Course Overview 02-223 Personalized Medicine: Understanding - - PowerPoint PPT Presentation

Course ¡Overview ¡

02-­‑223 ¡Personalized ¡Medicine: ¡ Understanding ¡Your ¡Own ¡Genome ¡ Fall ¡2014 ¡

Overview ¡

• Course ¡website: ¡hCp://www.cs.cmu.edu/~sssykim/teaching/

f14/f14.html ¡

• All ¡lab ¡reports ¡and ¡term ¡paper ¡should ¡be ¡submiCed ¡to ¡

blackboard ¡by ¡midnight ¡on ¡the ¡due ¡date ¡

• There ¡is ¡no ¡pre-­‑requisite ¡for ¡this ¡course ¡

Overview ¡

• Lab ¡reports ¡

– We ¡do ¡not ¡require ¡you ¡to ¡be ¡able ¡to ¡program. ¡However, ¡we ¡will ¡use ¡Matlab ¡to ¡ perform ¡simple ¡analyses ¡of ¡genome ¡data ¡ – We ¡will ¡not ¡do ¡an ¡extensive ¡Matlab ¡programming, ¡but ¡use ¡simple ¡operaTons/ rouTnes ¡available ¡in ¡Matlab ¡ ¡ ¡ – CMU ¡students ¡can ¡download ¡Matlab ¡from ¡the ¡following ¡CMU ¡soUware ¡website ¡for ¡ free ¡

• hCps://www.cmu.edu/compuTng/soUware/all/ ¡
• Term ¡paper ¡ ¡

– Team ¡of ¡up ¡to ¡two ¡students ¡can ¡work ¡together ¡for ¡a ¡report ¡

• Late ¡submission ¡policy ¡

– 80% ¡for ¡one ¡day ¡late, ¡50% ¡for ¡two ¡day ¡late, ¡0 ¡aUerwards ¡

Genomes ¡

• Genomes ¡as ¡DNA ¡sequence: ¡a ¡sequence ¡of ¡A, ¡T, ¡C, ¡G’s ¡
• Human ¡Genome ¡

– 23 ¡pairs ¡of ¡chromosomes ¡

• 22 ¡pairs ¡of ¡autosomes ¡
• One ¡pair ¡of ¡sex ¡chromosomes ¡

– Males: ¡X ¡and ¡Y ¡chromosomes ¡ – Females: ¡two ¡X ¡chromosomes ¡

Cost ¡of ¡Genome ¡Sequencing ¡

Science 331:666-668, 2011

2001: ¡Human ¡Genome ¡ Sequencing ¡Project ¡ 2011: ¡1000 ¡Genome ¡Project ¡

T ¡ T ¡ T ¡ T ¡ A ¡ A ¡ A ¡ T ¡ A ¡ C ¡

Gene?c ¡Variants, ¡Gene?c ¡Polymorphisms ¡ ¡ ¡

Single ¡Nucleo?de ¡Polymorphisms ¡(SNPs) ¡ ¡ ¡

Polymorphism rate: number of letter changes between two different members of a species Humans: ~1/1,000

Disease-related Genetic Variants

Healt Healthy hy Cancer ancer

A C T C G T A C G T A G A C C T A G C A T T A C G C A A T A A T G C G A ¡ A C T C G A A C C T A G A C C T A G C A T T A C G C A A T A A T G C G A ¡ T C T C G T A C G T A G A C G T A G C A T T A C G C A A T T A T C C G A ¡ A C T C G A A C C T A G A C C T A G C A T T A C G C A A T T A T C C G A ¡ A C T C G T A C G T A G A C G T A G C AT A A C G C A AT A AT G C G A ¡ T C T C G T A C C T A G A C G T A G C A T A A C G C A A T A A T C C G A ¡ A C T C G A A C C T A G A C C T A G C A T A A C G C A A T T A T C C G A ¡

Gene?c ¡variants ¡ Disease ¡causing ¡ gene?c ¡variants ¡

Healt Healthy hy Dia iabet betic ic

A C T C G TA C G TA G A C C TA G C AT TA C G C A ATA AT G C G A ¡ A C T C G A A C C TA G A C C TA G C AT TA C G C A ATA AT G C G A ¡ T C T C G TA C G TA G A C G TA G C AT TA C G C A AT TAT C C G A ¡ A C T C G A A C C TA G A C C TA G C AT TA C G C A AT TAT C C G A ¡ A C T C G TA C G TA G A C G TA G C ATA A C G C A ATA AT G C G A ¡ T C T C G TA C C TA G A C G TA G C ATA A C G C A ATA AT C C G A ¡ A C T C G A A C C TA G A C C TA G C ATA A C G C A AT TAT C C G A ¡

Disease ¡causing ¡ gene?c ¡variants ¡

Biological ¡ mechanism ¡

Disease-related Genetic Variants

Gene?c ¡Variants ¡for ¡ Lung ¡Cancer ¡

• Lung ¡cancer, ¡all ¡types ¡
• Adenocarcinoma ¡
• Squamous ¡cell ¡carcinoma ¡

Gene?c ¡Variant ¡for ¡Blond ¡Hair ¡Color ¡

Regulatory ¡region ¡of ¡KITLG ¡controls ¡hair ¡pigmentaTon ¡of ¡human ¡and ¡mice ¡ Kingsley ¡et ¡al. ¡Nature ¡GeneTcs, ¡2014 ¡

Gene?c ¡Variant ¡for ¡Blond ¡Hair ¡Color ¡

G ¡allele ¡(associated ¡with ¡blond ¡hair) ¡is ¡more ¡prevalent ¡in ¡Europe ¡

Frequency ¡of ¡A ¡and ¡G ¡alleles ¡in ¡different ¡parts ¡of ¡the ¡world ¡

Gene?c ¡Variant ¡for ¡Blond ¡Hair ¡Color ¡

MutaTons ¡in ¡the ¡corresponding ¡(orthologous) ¡mouse ¡genome ¡region ¡ results ¡in ¡light ¡coat ¡color ¡

A ¡LiMle ¡Bit ¡of ¡History ¡

• 2001: ¡The ¡first ¡draU ¡of ¡a ¡human ¡genome ¡sequence ¡became ¡

available ¡

• 2001: ¡The ¡InternaTonal ¡SNP ¡Map ¡Working ¡Group ¡publishes ¡a ¡SNP ¡

Map ¡of ¡1.42 ¡million ¡SNPs ¡that ¡contained ¡all ¡SNPs ¡idenTfied ¡so ¡far ¡

A ¡LiMle ¡Bit ¡of ¡History ¡

• 2005: ¡HapMap ¡Phase ¡I ¡

– Genotype ¡at ¡least ¡one ¡single-­‑nucleoTde ¡polymorphisms ¡(SNPs) ¡every ¡ 5kb ¡across ¡270 ¡individuals ¡ – Geographic ¡diversity ¡

• 30 ¡trios ¡(mother, ¡father, ¡child) ¡from ¡Yoruba ¡in ¡Ibadan, ¡Nigeria ¡(YRI) ¡
• 30 ¡trios ¡of ¡European ¡ancestry ¡living ¡in ¡Utah ¡(CEPH) ¡
• 45 ¡unrelated ¡Han ¡Chinese ¡in ¡Beijing ¡(CHB) ¡
• 45 ¡unrelated ¡Japanese ¡(JPT) ¡

– 1.3 ¡million ¡SNPs ¡

Hapmap.org ¡

A ¡LiMle ¡Bit ¡of ¡History ¡

• 2007: ¡HapMap ¡Phase ¡II ¡

– Genotype ¡addiTonal ¡2.1 ¡million ¡SNPs ¡ – EsTmated ¡to ¡contain ¡25-­‑35% ¡of ¡all ¡9-­‑10 ¡million ¡common ¡SNPs ¡in ¡ human ¡genome. ¡

• 2010 ¡: ¡1000 ¡Genome ¡Pilot ¡Project ¡

– A ¡more ¡complete ¡characterizaTon ¡of ¡human ¡geneTc ¡variaTons ¡ ¡

GENETIC ¡TESTING ¡AND ¡POLICY ¡ ISSUES ¡

www.23andme.com ¡

www.23andme.com ¡ Gene?c ¡risk ¡for ¡developing ¡diseases: ¡

• ¡Do ¡I ¡have ¡the ¡BRCA ¡mutaTon ¡that ¡is ¡known ¡to ¡increase ¡

breast ¡cancer ¡suscepTbility? ¡

• ¡How ¡likely ¡is ¡it ¡that ¡I ¡will ¡develop ¡type ¡2 ¡diabetes? ¡
• ¡How ¡is ¡my ¡body ¡going ¡to ¡respond ¡to ¡a ¡parTcular ¡drug? ¡
• ¡What ¡is ¡the ¡appropriate ¡prevenTon ¡strategy ¡for ¡me? ¡ ¡

www.23andme.com ¡

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• ¡I ¡am ¡Asian. ¡Do ¡I ¡have ¡African ¡or ¡Caucasian ¡ancestors? ¡If ¡

so, ¡to ¡what ¡extent? ¡

• ¡To ¡what ¡extent ¡were ¡Neanderthals ¡my ¡ancestors? ¡

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• ParTcipate ¡in ¡studies ¡of ¡condiTons ¡and ¡traits ¡you ¡care ¡

about ¡ ¡

• ¡Join ¡research ¡communiTes ¡for ¡
• ¡Parkinson’s ¡disease ¡
• ¡Sarcoma ¡
• ¡MyeloproliferaTve ¡Neoplasma ¡ ¡

23andMe: ¡Policy/Legal ¡Issues ¡

• Does ¡the ¡test ¡provide ¡scienTfic ¡informaTon ¡or ¡medical ¡

informaTon? ¡

• Direct-­‑to-­‑consumer ¡model: ¡geneTc ¡test ¡results ¡are ¡available ¡

directly ¡to ¡consumers ¡without ¡going ¡through ¡medical ¡ professionals ¡

Policy/Legal ¡Issues ¡

• Health-­‑related ¡geneTc ¡tests ¡were ¡suspended ¡by ¡FDA, ¡beginning ¡

November ¡2013 ¡ ¡ hCp://www.forbes.com/sites/maChewherper/ 2013/12/05/23andme-­‑stops-­‑offering-­‑geneTc-­‑tests-­‑related-­‑to-­‑ health/ ¡

• Only ¡genome-­‑based ¡ancestry ¡service ¡is ¡provided ¡now ¡ ¡
• 23andMe ¡is ¡working ¡with ¡FDA ¡for ¡a ¡resoluTon ¡

– hCp://blog.23andme.com/news/an-­‑fda-­‑update-­‑for-­‑23andme-­‑customers ¡ – hCp://www.forbes.com/sites/roberthof/2014/06/20/seven-­‑months-­‑aUer-­‑ fda-­‑slapdown-­‑23andme-­‑returns-­‑with-­‑new-­‑health-­‑report-­‑submission/ ¡

GENETICS ¡AND ¡STATISTICS ¡

How ¡to ¡Analyze ¡Your ¡Own ¡Genome ¡

• Genotype/sequence ¡your ¡genome ¡ ¡
• Annotate ¡your ¡own ¡genome ¡

– By ¡comparing ¡your ¡genome ¡with ¡the ¡reference ¡genome ¡ – By ¡comparing ¡your ¡genome ¡with ¡the ¡genomes ¡of ¡the ¡rest ¡of ¡the ¡ populaTon ¡ ¡

• Sta?s?cs! ¡

Gene?cs ¡and ¡Sta?s?cs ¡

• PopulaTon ¡geneTcs ¡

– Study ¡of ¡genome ¡data ¡ collected ¡for ¡a ¡large ¡number ¡

• f ¡individuals ¡

– StaTsTcs ¡for ¡geneTcs ¡

• PopulaTon ¡geneTcs ¡before ¡

genome ¡sequencing? ¡

R.A. ¡Fisher ¡(1890-­‑1962): ¡geneTcist ¡ & ¡staTsTcian ¡

James ¡Watson’s ¡and ¡J. ¡Craig ¡Venter’s ¡Genome ¡ ¡

(Nature, ¡2008, ¡PLoS ¡Biology, ¡2007) ¡

• Demonstrates ¡the ¡full ¡genome ¡sequencing ¡for ¡individualized ¡

genomics ¡

• The ¡two ¡genomes ¡were ¡made ¡available ¡to ¡the ¡public ¡despite ¡

the ¡risk ¡of ¡divulging ¡personal ¡details ¡

– Ethical ¡concerns! ¡

What ¡You ¡Should ¡Know ¡

• GeneTc ¡variants: ¡single ¡nucleoTde ¡polymorphisms ¡
• What ¡can ¡you ¡learn ¡from ¡geneTc ¡variants? ¡

– Your ¡disease ¡risk ¡ – Your ¡ancestry ¡

• Ethical/legal ¡concerns ¡regarding ¡genome ¡informaTon ¡