Geni, genoma e malattie

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