Lezione III-IV
giovedì 13-X-2011
corso di genomica
laurea magistrale Biotecnologia
Industriale
aula 8
orario : Martedì ore 14.00 - 16.00
Giovedì ore 13.00 - 15.00
non ci sarà lezione martedì 1 e giovedì 3 Novembre
D. Frezza
Piccolo riepilogo
Come si è arrivati alla genomica
Convergenza dalla genetica mendeliana, citogenetica
(teoria cromosomica), genetica di popolazione
(variabilità), evoluzione
I genomi si possono studiare dalle sequenze
modi e maniere dipendono dalle domande e dalle
tecniche con cui si trovano i dati per le risposte:
Sequenziamento,
Gestione banche dati,
Nuove tecniche di sequenziamento
Nuovi software per i confronti ed uso delle banche
Perché c’entra l’evoluzione? Polimorfismi e mutazioni
eredità conservazione e variabilità
geologia ed evoluzione
mondo vivente iniziale c’è stato un ancestrale comune ?
Curiosità di sapere se gli inizi sono un mondo ad RNA
evidenze molto interessanti, più solide dell’ipotesi del
mondo col brodo primordiale di amminoacidi ?
Perché si parla di evoluzione? L’Idea di fare confronti era
già comune nei geologi a partire da scienziati come Niels
Stensen ribattezzatosi “Niccolò Stenone” (1638-1686
Danese vissuto a lungo a Firenze, medico di casa Medici)
trasformazione (evoluzione)
Nel significato di evoluzione potrebbe esserci un
contenuto di valore presente nella parola evoluzione che
va eliminato, non è un giudizio
è sbagliato giudicare se il mondo vivente ancestrale fosse
migliore o peggiore
lana caprina, evoluzione non ha un contenuto finalistico
è solo un dato storico sul cambiamento
forse è su questo che è stato tirato per i capelli Lamark dai
finalisti contro i neutralisti che poi ha preso anche un altro
significato
concetto evolutivo
trasformazione, cambiamento,
evoluzione è una parola che esisteva da prima delle
teorie della evoluzione biologica
Uso di parole e concetti già esistenti,
Riferimenti umani ed esempi :
i modi di costruzione rispondono ad esigenze diverse
dalla capanna
al cemento armato
(si tratta di trasformazione o evoluzione? Mica si sta
male nelle capanne? C’è chi paga fior di soldi per un
bungalow sull’altipiano africano)
evoluzione biologica
concatenamento di esigenze e fenomeni
ambientali esterne/interne
ottimizzazione ?
non obbligatoriamente (molto raramente le variazioni
portano miglioramento diretto, di solito peggioramento,
difficile calcolarle tutte)
meccanismi della trasformazione
semplificazioni e complicazioni
base delle trasformazioni: interazioni
comunque la vediate ogni cambiamento interno o esterno
provoca una interazione diversa del soggetto con
“l’ambiente” (stimoli)
come è possibile conservare
e cambiare
Darwin-Lamark (?)
Buffon, Wallace
ci interessa davvero?
non c’è contraddizione
il punto è liberarsi dal finalismo
genoma
citoplasma
complessità e variabilità
se la mi nonna avesse le rote .......
complessità confusa
per finalismo !
QuickTime™ e un
decompressore TIFF (Non compresso)
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
informazione e variazione
l’informazione genetica deve essere invariabile
per la conservazione della specie
a chi interessa la conservazione di una specie? a se stessa
e a quella simbiontica se c’è (sarà vero? forse no perché ?)
ci deve essere elasticità per permettere l’interazione con
l’ambiente
esistono dei limiti alla capacità di rispondere all’interazione
in biologia i fenomeni permettono elasticità e recupero
Esigenze possibili? : Informazione costante ma variabile,
è un ossimoro?
informazione bidirezionale
di necessità
virtù
genoma
citoplasma
ambiente
l’evoluzione ci può servire?
Ci può spiegare qualcosa:
come sono variabili e cambiati i genomi!
Se le cose cambiano, in quale modo? ci saranno delle
regole? le riusciamo a capire?
Perché ci interessa vedere le differenze ?
Provate un po’ a pensarci! :
inferenze storiche
L’evoluzione come si può studiare:
deduzioni storiche descrittive non sperimentali
si possono eventualmente anche trovare le cause ma
non si può sapere cosa cambierebbe o sarebbe
cambiato con altre variabili
non si deve confondere causalità con finalismo
Si osserva la variazione che c’è stata come effetto di una
causa, ma non dipende direttamente dalla selezione
variazione e selezione sono fenomeni indipendenti
si tratta di causalità e non casualità (evocata per il n. alto di
variabili difficili da individuare)
cosa dobbiamo sapere
abbiamo delle verità:
i genomi sono concatenati = struttura unica enciclopedica
dobbiamo trovare la logica corretta che li descriva
la casualità* provoca il cambiamento (mutazioni)
la causalità provoca la selezione
*casuale solo per mancanza di informazione nostra
la casualità* provoca il cambiamento-mutazioni ?
le mutazioni sono casuali ? Può dipendere dalla
esposizione del genoma e dalle protezioni / riparo
È la selezione che fa la differenza ? (Malthus:struggle for life)
da cosa si può vedere ?
ce lo dicono i confronti tra genomi?
micro e macro evoluzione
conservazione e variazione
disomogeneità delle strutture genomiche
Analisi più facili ed immediate sui genomi:
mutazioni puntiformi o polimorfismi di ripetizioni
Analisi della variabilità
Analisi della variabilità genetica
approcci diversi per studiare il genoma/
cosa si studia con la genomica
bioinformatica
biotec
i vari livelli dell’informazione del
genoma: approcci di studio
informazione dinamica bidirezionale
tempi diversi di espressione (regolazione, sviluppo)
tempi evolutivi ≠ dai tempi di funzionamento
studio del presente e studio del passato
confronti tra genomi diversi intraspecie (polimorfismi)
confronti tra genomi diversi interspecie (evoluzione =
mutazioni, cambiamenti, adattamenti)
La variabilità genetica (V.G.)
1.
2.
3.
4.
5.
V.G. somatica
V.G. gametica intraindividuo
V.G. gametica intrapopolazione (polimorfismo)
V.G. gametica interpopolazione
V.G. interspecie (filogenetica)
V.G. INTRASPECIE
V.G. INTERSPECIE
La variabilità genetica a livello molecolare
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Singole sost. nucleotidiche
Piccole inserzioni/delezioni
Microsatelliti
Minisatelliti
Altri VNTR
Inserzioni di elementi retrotrasponibili
Varianti strutturali microscopiche e submicroscopiche
Generalmente non
Variabilità nel numero di cromosomi
polimorfici
Variabilità nel numero di ploidia
(frequenza < 0.01%)
La variabilità genetica a livello molecolare
Dove si trovano le mutazioni?
Alcune mutazioni sono distribuite in
modo *casuale nei cromosomi,
altre presentano una distribuzione
non omogenea
*casuale per assenza di
informazioni sufficienti
la variabilità genetica a livello molecolare
Tasso di mutazione
I differenti tipi di mutazione
differiscono circa il loro tasso di
mutazione per diversi ordini di
grandezza
La variabilità genetica a livello molecolare
1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)
E’ la forma di variazione del DNA più comune.
•
Confrontando due cromosomi umani omologhi, si
osserverà una SNS ogni mille basi
•
Confrontando una popolazione di cromosomi omologhi,
si osserverà uno SNP ogni 200 basi.
•
Le SNS sono 10 volte più frequenti delle ins/del
•
Le transizioni sono 2 volte più frequenti delle
transversioni
•
Il tasso di mutaz. più elevato si osserva per i
dinucleotidi CpG
•
Il DNA mitocondriale è caratterizzato da un elevato
tasso di mutazione (10 volte più elevato del DNA
nucleare)
I polimorfismi per SNS sono
di norma biallelici e sono
stabili da un punto di vista
evolutivo (UEPs, unique
events polymorphisms)
La variabilità genetica a livello molecolare
1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)
Il dinucleotide CpG è un hotspot di mutazione
La variabilità genetica a livello molecolare
Le conseguenze delle mutazioni puntiformi sono molteplici
La maggior
parte delle SNS
è neutra, ma in
alcuni casi si
producono
effetti
sull’espressione
dei geni
La variabilità genetica a livello molecolare
2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
I microsatelliti sono una classe di
DNA ripetuto in tandem (VNTR,
variable number of tandem
repeats) caratterizzato da un
piccolo numero di ripetizioni corte
in tandem.
Sono comuni nel DNA nucleare di
tutti gli eucarioti fino ad ora
esaminati
Nei primati rappresentano circa
1% del genoma
La variabilità genetica a livello molecolare
2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
perfetti
interrotti
composti
I microsatelliti possono essere perfetti, interrotti o composti e vengono ulteriormente
classificati in base alla lunghezza del motivo ripetuto (dinucleotide repeats,
trinucleotide repeats ecc..)
La variabilità genetica a livello molecolare
2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
• Il polimorfismo nei microsatelliti consiste nel diverso numero di copie del
motivo semplice
• il numero degli alleli è generalmente compreso tra 2 e 20
• il grado di variabilità dei microsatelliti è correlato positivamente con il
numero di ripetizioni; microsatelliti corti sono in genere monomorfici
• A causa dell’elevato tasso di mutazione, gli alleli dei microsatelliti uguali in
stato spesso non lo sono per discendenza (non UEPs unique events
polymorphisms)
• microsatelliti interrotti in genere mostrano un grado minore di variabilità di
microsatelliti perfetti di pari lunghezza
• La mutazione nei microsatelliti generalmente non ha effetti fenotipici, ma
in alcuni casi è causa di importanti malattie, in gran parte neurodegenerative
La variabilità genetica a livello molecolare
2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
L’elevato tasso di mutazione nei microsatelliti è dovuto a
scivolamento della polimerasi in replicazione
•Tasso di mutazione molto elevato
•La mutazione avviene generalmente per
aumento o diminuzione di una singola
unità ripetitiva
•Mutazioni per aumento più frequenti di
mutazioni per diminuzione
•Il tasso di mutazione per ciascun
microsatellite è correlato con la lunghezza
dell’allele
genoma: informazione dinamica ma come
struttura e funzione (la trascrizione è una delle tante
funzioni)
anatomia e fisiologia
la genomica analizza la struttura per vedere la funzione.
non si può capire una senza l’altra.
la struttura dinamica lo rende capace di interagire con
l’ambiente
ambiente per il genoma comincia dalla struttura della
cromatina, nucleo, citoplasma, matrice extracellulare.........
polarismi scoperta con i sequenziamenti
procarioti ed eucarioti : variazione e conservazione
mettiamo insieme queste due evenienze formamlmente in
opposizione.
abbiamo visto che esiste una polarità
una discrepanza logica che appare spesso in natura,
la polarità è compatibile senza dover eliminare una delle due
forme polari ?
come possiamo rendere compatibile una contrapposizione
così forte?
la risposta la sapete già: è possibile
i meccanismi che rendono possibile abbiamo detto che
giocano sulla variabile tempo
gestire il polarismo
salviamo il polarismo utilizzando questa contraddizione,
possono coesistere entrambe: variabilità e conservazione
il primo nei tempi lunghi, il secondo nel tempo breve
Abbiamo già detto: era implicita in Mendel la conservazione
era implicita in Darwin la variabilità delle specie una verso
l’altra
quando è stata scoperta la mutagenesi si è aperta una
nuova finestra per interpretare questi due fenomeni