Le malattie genetiche. Dalle malattie monogeniche ai fenotipi complessi.
Metodi di Analisi degli acidi nucleici estrazione di DNA – RNA sonde molecolari e ibridazione PCR, RT-PCR, Real Time PCRdisegno di primers per PCR utilizzando software disponibili online.
Metodi per l’identificazione di mutazioni genicheAnalisi specifica di mutazioni noteRicerca aspecifica di mutazioni
Metodi High Throughput per l’analisi del Genoma, del Trascrittoma, del Proteoma, dell’Interattoma.
Testi – Fonti bibliografiche
Strachan e ReadGenetica umana molecolareUtet
“La scoperta della doppia elica mezzoLa scoperta della doppia elica mezzoLa scoperta della doppia elica mezzoLa scoperta della doppia elica mezzo
secolo fa ha coinvolto la praticasecolo fa ha coinvolto la praticasecolo fa ha coinvolto la praticasecolo fa ha coinvolto la pratica
medica con lentezza, ma sono probabilimedica con lentezza, ma sono probabilimedica con lentezza, ma sono probabilimedica con lentezza, ma sono probabili
trasformazioni significative neitrasformazioni significative neitrasformazioni significative neitrasformazioni significative nei
prossimi 50 anni.prossimi 50 anni.prossimi 50 anni.prossimi 50 anni.
Bisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e laBisogna cambiare la pratica medica e la
formazione dei medici per poterformazione dei medici per poterformazione dei medici per poterformazione dei medici per poter
realizzare i potenziali benefici”realizzare i potenziali benefici”realizzare i potenziali benefici”realizzare i potenziali benefici”
Bell, Nature 421: 414, 2003
Tratta da “lezioni di genetica” Prof. PF Pignatti
• GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGGAGCTGAGGAGCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGGTCGCACACATCCACCGGCGCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCGCCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCGGTAGACGCGACCACAGAAGATGATGATGATGTCGGGCCAAACGCTCACGGATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCTCTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTACTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGATCCAGGCTACCAACGAGACCAATGTTAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGGGTGGTTGTGTTTAAGGCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTCTAGAAATACACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAAGGCGCTATAGTAGATATTTGAATGAAAAGGCTTTTTCTTACAGACAGATGGCCTTTGATTTTGCCAGGGTGAAGAAAGGGGCCGATGGTGTAATGAGGACAATGGCTCCCGAAAAGCTGCTAAAGAGTATGCCAATACTACAGGGACAAATTGATGCACTGCTTGAATTTGATGTGCATCCAAATGAACTAACAAATGGTGTCATAAATGCAGCATTTATGCTTCTTTTCAAAGATCTTATCAAACTTTTTGCTTGCTACAATGATGGTGTTATTAACTTACTCGAAAAGTTTTTTGAAATGAAGAAAGGACAATGTAAAGATGCTCTAGAAATTTACAAACGATTTCTAACTAGAATGACACGAGTGTCTGAATTTCTCAAGGTTGCAGAGCAAGTTGGTATTGATAAAGGTGACATTCCTGACCTCACACAGGCTCCCAGCAGTCTTATGGAGACGCTTGAACAGCATCTAAATACATTAGAAGGAAAGAAACCTGGAAACAATGAAGGATCTGGTGCTCCCTCTCCATTAAGTAAGTCTTCTCCAGCCACAACTGTTACGTCTCCTAATTCTACACCAGCTAAAACTATTGACACATCCCCACCGGTTGATTTATTTGCAACTGCATCTGCGGCTGTCCCAGTCAGCACTTCTAAACCATCTAGTGATCTCCTGGACCTCCAGCCAGACTTTTCCTCTGGAGGGGCAGCAGCAGCCGCAGCACCAGCACCACCACCACCTGCTGGAGGAGCCACTGCATGGGGAGACCTTTTGGGAGAGGATTCTTTGGCTGCACTTTCCTCTGTTCCCTCTGAAGCACAGATTTCAGATCCATTTGCACCAGAACCTACCCCTCCTACTACAACTGCTGAAAT
Human Genome Project
15 February 200115 February 200115 February 200115 February 2001
CTTTCCTCTGTTCCCTCTGAAGCACAGATTTCAGATCCATTTGCACCAGAACCTACCCCTCCTACTACAACTGCTGAAATTGCAACCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAATTTCTGGTACCACAACAAAAAAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGCAGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACCTGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCAGTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCCATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAGGCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATGTTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTACCTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAGTCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGCAATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGACTTCAAATAATAATAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCACCAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAATGTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGTACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTATTTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAATGGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGAGGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGGAAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAACTTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTTCTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGATAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCAGTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTGTGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAGAAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAATACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAAATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATATATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATCTAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAATTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATGGGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAAATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGAGATGCAATAAACACCTTGAACAAAG
Studio delle malattie genetiche
Dal Fenotipo al Genotipo
Dal Genotipo al Fenotipo
Year Disease MIM n Location Gene Chromosome abnormality 1986 Duchenne muscular
dystrophy 310200 Xp21.3 DMD (a) del(X)(p21.3)
(b) t(X;21)(p21.3:p13) Retinoblastoma 180200 13q14 RB del(13)(q13.1q14.5) 1989 Cystic fibrosis 219700 7q31 CFTR None 1990 Neurofibromatosis 1 162200 17q11.2 NF1 Balanced translocations t(1;17)(p34.3:q11.2) t(17;22)(q11.2:q11.2) Wilms' tumor 194070 11p13 WT1 del(11)(p14p13) 1991 Aniridia 106210 11p13 PAX6 t(4;11)(q22;p13) del(11)(p13) Familial polyposis coli 175100 5q21 APC del(5)(q15q22) Fragile-X syndrome 309550 Xq27.3 FMR1 FRAXA fragile site Fragile-X syndrome 309550 Xq27.3 FMR1 FRAXA fragile site Myotonic dystrophy 160900 19q13.3 DMPK None 1993 Huntington's disease 143100 4p16 HD None Tuberous sclerosis 2 191092 16p13 TSC2 Microdeletions in candidate
region von Hippel-Lindau disease 193300 3p25 VHL Microdeletions in candidate
region 1994 Achondroplasia 100800 4p16 FGFR3 None Early-onset breast/ovarian
cancer 113705 17q21 BRCA1 None
Polycystic kidney disease 173900 16p13.3 PKD1 t(16;22) (p13.3;q11.21) 601313 1995 Spinal muscular atrophy 253300 5q13 SMN1 None 600354
The ENCODE Project:
ENCyclopedia Of DNA Elements
Researchers Expand Efforts to Explore Functional Landscape of the Human Genome
Full-Scale ENCODE Project Will Survey Entire Human Instruction Book
The ENCODE Project: ENCyclopedia Of DNA Elements
Bethesda, Md., Tues., Oct. 9, 2007 – The National Human Genome Research Institute (NHGRI), part of the National Institutes of Health (NIH), today announced grants totaling more than $80 million over the next four years to expand the ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE) project, which in its pilot phase yielded provocative new insights into the organization and function of the human genome.
The principal investigators chosen to receive the ENCODE scale-up grants are:
•Bradley Bernstein, M.D., Ph.D.; Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, Mass.; $4.8 million
(four years); High-Throughput Sequencing of Chromatin Regulatory Elements. Utilizing the technique of
chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput DNA sequencing, this team will map
modifications of histones in various types of human cells. Histones are proteins that play a key role in
DNA packaging.
•Gregory Crawford, Ph.D.; Duke University Institute for Genome Sciences & Policy, Durham, N.C.; $6.5
million (four years); Comprehensive Identification of Active Functional Elements in Human Chromatin.
These researchers will seek to identify and characterize regions of open chromatin through DNase I
hypersensitivity assays, formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements and chromatin
immunoprecipitation for a few key DNA-binding factors. Chromatin is the complex of DNA and proteins
that makes up chromosomes.
•Thomas Gingeras, Ph.D.; Affymetrix Inc., Santa Clara, Calif.; $10.2 million (four years); Comprehensive
Characterization and Classification of the Human Transcriptome. This group will identify protein-coding
and non-protein-coding ribonucleic acid (RNA) transcripts using microarrays, high-throughput
sequencing, sequenced paired-end ditags and sequenced cap analysis of gene expression tags. RNA is
an information molecule vital to a number of biological functions, including protein production.
•Richard Myers, Ph.D.; Stanford University, Stanford, Calif.; $14.6 million (four years); Global
Annotation of Regulatory Elements in the Human Genome. This group has two goals: to identify
transcription factor binding sites by using chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput
sequencing, and to pilot the use of high-throughput sequencing to determine the methylation status of
CpG-rich regions of the human genome. Transcription factors are proteins and enzymes that initiate the
transcription of a gene's DNA sequence into RNA. Methylation refers to a specific chemical modification
of DNA, which can silence or reduce the activity of the affected region of DNA.
Malattie genetiche
Ad eredità mendelianaTalassemia, falcemia, fibrosi cistica
Studio delle malattie genetiche
Malattie genetiche
Fenotipi complessiNeoplasie, malattie degenerative
• Malattie genetiche
• Differente predisposizione a determinate
Variazioni del genoma causano o
contribuiscono all’insorgenza di malattia
• Differente predisposizione a determinate
patologie
• Differente risposta a specifiche terapie
• Differente risposta a stress ambientali, a virus,
a tossine
Differente predisposizione a determinate patologie
Differente risposta a specifiche terapie
Tratta da “lezioni di genetica” Prof. PF Pignatti
Differente risposta a specifiche terapie
Oltre alle classiche malattie genetiche,
la risposta a stress ambientali, a virus, a tossine
dipendono dal genoma individuale.
Variazioni della sequenza del genoma quindi
causano o contribuiscono
all’insorgenza di malattie.
Classificazione
????????????
Dogma centrale della Biologia
PROTEINEDNA RNA
Regolazione dell’espressione genica
Fenotipo dell’individuo
Fenotipo della cellula
I differenti tipi cellulari di un
organismo multicellulare nonostante
abbiano lo stesso genoma
differiscono nettamente sia nella
struttura che nella funzione
Il fenotipo cellulare è determinato
fondamentalmente dalle differenti proteinefondamentalmente dalle differenti proteine
presenti in quel determinato
tipo cellulare
Proteine costitutiveIndispensabili per la sopravvivenza
La loro concentrazione deve rimanere costante
Fenotipo della cellula
Proteine adattativeCambiamenti delle condizioni ambientali
Produrre risposte metaboliche a specifici segnali
Proteine del differenziamento
Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni specifiche
Geni housekeeping– Sempre ugualmente espressi in tutti i tipi cellulari
Geni la cui espressione è regolata- Varia Geni la cui espressione è regolata- Varia nei differenti tipi cellulari o in diversi momenti del ciclo cellulare
Il fenotipo cellulare è determinato
fondamentalmente dalle differenti
proteine presenti in quel determinato
tipo cellulare
e quindi
dall’espressione differenziale del genoma
COSA SONO LE BIOTECNOLOGIE?
• Si dicono Biotecnologie l’utilizzazione integrata di biochimica, biologia cellulare e ingegneria genetica per realizzare ingegneria genetica per realizzare applicazioni tecnologiche a partire dalle proprietà di microorganismi, di colture cellulari ed altri agenti biologici (Federazione Europea Biotecnologie).
�La Genentech infatti riesce a far produrre aE.coli delle proteine umane ricombinanti: lasomatostatina (1977) e, l'anno successivo, ilfarmaco biotecnologico più famoso, ovverol'insulina, che verrà commercializzata a partire dal1981 segnando un cambiamento epocale perl'industria del farmaco, aprendo cosìl'industria del farmaco, aprendo cosìall'industrializzazione del settore biotecnologico,precedentemente confinato nei laboratori diricerca, ma soprattutto rivoluzionando il processodi drug discovery e lo sviluppo di nuove terapienon invasive.
– L’insulina e l’ormone della crescita umani sono stati i primi prodotti farmaceutici ottenuti con l’uso della tecnologia del DNA ricombinante.
– Prima del 1982, le principali fonti di insulina erano i tessuti di suini e bovini prelevati nelle macellerie.
• Vaccini
– Grazie alla tecnologia del DNA i ricercatori sono in grado si sintetizzare anche nuovi vaccini (epatite B, influenza…).
– Un vaccinoè una variante o un derivato innocuo di un agente patogeno (di solito un batterio o un virus) ed è utilizzato per prevenire una malattia infettiva.
• Ricerca Biologica, Diagnosi e cura delle malattie
– In campo medico la tecnologia del DNA ricombinante è sempre più usata per comprendere i processi biochimici e cellulari della vita. Queste nuove conoscenze permettono di diagnosticare e curare le malattie.
QUALI SONO LE APPLICAZIONI DELLE BIOTECNOLOGIE IN MEDICINALe biotecnologie applicate in medicina servono ad esempio per: •fabbricare medicine quali l'insulina che serve per curare le persone affette da diabete, l'ormone della crescita o somatotropina che serve per curare alcune forme di nanismo, e l'eritropoietina che serve nei casi di anemia•produrre gli interferoni che servono per combattere virus, per far regredire tumori•produrre gli antibiotici su scala industriale per difenderci dai batteri•produrre vaccini per esempio per difenderci dal virus dell'epatite B o dalla •produrre vaccini per esempio per difenderci dal virus dell'epatite B o dalla Bordetella pertussis, batterio responsabile della pertosse•individuare malattie infettive o genetiche in periodo prenatale e curare alcune malattie genetiche attraverso la terapia genica.
QUALI SONO I RISCHI DELLE BIOTECNOLOGIE
Sono annoverati fra i possibili rischi delle biotecnologie:
allergie negli adulti e nei bambini
mais geneticamente modificato provoca resistenza nei confronti di sostanze analoghealla penicillina
resistenza ai pesticidi delle piante coltivateresistenza ai pesticidi delle piante coltivate
contaminazione di altri organismi o apparizione di nuovi virus, ibridazioni incontrollatein natura
perdita di diversità di specie e di habitat
aumento dell'inquinamento genetico
cambiamenti delle condizioni socioeconomiche dovute all'uso delle tecnologie delDNA ricombinante