휴먼게놈프로젝트와 컴퓨터 Human genome project and Computer science 2005-12-03 Biocom OB 세미나 93’ 김형용 http://biohackers.net/wiki/HgpAndComputer http://biohackers.net

순서 생물학 백그라운드 Genome의 구조 서열결정작업 HGP 이후의 이야기들 컴퓨터과학의 기여

Genome 게놈? 지놈? 유전자(gene), 유전체(genome)

Great 3 books 우주 – 생명 - 인간

Central Dogma of Molecular Biology

Protein structure 20 Amino acids Sequence specifies conformation RNase

Life DNA’s common method of producing more DNA Review the life

Evolution Self replicator

Chromosome 1 cM ~= 1 Mbps

Gene structure

Junk DNA 전체 Genome의 5%만이 단백질이 되는 영역. 그렇다면 나머지는? Repetitive sequence LINE (>300bps) SINE (300bps), Alu (30000~50000개) Microsatelite

Human genome 3~4x1014 cells (~=245) > 200 cell type 3x109 bps (3Gbps = 3Gbyte) 20000~25000 Genes 98% unknown functional DNA 0.1% difference with you Information theory : 30Mbyte

Human genome project DOE, NHGRI 에서 시작. 2003년 공식 완료. 13년. 7개국 참여 95%나 되는 Junk DNA 를 꼭 그 많은 돈을 들여서 해야만 했는가? 목적 Human DNA 에서 모든 Gene의 동정 30억 염기서열의 결정 Database에 결과의 저장 이를 분석할 수 있는 도구의 향상 관련 윤리적 문제의 연구

History PCR RFLP Genetic marker BAC Shotgun sequencing Whole genome shotgun

Gel Electrophoresis 젤(그물막)에 전하를 띤 물질을 통과시킴으로, 분리하는 방법. 작을수록 멀리~ DNA, Protein

PCR Polymerase Chain Reaction

Genetic marker Polymorphic allele locus

Genetic map

Cloning 무지 작은 저 분자를 하나씩 직접 읽을 수 없다. 따라서, “동일” 한 것들 여러 개를 갖고 실험

Gene cloning Gene cloning 과정 Cloning vector Genome상에서 원하는 영역을 정한다. 원하는 영역을 뽑아낼 수 있는 PrimerDesign을 한다. PCR로 해당영역의 major band를 확인하고, 추출한다. CloningVector에 삽입한다. Selection의 과정을 통해, 해당 유전자가 삽입된 벡터가 들어있는 클론을 선발한다. Cloning vector Plasmid : Cosmid : 30 kb BAC : 350 kb YAC : 2 Mb 이상 PAC : 300 kb

DNA sequencing

DNA sequencing

DNA sequencing Frederic Sanger DNA, Protein 유효길이 700-800bp

Shotgun sequencing 게놈을 읽기 위해 유전학자들은 먼저 게놈을 수천조각으로 부순 뒤, 아무렇게나 잘라졌을 이 조각들을 가지고 시작할 수 밖에 없다. 재조립하기 위해 파괴하는 것, 그것이 분자생물학자들의 저주받을 운명이고 직업적 강박관념이다. -- 다니엘코엥, 휴먼게놈을 찾아서

Genome sequencing Clone by clone method Whole genome shotgun Genetic marker에 따라 BAC 선발 후 shotgun Whole genome shotgun 무작정 shotgun Repeat 로 인한 조립에의 어려움. 컴퓨터만 믿는다.

Current status (since 2003) Human Chromosome 4 Completed, April 2005. Human Chromosome 2 Completed, April 2005. Human Chromosome X Completed, March 2005. Human Chromosome 16 Completed, December 2004. Human Gene Count Estimates Changed to 20,000 to 25,000, October 2004. Human Chromosome 5 Completed, September 2004. Human Chromosome 9 Completed, May 2004. Human Chromosome 10 Completed, May 2004. Human Chromosome 19 Completed, March 2004. Human Chromosome 13 Completed, March 2004. Human Chromosome 6 Completed, October 2003. Human Chromosome 7 Completed, July 2003. Human Chromosome Y Completed, June 2003. Human Genome Project Completion: 1990-2003 (April 2003)

Genome browser UCSC Genome browser NCBI Genome browser Ensembl VistaBrowser

Genetic disease – before HGP

Genetic disease – after HGP

Comparative genomics Synteny (Gene order), Gene duplication, Gene fusion

Comparative genomics

SNP Single Nucleotide Polymorphism 종간 다양성  종내 다양성 염기변화  유전자내  아미노산변화  구조변화

Haplotype

HapMap 일본, 영국, 중국, 캐나다, 미국, 나이지리아 Project의 목표는 MinorAllele의 빈도가 최소 5% 이상이고 평균 간격이 5 kilobase 인 60만개 SNPs을 genotype 하는 것

Transcriptome, Proteome EST DNA chip Proteomics

EST Expression Sequence Tag

Transformational grammar Regular grammar : computer program Context free grammar : DNA Palindrome, “다시 합창합시다” Context sensitive grammar Unrestricted Grammar : 자연어

Sequence alignment

Smith-Waterman algorithm

BLAST Unknown sequence Known sequence Database

Object oriented programming Computer programming paradigm 생명현상의 모델링

마치며… Rosetta stone Programming