Corso di Formazione Siracusa 28 maggio 2005 “La Biologia Molecolare nel Laboratorio di Patologia Clinica” Geni e Malattie Cinzia Di Pietro Dipartimento di Scienze Biomediche Sezione di Biologia generale, cellulare e di Genetica molecolare Università di Catania • GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGGAGCTGAGGA GCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGGTCGCACACATCCACCGGC GCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCGCCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCG GTAGACGCGACCACAGAAGATGTCGGGCCAAACGCTCACGGATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCT CTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTACTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGAT CCAGGCTACCAACGAGACCAATGTTAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGG GTGGTTGTGTTTAAGGCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTC TAGAAATACACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAAGGCG CTATAGTAGATATTTGAATGAAAAGGCTTTTTCTTACAGACAGATGGCCTTTGATTTTGCCAGGGTGAAGAAAGGGGCC GATGGTGTAATGAGGACAATGGCTCCCGAAAAGCTGCTAAAGAGTATGCCAATACTACAGGGACAAATTGATGCACTGC TTGAATTTGATGTGCATCCAAATGAACTAACAAATGGTGTCATAAATGCAGCATTTATGCTTCTTTTCAAAGATCTTATCA AACTTTTTGCTTGCTACAATGATGGTGTTATTAACTTACTCGAAAAGTTTTTTGAAATGAAGAAAGGACAATGTAAAGATG CTCTAGAAATTTACAAACGATTTCTAACTAGAATGACACGAGTGTCTGAATTTCTCAAGGTTGCAGAGCAAGTTGGTATT GATAAAGGTGACATTCCTGACCTCACACAGGCTCCCAGCAGTCTTATGGAGACGCTTGAACAGCATCTAAATACATTAG AAGGAAAGAAACCTGGAAACAATGAAGGATCTGGTGCTCCCTCTCCATTAAGTAAGTCTTCTCCAGCCACAACTGTTAC GTCTCCTAATTCTACACCAGCTAAAACTATTGACACATCCCCACCGGTTGATTTATTTGCAACTGCATCTGCGGCTGTCC CAGTCAGCACTTCTAAACCATCTAGTGATCTCCTGGACCTCCAGCCAGACTTTTCCTCTGGAGGGGCAGCAGCAGCCG CAGCACCAGCACCACCACCACCTGCTGGAGGAGCCACTGCATGGGGAGACCTTTTGGGAGAGGATTCTTTGGCTGCA CTTTCCTCTGTTCCCTCTGAAGCACAGATTTCAGATCCATTTGCACCAGAACCTACCCCTCCTACTACAACTGCTGAAAT TGCAACCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAA 9 6 6 TTTCTGGTACCACAACAAAAAAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGC AGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACCTGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCA GTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCCATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAG GCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATGTTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTAC CTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAGTCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGG ATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGCAATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGAC TTCAAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCACCAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAAT GTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGTACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTAT TTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAATGGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGA GGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGGAAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAAC TTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTTCTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGA TAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCAGTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTG TGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAGAAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAAT ACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAAATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATAT ATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATCTAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAA TTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATGGGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAA ATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGAGATGCAATAAACACCTTGAACAAAG 3*10 bp 150*10 bp 1-5*10 bp Fenotipo Proteine costitutive Indispensabili per la sopravvivenza La loro concentrazione deve rimanere costante Proteine adattative Cambiamenti delle condizioni ambientali Produrre risposte metaboliche a specifici segnali Proteine del differenziamento Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni specifiche “In molecular terms, a gene commonly is defined as the entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional polypeptide. “ Lodish et al. 2003 Molecular Cell Biology “In molecular terms, a gene commonly is defined as the entire nucleic acid sequence that is necessary for the synthesis of a functional polypeptide. According to this definition, a gene includes more than the nucleotides encoding the amino acid sequence of a protein, referred to as the coding region.” “Enhancers” Nei geni degli eucarioti gli enhancers possono distare dalla regione codificante anche più di 50 Kb. Il Genoma cellulare specifica : • La struttura primaria delle proteine • Presenza o assenza della proteina in un determinato tipo cellulare o in un determinato momento della vita cellulare • Destinazione delle proteine all’interno della cellula • La struttura primaria di RNA non tradotti Alcune sequenze di DNA sono trascritte in RNA che non codifica proteine (e.g., tRNAs, rRNAs, miRNAs) Geni di I classe rRNA 28S, rRNA 18S, rRNA 5.8S Geni di II classe mRNA, U1, U2, U4, U5 snRNAs Geni di III classe rRNA5S, tRNA, snRNAU6, scRNAs Un gene………più catene polipeptidiche Variazioni della sequenza nucleotidica correlate ad alterazioni Mutazioni del fenotipo cellulare Mutazioni Variabilità Genetica Evoluzione Variazioni della sequenza nucleotidica correlate ad alterazioni del fenotipo cellulare Ad eredità mendeliana Talassemia, falcemia, fibrosi cistica Malattie genetiche Fenotipi complessi Neoplasie, malattie degenerative Mutazioni somatiche e germinali MetabolismoOncogeni cellulare • Geni che controllano la proliferazione, il differenziamento cellulare e l’apoptosi • Geni che controllano la stabilità del genoma Mutazioni geniche Variazioni di una singola coppia di basi (single nucleotide polymorphisms SNPs) o di alcune coppie di basi in un tratto della molecola di DNA. Le mutazioni geniche che determinano una variazione quantitativa o qualitativa di una proteina possono causare la comparsa di un fenotipo patologico Le conseguenze che una mutazione genica avrà sull’organismo dipendono: •Da quanto è cambiata la sequenza aminoacidica della proteina; •Dalla variazione della sua concentrazione intracellulare Localizzazione • Extragenica • Promotore • Introni • Siti di splicing • Sequenza codificante CDS Tipo di mutazione Sostituzione (silent, synonymous, missense nonsense) Inserzione o Delezione (frameshift mutations) SNP Single nucleotide polymorphism Scientists are now learning that many polymorphisms actually do affect a person's characteristics, though in more complex and sometimes unexpected ways. Variations Causing Latent Changes Finally, there are genetic variations that have "latent" effects. These variations, found in coding and regulatory regions, are not harmful on their own, and the change in each gene only becomes apparent under certain conditions. Such changes may eventually cause some people to be at higher risk for cancer, but only after exposure to certain environmental agents. They may also explain why one person responds to a drug treatment while another does not. OMIM Statistics for May 18, 2005 Autosomal XLinked YLinked Mitochondria Total l * Gene with known sequence 9632 436 48 37 1015 3 + Gene with known sequence and phenotype 365 35 0 0 400 # Phenotype description, molecular basis known 1566 144 2 26 1738 % Mendelian phenotype or locus, molecular basis unknown 1341 133 4 0 1478 Other, mainly phenotypes with suspected mendelian basis 2131 150 2 0 2283 15035 898 56 Total 63 1605 2 Identificazione e Caratterizzazione di Oncogeni Cancer Genome Anatomy Project Dividere la popolazione in gruppi in base a specifici profili di SNPs e ricercare le associazioni con la risposta a specifiche terapie Human Genome Project 1990 – 2001 – 20?? Principale Obiettivo: Studio delle malattie genetiche Determinare la sequenza completa del genoma umano e conservare questa informazione nei data-bases; Identificare tutti i geni presenti nel DNA di Homo sapiens sapiens; Ideare e/o migliorare i tools per l’analisi dei dati; Applicazioni biotecnologie Tutte le malattie hanno una componente genetica, 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. Diagnosi Cura Prevenzione carrier screening, which involves identifying unaffected individuals who carry one copy of a gene for a disease preimplantation genetic diagnosis prenatal diagnostic testing newborn screening presymptomatic testing for predicting adult-onset disorders such as Huntington's disease presymptomatic testing for estimating the risk of developing adult-onset cancers and Alzheimer's disease confirmational diagnosis of a symptomatic individual forensic/identity testing Terapia Identificare nuovi farmaci per la cure di specifiche malattie Farmacogenomica Terapia Genica Prevenzione Identificazione di mutazioni di tumor suppressor genes che predispongono all’insorgenza di neoplasie International Human Genome Sequencing Consortium Nature ottobre 2004 Geni 19.438 Geni caratterizzati sperimentalmente 2.188 Geni predetti 22.287 Geni 22.214 1,54 Trascritti per gene Trascritti 34.214 Genes Functions A B C D Create cellular complexity by differential genes expression This form of combinatorial coding endows an organism with n genes to create, in theory, 2n different cell-specific gene batteries. This rationalization provides an easy explanation for the fact that the absolute number of genes in a genome does not correlate with organismal complexity Hobert (2004) TIBS Hobert (2004) TIBS International Human Genome Sequencing Consortium Nature ottobre 2004 3.08 Gb Genoma intero 2.88 Gb Componente eucromatica 34 Mb Sequenze codificanti (1,2%) 21 Mb Sequenze trascritte ma non tradotte (0.7%) Conserved non genic sequence Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics Conserved non genic sequence Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics Prossimi obiettivi da raggiungere Identificazione di tutti i polimorfismi genetici della popolazione umana, per facilitare lo studio della loro associazione con fenotipi patologici Identificazione di tutti gli elementi funzionali del genoma umano, cioè geni, proteine di regolazione dell’espressione genica, sequenze regolatrici e sequenze strutturali. Genoma Proteoma Proteoma Interactoma Mappa delle principali vie di segnalazione importanti per il cancro in cellule umane. Indica le posizioni cellulari di alcune proteine modificate da mutazioni e coinvolte nella patogenesi di tumori. Ruolo fondamentale della Biologia in Medicina More Powerful Medicines Better, Safer Drugs the First Time More Accurate Methods of Determining Appropriate Drug Dosages Better Vaccines Improvements in the Drug Discovery Decrease in the Overall Cost of Health Care Terapia genica