Dott.ssa Silvia Pellegrini
Laboratorio Microarray
Dipartimento di Patologia Sperimentale, Biotecnologie
Mediche, Infettivologia ed Epidemiologia
Tel. 050 2211251
e-mail: [email protected]
Le scienze della vita sono attualmente al centro
di una vera e propria rivoluzione
1953: modello di Watson e Crick
Progetto Genoma Umano
1990
2003
Genoma
L’insieme di tutte le molecole di DNA
presenti nel nucleo di ogni cellula
Nell’uomo: 44 cromosomi autosomici
2 cromosomi sessuali
Struttura del DNA
2
2
2
cromosoma
nucleo
cellula
Coppie di basi
istoni
Doppia
elica
gene della beta-globina umana
1
61
121
181
241
301
361
421
481
541
601
661
721
781
841
901
961
1021
1081
1141
1201
1261
1321
1381
1441
1501
1561
1621
1681
1741
1801
1861
1921
1981
2041
ccctgtggag
ccagggctgg
aactgtgttc
tctgccgtta
ggcaggttgg
ggagacagag
ttttcccacc
tggggatctg
gaaagtgctc
tgccacactg
gagtctatgg
taggaagggg
agtgtggaag
cttttgttta
atgccttaac
aaaaaacttt
catattcata
catatttatg
taattttgca
cttatttcta
tgcctctttg
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gctaatagca
ggattattct
tcccacagct
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ttcttgtaga
ttgttttagc
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tccactcctg
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attgtgtata
acacagtctg
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tgtcctcatg
ct
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Il contenuto di
informazioni del DNA
umano è dato
dall’alternanza di 4
lettere
A, G, T, C
Flusso delle informazioni genetiche
Il codice genetico
Alcuni dati sul genoma umano
3 miliardi di paia di basi
2% codificanti
Circa 20.000 geni diversi
Più di 10 milioni di variazioni
Non siamo tutti uguali…
Non esiste un’unica sequenza
del genoma umano, ma circa il 10%
dei 3 miliardi di paia di basi che
compongono il genoma umano
variano da individuo a individuo e
costituiscono dei polimorfismi genetici.
Polimorfismi genetici
Forme alleliche diverse di una stessa sequenza presenti in più
dell’1% degli individui di una popolazione
I. Single Nucleotide--SNPs
II. “indel” (inserzioni/delezioni)
G
TGACG
A
TG
Variable Number of Tandem Repeats
SNP
(Single Nucleotide Polymorphism)
Polimorfismi a singolo nucleotide
ovvero cambiamenti di una base
Una sequenza di DNA di 60 basi in 25
soggetti diversi
SNPs
• Variazioni di sequenza comuni
• Possono avere un significato funzionale
diretto
– Aumento dell’attività della proteina
– Diminuzione dell’attività della proteina
• Possono essere semplicemente associati
ad altre variazioni di sequenza con
significato funzionale
• Possono essere silenti
Variazioni di una base nella regione codificante di un gene portano
ad un’alterazione della sequenza aminoacidica della proteina
corrispondente con possibile cambiamento funzionale
Esempio di variazione di una sola base
di tipo causativo
anemia a cellule falciformi
Hb-A
Hb-S
GAA > GAG
Glu > Val
globuli rossi a falce
Molto più complicato è il caso delle
malattie multifattoriali causate
dall’alterazione di più geni che
agiscono in concomitanza con
numerosi fattori ambientali
In questo caso le alterazioni geniche
rappresentano fattori di suscettibilità,
ciascuno dei quali contribuisce in
una certa misura alla malattia, che si
manifesterà soltanto quando i fattori
di rischio nel loro insieme (geni e
ambiente) superano una data soglia
ApoE e malattia di Alzheimer
112
158
ApoE ε2 GACGTGTGCGGCCGC……CAGAAGTGCCTGGCA
ApoE ε3 GACGTGTGCGGCCGC……CAGAAGCGCCTGGCA
ApoE ε4 GACGTGCGCGGCCGC……CAGAAGCGCCTGGCA
ApoE ε2
Cys
Cys
ApoE ε3
Cys
Arg
ApoE ε4
Arg
Arg
Major depression episodes
(%)
35
“s” genotype
(n = 581)
35
30
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
n0= (184)
“l” genotype
(n = 264)
1
2
0
1
2
4+
(138) 3
(104)
(64)
n0 = (79)
(3) 3
(57)4+
(91)of individuals having different numbers (29)
Groups
of life events
(26)
I polimorfismi possono essere
responsabili di una diversa
suscettibilità alle malattie…
…come pure della variabilità
individuale nella risposta alla
terapia farmacologica
Farmacogenetica
Esamina le varianti genetiche che determinano la risposta ad un
farmaco e studia il modo in cui queste varianti possono essere
usate per prevedere il tipo di risposta
•Farmaco giusto
•dose giusta
•paziente gusto
Selezione sulla
base di fattori
predisponenti
alle malattie
Selezione sulla
base di fattori
responsabili di
una diversa
risposta al
trattamento
Terapia personalizzata
diagnosi precoce
A caccia di alleli di suscettibilità
T A TG A T T G CC G C T A G G
Studi di associazione casi-controlli
Popolazione senza malattia
Popolazione con malattia
SNP
A T TG C A T G C C A G T A G G
T A TG A T T G CC G C T A G G
Gene A
Malati
Controlli sani
Nessuna variante del gene
(verde o nera) è associata con la
malattia
Gene B
La variante rossa del gene è
associata con la malattia
Malati
Questo tipo di analisi può essere
fatto senza conoscere la funzione
del gene
Controlli sani
Selezione delle due popolazioni
• devono differire solo per il fenotipo di interesse
• devono essere il più omogenee possibile per tutti
gli altri aspetti (sesso, età, etnia…)
• non devono esserci stratificazioni all’interno
(= sottogruppi diversi)
• devono essere sufficientemente numerose
(la numerosità del campione per rilevare associazioni
statisticamente significative dipende dalla frequenza degli
SNP studiati)
Single SNP
analysis
Genotyping of candidate genes and SNPs
Whole genome
scans
L’utilizzo degli aplotipi può facilitare l’analisi
da Nature 426, 789-796 (2003)
HapMap project
http://www.hapmap.org
Il futuro:
l’intero assetto genetico su un chip grande come una carta di credito
La necessità di un approccio
informatico alla ricerca nel settore
biomedico deriva da questa recente
esplosione di informazioni biologiche
generate dalla comunità scientifica
BIOINFORMATICA
Disciplina situata all’interfaccia tra
informatica e scienze biologiche
(quali la biologia molecolare e la
genetica) che applica algoritmi
informatici per la risoluzione di
problemi biologici
Questa quantità enorme di informazioni
è conservata e resa disponibile per
l’intera comunità scientifica da tre
organismi principali
NCBI = National Center for Biotechnology Information
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
EMBL = European Molecular Biology Laboratory
http://www.embl-heidelberg.de
KEGG =Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes
http://www.genome.jp/kegg/

creano Database di pubblico accesso


diffondono informazioni biomediche
sviluppano software per l’analisi di dati