ゲノムとコンピュータ Genome and Computing 森下真一 Shinichi Morishita : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります

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たかとしかたづ
5 years ago
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1 ゲノムとコンピュータ Genome and Computing 森下真一 Shinichi Morishita : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります

2 染色体, クロマチン構造, ゲノム Ref: Annunziato, A. DNA packaging: Nucleosomes and chromatin. Nature Education 1(1), (2008)

3 ゲノムの解読ゲノムサイズと染色体数生物を特徴づけているか? ゲノムを解読すると何に利用できるか? ゲノムはどのようにして解読するか? 遺伝子コード領域はどのように見つけるか? 近年のゲノム解読装置の革命的進展とはクロマチン構造はどのように推定するか?

4 ゲノムサイズ (Genome Size) 1pg (10-12 g) 10 億塩基 ( 正確には 9.78 億塩基 ) Courtesy of Dr. T. Ryan Gregory

5 なぜゲノムサイズがこれほど違うのか? ヒトゲノムの構成著作権の都合によりここに挿入されれていた画像を削除しました Molecular Biology of the Cell -- Fifth Edition Figure Garland 5-75 Science (2008) Figure 5-75

6 ヒト染色体 (Human Chromosomes) U.S. National Library of Medicine

7 脊椎動物 Verterata 顎口上網がっこうじょうこう Gnathostomata Agnatha カンブリア紀古生代 Paleozoic オルドビス紀シルル紀デボン紀石炭紀ペルム紀三畳紀中生代 Mesozoic ジュラ紀白亜紀新生代 Cenozoic パレオネオジンジン肉鰭綱にくきこう Sarcopterygii 硬骨魚類 Osteichthyes 条鰭綱じょうきこう Actinopterygii 有羊膜類ゆうようまくるい Amniota Tetrapoda 肺魚類 Dipnoi 多鰭目軟骨魚類 Chondrichthyes 爬虫綱 Reptilia 両生類 Amphibia 真骨魚類 Teleostei 全骨類 Holostei 哺乳綱 Mammalia 鳥綱 Aves カメ目 Testudinata ワニ目 Crocodilia トカゲ目 Squamata 百万年前 millions of years ago ヒト, チンパンジマウスラット犬ニワトリカメワニトカゲ, ヘビカエルシーラカンス, 肺魚トラフグミドリフグメダカゼブラフィッシュチョウザメ, ガー, ボウフィンポリプテレスサメ, エイヤツメウナギ脊椎動物の染色体数 Nakatani et al., 2007, Genome Res., 17,

8 カンブリア紀オルドビス紀古生代 Paleozoic シルル紀デボン紀石炭紀ペルム紀三畳紀中生代 Mesozoic ジュラ紀白亜紀新生代 Cenozoic パレオネオジンジン染色体数の分布縦軸 : 種の数横軸 : 染色体数哺乳綱 Mammalia 有羊膜類ゆうようまくるい Amniota 鳥綱 Aves カメ目 Testudinata 肉鰭綱にくきこう Sarcopterygii Tetrapoda 爬虫綱 Reptilia ワニ目 Crocodilia トカゲ目 Squamata 両生類 Amphibia 著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました硬骨魚類 Osteichthyes 肺魚類 Dipnoi 真骨魚類 Teleostei Nakatani et al., 2007, Genome Res., 17, Figure6 脊椎動物 Verterata 顎口上網がっこうじょうこう Gnathostomata 条鰭綱じょうきこう Actinopterygii 全骨類 Holostei 多鰭目軟骨魚類 Chondrichthyes Agnatha Nakatani et al., 2007, Genome Res., 17,

9 著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました ( 小鹿 ) Molecular Biology of the Cell - Fifth Edition Garland Science (2008) Figure 4-14

10 ゲノムはどのように利用するか? 遺伝子の有無を知るニワトリゲノムの解読 2004 年 12 月ニワトリは嗅覚がよくない? 嗅覚受容体 ( 匂いの受容体遺伝子 ) と考えられる遺伝子が 218 個も予測された飛ぶための遺伝子は?

11 ゲノムはどのように解読する? 日本アプライドバイオシステムズ Ref: Annunziato, A. DNA packaging: Nucleosomes and chromatin. Nature Education 1(1), (2008) 日本アプライドバイオシステムズサンガー法で読める長さは 500~800 塩基...

12 A C G T 元の絵がわからないジグソーパズル ( 数百万 ~ 数千万ピース )

13 ゲノムをコピーしておく高速な水流でゲノムをランダムに断片化する適切なサイズ ( たとえば 2000 塩基対前後 ) の断片を集める

14 断片の両端 500~800 塩基を読む読んだ配列を繋げてゆきコンティグ ( 連続した配列 contiguous) を生成読んだ配列を唯一つの方法では繋げられない例

15 断片を繋げてゆきコンティグ ( 連続した配列 contiguous) を生成コンティグを不連続に繋げてゆく

16 ゲノム中の遺伝子コード領域 Barry Shell,

17 遺伝子コード領域はゲノムだけから予測できるか? CCATA TATA ( 開始コドン ) ATG 蛋白質コード領域 ( 終止コドン ) TAA,TAG,TGA GGTAAG G CAGG AATAAA コーディングポテンシャルコドンの使用頻度には生物固有の偏りがあるコード領域には 3 塩基の周期性がある 6 文字塩基 (2 コドン分 ) の出現頻度の偏りが標準的に利用 Hidden Markov Model

18 カンブリア紀オルドビス紀古生代 Paleozoic シルル紀デボン紀石炭紀ペルム紀三畳紀中生代 Mesozoic ジュラ紀白亜紀新生代 Cenozoic パレオネオジンジン解読された脊椎動物ゲノム百万年前 millions of years ago 脊椎動物 Verterata 顎口上網がっこうじょうこう Gnathostomata Agnatha 肉鰭綱にくきこう Sarcopterygii 硬骨魚類 Osteichthyes 条鰭綱じょうきこう Actinopterygii 有羊膜類ゆうようまくるい Amniota Tetrapoda 肺魚類 Dipnoi 多鰭目軟骨魚類 Chondrichthyes 爬虫綱 Reptilia 両生類 Amphibia 真骨魚類 Teleostei 全骨類 Holostei 哺乳綱 Mammalia 鳥綱 Aves カメ目 Testudinata ワニ目 Crocodilia トカゲ目 Squamata ヒト, チンパンジマウスラット犬ニワトリカメワニトカゲ, ヘビカエルシーラカンス, 肺魚トラフグミドリフグメダカゼブラフィッシュチョウザメ, ガー, ボウフィンポリプテレスサメ, エイヤツメウナギゲノムを比較し保存されている領域を見つけ遺伝子を予測 Nakatani et al., 2007, Genome Res., 17,

19 ゲノムを比較し保存されている領域を見つけ遺伝子を予測 Dubchak and Frazer, 2003, Genome Biology, 4,122

20 遺伝子配列の収集 mrna から cdna を合成 cdna はベクターに組込み増殖させ保存 cdna ライブラリー我が国が世界的にも強い分野菅野純夫 ( 東大医科研 ) ヒト等林崎良英 ( 理研 ) マウス著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました Molecular Biology of the Cell - Fifth Edition Garland Science (2008) Figure 8-43 すべての mrna を見つけるのは困難

21 解読可能塩基数 / 日ゲノム解読の高速化 Roche 454FLX Illumina GAIIx ABI SOLiD 3 Titanium リード長 ( 塩基数 ) 75 x 2 = リード数 ( 億 )/ 実験 0.96~ 日 / 実験 (10 時間 ) 単位時間での塩基数塩基数 ( 億 )/ 日 15~ サンプル量 (µg) 0.1~1 0.01~ 5 3~5 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 ABI377 ABI3700 ABI 倍 / 年 Illumina GA ABI SOLiD Roche 454 FLX 454 GS 倍 / 年年ゲノムの再解読転写開始点クロマチン構造 DNA メチル化 RNA-Seq Illumina GA 大規模ゲノムの de novo 解読全長 cdna 解読選択的スプライシング Roche 分子計測の実現発生初期を観察ワトソンゲノムの再解読 (454: ~250 b) アジア人ゲノムの再解読 (Illumina: ~35 b) 変異, 挿入削除, 逆位等 DNA メチル化 (Roche 454: 100~250 b, Illumina: 36 b after target capture) RNA-Seq (Illumina: 25~35 b) 転写開始点の網羅 (Illumina/SOLiD: 25b) クロマチン構造 (Illumina/SOLiD: 25 b) ネアンデルタール人ゲノムの一部解読クロマチン構造 ( リード長 ~100 b) ヒト等の大規模脊椎動物ゲノムの de novo 解読全長 cdnaの解読 ( リード長 500~800 b 塩基 ) 遺伝子配列の一部を収集

22 解読可能塩基数 / 日次世代シークエンサーの性能向上に追いつくための計算機資源の並列化 1.E+10 1.E+09 1.E+08 1.E+07 ゲノム解読の高速化 Illumina GA ABI SOLiD Roche 454 FLX 454 GS20 10 倍の差ムーアの法則 1.6 倍 / 年ムーアの法則 CPU の性能 ( 集積回路上のトランジスタ数 ) は 1.5 年で 2 倍になるムーアの法則を凌駕する次世代シークエンサーの性能向上 4 年間で約 10 倍の差 ABI E+06 ABI 倍 / 年 ABI 倍 / 年 1.E+05 1.E 年約 10 倍の個数の CPU を並列化して処理速度の維持二次記憶装置へのアクセスが隘路並列アクセスによる解決 N メガバイト / 秒アクセスの並列化 K x N メガバイト / 秒

東大情報基盤センター HA8000 クラスタシステムノードプロセッサプロセッサ数 ( コア数 ) 4(16) 主記憶容量 147.

) キャッシュメモリプロセッサコア理論演算性能 AMD Opteron プロセッサ 8386(2.3GHz) L2:512 KB/ コア L3:2 MB/ プロセッサ 9.

23 東大情報基盤センター HA8000 クラスタシステムノードプロセッサプロセッサ数 ( コア数 ) 4(16) 主記憶容量 GFLOPS 32 GB(936 ノード ) 128 GB(16 ノード ) ローカルディスク容量 250 GB(RAID1 OS 領域を含む ) プロセッサ ( 周波数 ) キャッシュメモリプロセッサコア理論演算性能 AMD Opteron プロセッサ 8386(2.3GHz) L2:512 KB/ コア L3:2 MB/ プロセッサ 9.2 GFLOPS 国内最大 TOP 500 ( 世界ランキング ) 2008/11 27 位 2008/6 16 位出典東京大学情報基盤センター

24 Jun Wang ( )

25 クロマチン構造の網羅的把握著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました Jeremy M. Berg, 2006, Biochemistry 6th edition, W.H. Freeman & Co. Molecular Biology of the Cell - Fifth Edition Garland Science (2008) Figure 4-72

26 ヌクレオソームコアの位置はゲノム配列だけから予測できるか? Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Segal et al., Nature 442(7104):772-8, copyright (2006)

27 リンカー DNA をミクロコッカスヌクレアーゼ ( 消化酵素 ) で切断リンカー DNA ヌクレオソームのヒストンコア Nucleosome core は 160~200 塩基対ごとに存在ヒトゲノムの場合 1500~2000 万個の nucleosome core 2002 年約 2000 配列 / 日 (ABI 3730) 2007 年 ~1000 万配列 / 日 (Illumina GA) 手に届く範囲巻きついている部分だけを取り出す 11nm 高速シーケンサーで両端を解読

28 In a population of cells, positions of nucleosome cores are unlikely to be stable. Nucleosome dyad positioning score 著作権の都合によりここに挿入されていた画像を削除しました Representative Transcription Start Sites cell 1 cell 2 Molecular Biology of the Cell - Fifth Edition Garland Science (2008) cell 1 Figure 4-23 (part2of2) cell 2 cell 3 cell 3 cell 4 Not Positioned cell 4 Positioned

29 まとめゲノムサイズと染色体数は必ずしも生物を特徴づけているわけでないゲノムは多様に利用されている繰返し配列がゲノムの解読を困難にしているコンピュータ解析が不可欠遺伝子コード領域の推定には予測ゲノム比較 cdna 収集の 3 通りの方法が併用される近年のゲノム解読装置の能力は革命的に進歩しているクロマチン構造の把握が可能になってきた

ゲノムと進化森下真一東京大学大学院新域創成科学研究科情報生命科学専攻理学部生物情報科学科 : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります

ゲノムと進化森下真一東京大学大学院新域創成科学研究科情報生命科学専攻理学部生物情報科学科 : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要がありますゲノムと進化森下真一東京大学大学院新域創成科学研究科情報生命科学専攻理学部生物情報科学科 : このマークが付してある著作物は第三者が有する著作物ですので同著作物の再使用同著作物の二次的著作物の創作等については著作権者より直接使用許諾を得る必要があります様々な階層でおこる進化塩基の置換挿入削除ダーウィンの自然選択説木村の中立説領域の挿入削除トランスポゾン全ゲノム重複染色体の再編成