Introductie Genomics van Ziekte
Begrijpen van ziekte en gezondheid door gebruik te maken van advanced
experimental en computational methods.
OMICS technologieën zijn high-throughput wet-lab experimentele technologieën om moleculen
(DNA, mRNA, eiwitten, metabolieten, etc.) in een cel te meten.
‘High throughput’ technieken: heel veel samples en moleculen worden tegelijkertijd gemeten
OMICS = large scale measurements
Vakgebied: Bestudeerde Wat wordt er bepaald? Wat wordt er Gebruikte technieken:
moleculen: geproduceerd?
Genomics DNA Volgorde van nucleotides van Genome Nucleotidesequencing/
het volledige of deel van het microarrays
DNA
Transcriptomics mRNA (Relatieve) aantal mRNA- Transcriptome
moleculen van alle genen
Proteomics Eiwitten Hoeveelheden en Proteome Chromatografie/
variaties/modificaties van massaspectrometrie
veel eiwitten tegelijkertijd /Nuclear Magnetic
Metabolomics Metabolieten Kwantificatie en identificatie Metabolome Resonance (NMR)
van veel metabolieten
tegelijkertijd
Genomics = studie van (volledige) genomes (DNA sequenties)
Transcriptomics = studie van genexpressie (mRNA hoeveelheden)
Proteomics = studie van eiwitten (inhoud, expressie, etc.)
Metabolomics = studie van metabolieten (inhoud, concentraties, etc.)
(De naam ‘genomics’ wordt vaak gebruikt om te referenen naar al deze studies)
Genome = al het DNA in een cel > DNA-sequenties
Transcriptome = al het mRNA in een cel > mRNA soorten en expressie
Proteome = alle eiwitten in een cel > soorten en hoeveelheden
Metabolome = alle metabolieten in een cel > soorten en concentraties
Sequencing wordt veel gebruikt voor detectie van mutaties (SNP’s) en microarrays worden veel
gebruikt bij transcriptomics voor meten van genexpressie. Sequencing kan echter ook worden
,gebruikt voor meten van genexpressie (RNAseq) en microarrays kunnen ook gebruikt worden voor
detectie van SNP’s. Methodes zijn alleen wat anders.
Bv: met Illumina HiSeq sequencer kun je DNA sequencen en als je dat vergelijkt met referentie kun je
SNP’s detecteren (=dus sequencing voor detectie SNP’s). Met Illumina Infinium Assay kun je SNP’s
detecteren doordat ze hybridiseren met probes en er gelabelde nucleotides worden toegevoegd die
kunnen worden gemeten (=dus microarrays voor detectie SNP’s).
Toepassingen van omics:
- Identificeren van ziekteveroorzakende mutaties
- Opheldering van moleculaire pathways bij ziekten
- Diagnose van ziekten
Disease signature / biomarker = een groep genen, eiwitten, metabolieten etc. (of combinaties
daarvan) gemeten in bv een cel, een weefsel of bloed, waarvan het (gecombineerde) gemeten
patroon een uniek kenmerk is van een biologisch (sub)fenotype, medische conditie, behandeling,
diagnose of prognose.
Personalized mecidine = bepalen welke specifieke medicatie een patiënt moet krijgen door gebruik
te maken van biologische informatie en biomarkers van de patiënt op het niveau van moleculaire
ziektepathways, genetics, proteomics en metabolomics.
“Personalized medicine seeks to improve stratification (=patiënten indelen in groepen die
verschillende behandelingen moeten krijgen) and timing of preventive and therapeutic
measures by utilizing biological information and biomarkers on the level of molecular disease
pathways, genetics, proteomics as well as metabolomics.”
Bioinformatica = extractie van biologische kennis uit data, gebruik makend van kennis van biologie,
statistiek, computerwetenschap, e-Science, data interpretation, etc.
Bioinformaticus = (biomedisch) wetenschapper die computationele technieken gebruikt (itt wet-lab
technieken) om biologie te bestuderen.
Systems biology = discipline die door middel van wet-lab experimenten, bioinformatica en
mathematisch modelleren biologische systemen probeert te begrijpen / wetenschap die
experimentele informatie over het samenspel van componenten in een biologisch systeem
samenbrengt in kwantitatieve mathematische modellen, waarmee het gedrag van zulke systemen
kan worden voorspelt.
Systems medicine = uitvoeren van systems biology methodes/benaderingen in medische concepten,
research en practice (bv over pathogene mechanismen, ziekteprogressie en –remissie,
ziekteverspreiding en genezing, reacties op behandelingen en bijwerkingen).
e-Science = enhanced science = multidisciplinair en data- en computerintensief onderzoek door
creatief en innovatief gebruik van ICT > samenwerking belangrijk
Informatiemanagement > gaat over opzetten van databases, organisatie van data, beschrijving van
data en integratie van data.
, GENOMICS
Next generation sequencing (NGS)
DNA/RNA sequencing = bepalen van volgorde van de precieze nucleotidevolgorde in
nucleotidesequenties (DNA of RNA)
Toepassingen:
- Full genome = nucleotidesequentie van al het DNA
- Variant detectie > single nucleotide polymorphisms (SNP’s), insertie/deletie (indel), etc. >
exome sequencing
- Structurele variatie > copy number variation (>gedupliceerde stukken chromosoom)
- Splice variant detectie
- RNA-seq > genexpressie
- Chip-seq > interactie tussen eiwitten en DNA
- Bisulfite sequencing > DNA methylatie
- Metagenomics
Sequence procedure:
DNA/RNA isoleren uit weefsel > fragmenteren mbv restrictie-enzymen > amplificeren (door
klonering bij Sanger en door ePCR bij NGS) > extensie van sequentie met dNTP’s, polymerase en
primers > bepalen nucleotidevolgorde (op verschillende manier bij Sanger sequencing en NGS)
Sanger sequencing:
- Gelabelde dideoxynucleotides (ddNTP’s) > random chain termination > DNA-
fragmenten van verschillende lengtes die eindigen met ddATP, ddGTP, ddCTP
of ddTTP > elektroforese van single strand om op lengte te sorteren >
sequentie aflezen
- Vroeger radioactieve labeling, waardoor reactie 4x apart moest (>
autoradiogrammen, links). Later labeling met fluordyes, waardoor reacties met
4 ddNTP’s tegelijkertijd kon (midden). Er zijn ook machines die van de de
fluorescentie elektropherogrammen kunnen maken (rechts).
- Kan DNA-fragmenten produceren van 700-900 bp, maar het is langzaam
Next generation sequencing (NGS) = high-throughput sequencing = massively parallel sequencing
(MPS):
- Nucleotide kan worden bepaald terwijl hij wordt ingebouwd
- Voorbeeld van NGS is sequencing by ligation:
Nodig: adaptors, P1-coupled beads, templates, primers, polymerase, nucleotiden
Specifieke P1 en P2 adaptor-oligonucleotides worden aan beide uiteindes van de
DNA-fragmenten geligeerd + primer erop
Begrijpen van ziekte en gezondheid door gebruik te maken van advanced
experimental en computational methods.
OMICS technologieën zijn high-throughput wet-lab experimentele technologieën om moleculen
(DNA, mRNA, eiwitten, metabolieten, etc.) in een cel te meten.
‘High throughput’ technieken: heel veel samples en moleculen worden tegelijkertijd gemeten
OMICS = large scale measurements
Vakgebied: Bestudeerde Wat wordt er bepaald? Wat wordt er Gebruikte technieken:
moleculen: geproduceerd?
Genomics DNA Volgorde van nucleotides van Genome Nucleotidesequencing/
het volledige of deel van het microarrays
DNA
Transcriptomics mRNA (Relatieve) aantal mRNA- Transcriptome
moleculen van alle genen
Proteomics Eiwitten Hoeveelheden en Proteome Chromatografie/
variaties/modificaties van massaspectrometrie
veel eiwitten tegelijkertijd /Nuclear Magnetic
Metabolomics Metabolieten Kwantificatie en identificatie Metabolome Resonance (NMR)
van veel metabolieten
tegelijkertijd
Genomics = studie van (volledige) genomes (DNA sequenties)
Transcriptomics = studie van genexpressie (mRNA hoeveelheden)
Proteomics = studie van eiwitten (inhoud, expressie, etc.)
Metabolomics = studie van metabolieten (inhoud, concentraties, etc.)
(De naam ‘genomics’ wordt vaak gebruikt om te referenen naar al deze studies)
Genome = al het DNA in een cel > DNA-sequenties
Transcriptome = al het mRNA in een cel > mRNA soorten en expressie
Proteome = alle eiwitten in een cel > soorten en hoeveelheden
Metabolome = alle metabolieten in een cel > soorten en concentraties
Sequencing wordt veel gebruikt voor detectie van mutaties (SNP’s) en microarrays worden veel
gebruikt bij transcriptomics voor meten van genexpressie. Sequencing kan echter ook worden
,gebruikt voor meten van genexpressie (RNAseq) en microarrays kunnen ook gebruikt worden voor
detectie van SNP’s. Methodes zijn alleen wat anders.
Bv: met Illumina HiSeq sequencer kun je DNA sequencen en als je dat vergelijkt met referentie kun je
SNP’s detecteren (=dus sequencing voor detectie SNP’s). Met Illumina Infinium Assay kun je SNP’s
detecteren doordat ze hybridiseren met probes en er gelabelde nucleotides worden toegevoegd die
kunnen worden gemeten (=dus microarrays voor detectie SNP’s).
Toepassingen van omics:
- Identificeren van ziekteveroorzakende mutaties
- Opheldering van moleculaire pathways bij ziekten
- Diagnose van ziekten
Disease signature / biomarker = een groep genen, eiwitten, metabolieten etc. (of combinaties
daarvan) gemeten in bv een cel, een weefsel of bloed, waarvan het (gecombineerde) gemeten
patroon een uniek kenmerk is van een biologisch (sub)fenotype, medische conditie, behandeling,
diagnose of prognose.
Personalized mecidine = bepalen welke specifieke medicatie een patiënt moet krijgen door gebruik
te maken van biologische informatie en biomarkers van de patiënt op het niveau van moleculaire
ziektepathways, genetics, proteomics en metabolomics.
“Personalized medicine seeks to improve stratification (=patiënten indelen in groepen die
verschillende behandelingen moeten krijgen) and timing of preventive and therapeutic
measures by utilizing biological information and biomarkers on the level of molecular disease
pathways, genetics, proteomics as well as metabolomics.”
Bioinformatica = extractie van biologische kennis uit data, gebruik makend van kennis van biologie,
statistiek, computerwetenschap, e-Science, data interpretation, etc.
Bioinformaticus = (biomedisch) wetenschapper die computationele technieken gebruikt (itt wet-lab
technieken) om biologie te bestuderen.
Systems biology = discipline die door middel van wet-lab experimenten, bioinformatica en
mathematisch modelleren biologische systemen probeert te begrijpen / wetenschap die
experimentele informatie over het samenspel van componenten in een biologisch systeem
samenbrengt in kwantitatieve mathematische modellen, waarmee het gedrag van zulke systemen
kan worden voorspelt.
Systems medicine = uitvoeren van systems biology methodes/benaderingen in medische concepten,
research en practice (bv over pathogene mechanismen, ziekteprogressie en –remissie,
ziekteverspreiding en genezing, reacties op behandelingen en bijwerkingen).
e-Science = enhanced science = multidisciplinair en data- en computerintensief onderzoek door
creatief en innovatief gebruik van ICT > samenwerking belangrijk
Informatiemanagement > gaat over opzetten van databases, organisatie van data, beschrijving van
data en integratie van data.
, GENOMICS
Next generation sequencing (NGS)
DNA/RNA sequencing = bepalen van volgorde van de precieze nucleotidevolgorde in
nucleotidesequenties (DNA of RNA)
Toepassingen:
- Full genome = nucleotidesequentie van al het DNA
- Variant detectie > single nucleotide polymorphisms (SNP’s), insertie/deletie (indel), etc. >
exome sequencing
- Structurele variatie > copy number variation (>gedupliceerde stukken chromosoom)
- Splice variant detectie
- RNA-seq > genexpressie
- Chip-seq > interactie tussen eiwitten en DNA
- Bisulfite sequencing > DNA methylatie
- Metagenomics
Sequence procedure:
DNA/RNA isoleren uit weefsel > fragmenteren mbv restrictie-enzymen > amplificeren (door
klonering bij Sanger en door ePCR bij NGS) > extensie van sequentie met dNTP’s, polymerase en
primers > bepalen nucleotidevolgorde (op verschillende manier bij Sanger sequencing en NGS)
Sanger sequencing:
- Gelabelde dideoxynucleotides (ddNTP’s) > random chain termination > DNA-
fragmenten van verschillende lengtes die eindigen met ddATP, ddGTP, ddCTP
of ddTTP > elektroforese van single strand om op lengte te sorteren >
sequentie aflezen
- Vroeger radioactieve labeling, waardoor reactie 4x apart moest (>
autoradiogrammen, links). Later labeling met fluordyes, waardoor reacties met
4 ddNTP’s tegelijkertijd kon (midden). Er zijn ook machines die van de de
fluorescentie elektropherogrammen kunnen maken (rechts).
- Kan DNA-fragmenten produceren van 700-900 bp, maar het is langzaam
Next generation sequencing (NGS) = high-throughput sequencing = massively parallel sequencing
(MPS):
- Nucleotide kan worden bepaald terwijl hij wordt ingebouwd
- Voorbeeld van NGS is sequencing by ligation:
Nodig: adaptors, P1-coupled beads, templates, primers, polymerase, nucleotiden
Specifieke P1 en P2 adaptor-oligonucleotides worden aan beide uiteindes van de
DNA-fragmenten geligeerd + primer erop
