations through 06/2011,
    1,449 published GWA at p≤5x10-8 for 237 traits




                               NHGRI GWA Catalog
                               www.genome.gov/GWAStudies
Então está tudo resolvido!?



     Ops! Calma lá!
Não está assim tão claro!
Missing Heritability

• Arquitetura alélica
   –   Alelos raros
   –   Heterogeneidade Alélica
   –   Alelos únicos
   –   Expansão demográfica recente
• Variabilidade estrutural
• Epigenética
Arquitetura Alélica dos Fenótipos
           Complexos

– Alelos raros
– Heterogeneidade Alélica
– Alelos únicos
– Expansão demográfica recente
Variabilidade estrutural
CNVs e doenças complexas
CNVs somáticas - Mosaicismo
• Mosaicismo não é um fenômeno novo em genética
  humana (boa revisão em Nature Genetics
  Reviews, 3:748, 2002), mas novas plataformas de análise
  genômica tem dado uma nova dimensão ao fenômeno
CNVs somáticas - Mosaicismo
CNVs somáticas - Mosaicismo
Epigenética
Ambiente e epigenética
                Variação fenotípica
                      normal




      ?
               Modificado de:
Ambiente e Epigenética
Livros
Gêmeos MZ são iguais?
Transmissão epigenética transgeracional
           transgeracional
Next Generation Sequencing
• Doenças Complexas




• Doenças Mendelianas
Doenças Mendelianas
• Doenças muito raras não tem número de
  famílias suficiente para estudos de ligação ou
  mapeamento por homozigozidade
• Doenças Mendelianas esporádicas por
  mutações de novo
• Heterogeinidade de loco
• Heterogeinidade de fenótipo
Exoma
• Estima-se que 90% das doenças mendelianas
  tem como causa variações em exons
• Exoma é o sequenciamento de todos ou quase
  todos exons em uma amostra
• O primeiro passo é separar os exons do
  restante do DNA
• Estima-se o exoma humano em 35 a 40 Mb
  (aproximadamente 1 % do genoma total)
Captura de Exons




Captura de 180.000 exons codificantes
Captura de 541 exons de micro RNAs
Alabama 35806, USA.
‡
  Department of Genome      tions between ~1,300 lo
Sciences, University of     (seetheUSNational Hum
Washington, Seattle,        Catalog of Published
Washington 98115, USA.      S tudies). However, owi
e-mails: gcooper@
hudsonalpha.org;
                            and correlations amon
shendure@u.washington.edu   cise identification of cau
doi:10.1038/nrg3046         for only a handful of th


628 | SEPTEMBER 2011 | VOLUME 12

                                                © 20
Division of Hematology,      lines of evidence began to suggest that synonymous Biologics article, we have generated ahavefunctional consequen
                                                                              Center for
                                                                                             In this          mutationscould compendium of
Center for Biologics         mutationscould havefunctional consequences. Thefirst and Research,
                                                                              Evaluation  human diseases or clinical conditions associatedin many organis
                                                                                                              wasbased on findingsthat, with
Evaluation and Research,     wasbased on findingsthat, in many organisms, thereisa Drug
                                                                              Food and synonymous mutations. We also discuss recent studies
Food and Drug                                                                                                 codon usagebiasvis-à-vissynonymouscod
                             codon usagebiasvis-à-vissynonymouscodons, suggest- that 29 Lincoln
                                                                              Administration, are elucidating the mechanisms by which synony-
Administration, 29 Lincoln
                                                                              Drive, Bethesda, Maryland       ing that even synonymouscodonswereund
Drive, Bethesda, Maryland    ing that even synonymouscodonswereunder evolution- mous substitutions bring about changes in the pheno-
                                                                              20892,
                                                                                          type
                                                                                                              ary pressure (see REFS 3,4 for comprehens
                             ary pressure (see REFS 3,4 for comprehensive ReviewsUSA. by affecting splicing accuracy, translation fidelity,
20892, USA.
                                                                                          mRNA structureand protein subject, which isdiscuss
                                                                                                              on this folding. Finally, we not discussed he
                                                                              e-mails: zuben.sauna@fda.
e-mails: zuben.sauna@fda.    on this subject, which is not discussed here). Second, chava.kimchi-
                                                                              hhs.gov;
hhs.gov; chava.kimchi-       advances in our understanding of protein synthesis and how an increased understanding of theunderstanding of protein s
                                                                              sarfaty@fda.hhs.gov
                                                                                                              advances in our effect of synony-
                             folding have led to discoveries that provide the mecha- mous mutations could have an impactto discoveries that provide
                                                                                                              folding have led on future clini-
sarfaty@fda.hhs.gov
doi:10.1038/nrg3051                                                           doi:10.1038/nrg3051
Published online             nistic and conceptual framework to understand this online                        nistic and conceptual framework to und
                                                                              Published cal applications, such as pharmacogenetics and protein
31 August 2011               phenomenon. Considerable evidence has accumulated 2011
                                                                              31 August therapeutics.         phenomenon. Considerable evidence has


NATURE REVIEWS| GENETICS                                                           NATURE REVIEWS| GENETICS VOLUM E 12 | OCTOBER 2011 | 683
                                                 © 201 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved
                                                      1                                                                          © 201 Macmillan Publisher
                                                                                                                                      1
????????????????????????
Contatos
                           rinaldo.pereira@catolica.edu.br




           https://www.facebook.com/pages/Genética-Prof-Rinaldo-Pereira/173846522641806




                                     http://rinaldogenetica.com




https://www.facebook.com/pages/Ci%C3%AAncias-Gen%C3%B4micas-UCB-Bras%C3%ADlia/199850806721852




       rinaldo.ucb                                                     rinaldo_pereira

XI Workshop Genética PUC-GO - Rinaldo Pereira

  • 1.
    Um balanço daGenética Molecular na primeira década do século XXI. Complexidade, está é a ordem! Prof. Dr. Rinaldo Wellerson Pereira Programa de Pós Graduação em Ciências Genômicas e Biotecnologia
  • 2.
    Por trás dotítulo desta palestra
  • 3.
    Craig Venter, BillClinton, Francis Collins 26 de Junho de 2000 - East Room – White House Anúncio do primeiro rascunho do genoma humano "Today," [Clinton] said, "we are learning the language in which God created life. We are gaining ever more awe for the complexity, the beauty, and the wonder of God's most divine and sacred gift."
  • 4.
    Nós temos asequência! Genoma de Homo sapiens sapiens 15/02/2001 e 16/02/2001
  • 5.
  • 6.
    E o sequenciamentodo genoma humano ajudou a clarear o que sabemos sobre: • Números de Genes • Variabilidade em DNA • Padrão de distribuição da variabilidade em sequência ao longo do genoma humano
  • 7.
    Sequenciamento de DNA •1977 -2004 – Evolução e consolidação do método de Sanger • 2004 - ……. – Plataformas de NGS – Next Generation Sequencing (Na verdade pode ser: “Now Generation Sequencing”) • Segunda Geração • Terceira Geração
  • 8.
    Sequenciamento de DNA DetecçãoSimultânea de Quatro Cores
  • 9.
    • Sanger • NGS Shendure, 2008 – Nature Biotechnology
  • 10.
    Human genome atten: the sequence explosion. Nature, 464: 670-671. 2010.
  • 11.
    Wetterstrand KA. DNASequencing Costs: Data from the NHGRI Large-Scale Genome Sequencing Program Available at: www.genome.gov/sequencingcosts. Accessed [08/28/11]
  • 12.
    Scalability massively scalable semicond Simplicity natural biochemistry, no opti Speed runs in about two hour s, not Discover Ion Torrent
  • 13.
    Número de sequênciascodificantes Genes • Década de 90 – 100.000 • Artigos Nature e Science 2001 – 35000 • Outubro de 2004 - .... – Algo como 25000
  • 14.
    RNAs não codificantes •90% do genoma humano é transcrito • Small ncRNA • Long ncRNA
  • 16.
  • 17.
    Padrões de Variabilidade •Ao final dos anos 90 do século passado a ideia dominante era a de que a variabilidade era distribuída uniformemente ao longo dos genomas
  • 18.
    Desequilíbrio de ligaçãoe variação haplotípica
  • 19.
  • 20.
  • 21.
  • 22.
    Mapeamento de Genesno inicio do século XXI • Doenças/Fenótipos Mendelianos – Mapeamento por ligação • Doenças/Fenótipos Complexos – Estudos de associação utilizando variações funcionais em genes candidatos
  • 23.
    HapMap • Projeto quese propôs a identificar blocos haplotípicos para as principais populações
  • 25.
    TagSNPs • SNPs encontradosdentro de um bloco haplotípico que genotipados nos fornece a maior parte da divesidade haplotípica da região • Vantagen – Redução do número de SNPs a serem genotipados – Redução nos $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$
  • 26.
    GWAS GenomeWide Association Studies • Genotipagem de milhares de SNPs utilizando microarranjos da Illumina • Modelo de Arquitetura Alélica para doenças Complexas – CD/CV – Common Disease/Common Variability
  • 28.
    Published GWA Reports,2005 – 6/2011 951 1000 900 800 Total Number of Publications 700 600 500 400 300 200 100 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Calendar Quarter Through 9/30/10 postings
  • 29.
    Published Genome-Wide Associationsthrough 06/2011, 1,449 published GWA at p≤5x10-8 for 237 traits NHGRI GWA Catalog www.genome.gov/GWAStudies
  • 31.
    Então está tudoresolvido!? Ops! Calma lá!
  • 32.
    Não está assimtão claro!
  • 33.
    Missing Heritability • Arquiteturaalélica – Alelos raros – Heterogeneidade Alélica – Alelos únicos – Expansão demográfica recente • Variabilidade estrutural • Epigenética
  • 34.
    Arquitetura Alélica dosFenótipos Complexos – Alelos raros – Heterogeneidade Alélica – Alelos únicos – Expansão demográfica recente
  • 35.
  • 36.
    CNVs e doençascomplexas
  • 38.
    CNVs somáticas -Mosaicismo • Mosaicismo não é um fenômeno novo em genética humana (boa revisão em Nature Genetics Reviews, 3:748, 2002), mas novas plataformas de análise genômica tem dado uma nova dimensão ao fenômeno
  • 39.
  • 40.
  • 42.
  • 43.
    Ambiente e epigenética Variação fenotípica normal ? Modificado de:
  • 44.
  • 45.
  • 46.
  • 52.
  • 55.
    Next Generation Sequencing •Doenças Complexas • Doenças Mendelianas
  • 56.
    Doenças Mendelianas • Doençasmuito raras não tem número de famílias suficiente para estudos de ligação ou mapeamento por homozigozidade • Doenças Mendelianas esporádicas por mutações de novo • Heterogeinidade de loco • Heterogeinidade de fenótipo
  • 57.
    Exoma • Estima-se que90% das doenças mendelianas tem como causa variações em exons • Exoma é o sequenciamento de todos ou quase todos exons em uma amostra • O primeiro passo é separar os exons do restante do DNA • Estima-se o exoma humano em 35 a 40 Mb (aproximadamente 1 % do genoma total)
  • 58.
    Captura de Exons Capturade 180.000 exons codificantes Captura de 541 exons de micro RNAs
  • 61.
    Alabama 35806, USA. ‡ Department of Genome tions between ~1,300 lo Sciences, University of (seetheUSNational Hum Washington, Seattle, Catalog of Published Washington 98115, USA. S tudies). However, owi e-mails: gcooper@ hudsonalpha.org; and correlations amon shendure@u.washington.edu cise identification of cau doi:10.1038/nrg3046 for only a handful of th 628 | SEPTEMBER 2011 | VOLUME 12 © 20
  • 62.
    Division of Hematology, lines of evidence began to suggest that synonymous Biologics article, we have generated ahavefunctional consequen Center for In this mutationscould compendium of Center for Biologics mutationscould havefunctional consequences. Thefirst and Research, Evaluation human diseases or clinical conditions associatedin many organis wasbased on findingsthat, with Evaluation and Research, wasbased on findingsthat, in many organisms, thereisa Drug Food and synonymous mutations. We also discuss recent studies Food and Drug codon usagebiasvis-à-vissynonymouscod codon usagebiasvis-à-vissynonymouscodons, suggest- that 29 Lincoln Administration, are elucidating the mechanisms by which synony- Administration, 29 Lincoln Drive, Bethesda, Maryland ing that even synonymouscodonswereund Drive, Bethesda, Maryland ing that even synonymouscodonswereunder evolution- mous substitutions bring about changes in the pheno- 20892, type ary pressure (see REFS 3,4 for comprehens ary pressure (see REFS 3,4 for comprehensive ReviewsUSA. by affecting splicing accuracy, translation fidelity, 20892, USA. mRNA structureand protein subject, which isdiscuss on this folding. Finally, we not discussed he e-mails: zuben.sauna@fda. e-mails: zuben.sauna@fda. on this subject, which is not discussed here). Second, chava.kimchi- hhs.gov; hhs.gov; chava.kimchi- advances in our understanding of protein synthesis and how an increased understanding of theunderstanding of protein s sarfaty@fda.hhs.gov advances in our effect of synony- folding have led to discoveries that provide the mecha- mous mutations could have an impactto discoveries that provide folding have led on future clini- sarfaty@fda.hhs.gov doi:10.1038/nrg3051 doi:10.1038/nrg3051 Published online nistic and conceptual framework to understand this online nistic and conceptual framework to und Published cal applications, such as pharmacogenetics and protein 31 August 2011 phenomenon. Considerable evidence has accumulated 2011 31 August therapeutics. phenomenon. Considerable evidence has NATURE REVIEWS| GENETICS NATURE REVIEWS| GENETICS VOLUM E 12 | OCTOBER 2011 | 683 © 201 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved 1 © 201 Macmillan Publisher 1
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    Contatos rinaldo.pereira@catolica.edu.br https://www.facebook.com/pages/Genética-Prof-Rinaldo-Pereira/173846522641806 http://rinaldogenetica.com https://www.facebook.com/pages/Ci%C3%AAncias-Gen%C3%B4micas-UCB-Bras%C3%ADlia/199850806721852 rinaldo.ucb rinaldo_pereira