Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare
GENETICA
a.a. 2015-2016
Pier Franco Pignatti
6.10.2015
LEZIONI N. 1 e 2 (INTRODUZIONE)
Programma del corso
Genetica classica, genetica molecolare,
genomica, geni e malattie, test genetici
IL CORSO DI GENETICA
OBBIETTIVI
PROGRAMMA
ESAME
LIBRO DI TESTO
MODALITA' DIDATTICHE
Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare
Modulo di GENETICA
Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia
II anno di corso, I semestre
Aula C Istituti Biomedici
Martedi ore 12-13.30, Mercoledi e Giovedi ore 9.00-10.30
dal 5.10 al 22.12.2015
Discipline e Docenti:
Genetica Umana: Pier Franco Pignatti, Alberto Turco, Giovanni Malerba
Genetica Molecolare: Elisabetta Trabetti, Cristina Bombieri
Obiettivi del corso
Fornire le conoscenze di base di genetica umana allo scopo di poter comprendere
i principi della trasmissione dei caratteri ereditari normali e patologici, nonché
le modalità dell'insorgenza della variazione biologica ereditaria
Insegnare ad applicare il metodo sperimentale allo studio dei fenomeni della vita,
dimostrando di conoscere e di saper utilizzare i principi generali della genetica
relativi all'analisi qualitativa e quantitativa dei fenomeni biologici, con
particolare riguardo a quelli fondamentali per le scienze mediche …
Lo studente dovrà essere in grado di porre le domande appropriate per costruire
un albero genealogico, per distinguere i diversi tipi di ereditarietà, richiedere i
test genetici per la conferma (o esclusione) di una sospetta malattia genetica, e
saperne interpretare i risultati, saper informare sui rischi genetici di ricorrenza
nella prole, indicare possibili cause ambientali nelle malattie multifattoriali,
enumerare le possibili cause e tipi di mutazione genica, descrivere brevemente
le caratteristiche delle malattie genetiche più comuni, e saper ricavare la
frequenza del gene malattia dalla frequenza dei malati in una popolazione.
Obiettivi di attività professionalizzante
Il corso è finalizzato a fornire al futuro medico le conoscenze e gli
strumenti necessari per poter consigliare il paziente e la sua famiglia a
fronte di una malattia ereditaria o di probabile natura genetica sulla
natura della malattia, l’incidenza, la prognosi, i rischi di ricorrenza, le
eventuali opzioni riproduttive disponibili, i test genetici disponibili,
siano essi diagnostici, sintomatici, predittivi, pre- o postnatali
Programma
Genetica classica: Le leggi dell’ereditarietà. Caratteri dominanti, recessivi, legati al
sesso, mitocondriali. Esempi di malattie mendeliane. Test genetici diagnostici,
presintomatici, di screening. Preparazione e interpretazione di alberi genealogici.
Citogenetica generale. Citogenetica medica.
Genetica molecolare: L’organizzazione del genoma umano. La mutazione e la
riparazione. I polimorfismi del DNA. La mappatura dei geni. L’identificazione di
mutazioni. L’analisi di linkage. Le malattie da espansione di triplette. Genetica
biochimica.
Ereditarietà multifattoriale: Predisposizione genetica alle malattie complesse. Studi
di associazione genomica (GWAS). Farmacogenetica. Genetica dei tumori. Test di
suscettibilità genetica.
Genetica di popolazione: Frequenze alleliche e genotipiche. Determinazione delle
frequenze geniche. La legge di Hardy-Weinberg. Fattori di disturbo dell’equilibrio di
H-W.
Genetica clinica: La consulenza genetica. Determinazione dei rischi genetici.
Consulenza pre e postnatale. Diagnostica prenatale e preimpianto. Prevenzione e
trattamento delle malattie genetiche. Terapia genica. Medicina rigenerativa. Le cellule
staminali. Problematiche bioetiche.
Esercitazioni
- Attività guidata di genetica classica
- Attività guidata di genetica di popolazione
- Calcolo dei rischi genetici
Testo consigliato
Neri G e Genuardi M, Genetica Umana e Medica, Masson Ed., III edizione 2014
Esame
L’esame finale del corso integrato (modulo di Genetica più modulo
di Biologia Molecolare) si svolge mediante prova scritta (quiz a
scelta multipla) seguita, per chi supera lo scritto, da prova orale
Ricevimento Studenti
Tutti i giorni in orario di lavoro, o previo appuntamento:
[email protected] tel. 0458027181
[email protected]
tel. 0458027189
[email protected] tel. 0458027685
[email protected] tel. 0458027209
[email protected]
tel. 0458027207
Segreteria : tel. 045-8027295
Sezione di Biologia e Genetica
Dipartimento di Scienze Neurologiche, Biomediche e del Movimento
Istituti Biomedici, Blocco B, Scala 3, Piano I
Materiale didattico
I file PDF con le presentazioni verranno messi nel sito:
http://medgen.univr.it/didattica/
Selezionare: Genetica A.A. 2015/2016
(Sono disponibili nello stesso sito tutte le lezioni del corso 2014/2015)
NOTA: La distribuzione in internet di questo materiale è intesa per
uso strettamente personale. Qualsiasi altro uso (riproduzione in
copie multiple, allestimento e commercializzazione di dispense) è
espressamente vietato
GENETICA
UNA SINTESI STORICA E UNA VISIONE
ATTUALE DELLA GENETICA UMANA E
MEDICA
GENETICA: una definizione
La genetica è la scienza che studia i geni, l'ereditarietà e la
variabilità degli organismi
La parola deriva dal greco antico: γενετικός ghenetikós,
«relativo alla nascita», γένεσις ghénesis, «genesi,
origine»
Genetica ed Evoluzione degli organismi
La nascita della genetica risponde alla esigenza
posta dall’evoluzionismo di indagare i meccanismi
della ereditarietà biologica e della origine della
variazione, che erano ignoti al momento del
fondamentale lavoro di Darwin (1859)
Montalenti, 1967
GENETICA CLASSICA
date essenziali
1865 Mendel: “fattori”, “leggi”
1900 Correns, Tschermak, DeVries: riscoperta del mendelismo
1902 Sutton,Boveri: teoria cromosomica dell’ereditarietà
1905 Bateson: “genetica”
1909 Johannsen: “gene”
1910 Morgan: mappa genetica
1927 Muller: mutazione, geni, citogenetica
1941 Beadle e Tatum: un gene/un enzima
GENETICA MOLECOLARE
date essenziali
1944 Avery, MacLeod, McCarthy: DNA (batt.)
1952 Hershey, Chase: DNA mat. eredit. (fagi)
1953 Watson, Crick: la struttura del DNA
1961-66 Niremberg: decifrazione del codice genetico
1978 Kan, Dozy: la prima diagnosi con il DNA
1982 Il primo prodotto della ingegneria genetica sul mercato
1983 Kary Mullis: la prima idea della PCR
GENETICA MOLECOLARE
Il “dogma centrale”
Tutti i viventi hanno lo stesso sistema di deposito,
trasmissione e manifestazione della informazione ereditaria
Scienza che studia le modalità di conservazione,
modificazione e utilizzazione della informazione ereditaria
DNA
RNA
Proteine
F.Crick, 1958
Struttura del genoma umano
LIVELLO
NUMERO
DIMENSIONI (bp)
Genoma
1
c. 3x109 aploide
Cromosomi
23 coppie
Da 247x106 (cr.1) a 50x106
(cr.21)
Gene
c. 20.500
Da 100 a 2x106
NOTA:Multiple evidence strands suggest that there may be as few
as 19,000 human protein-coding genes. This suggestion is based
on features such as weak conservation, a lack of protein features,
or ambiguous annotations from major databases, all of which
correlated with low peptide detection (Ezkurdia I et al, 2014)
MEDICINA GENOMICA
date essenziali
2003 Sequenza del genoma umano pubblicazione conclusiva del
progetto genoma umano (HGP)
2007 Studi di associazione genomica per 7
malattie comuni (GWAS) : nuovi loci
2007 Sequenza di un genoma umano diploide
(WGS) : genomica personale
2011 Progetto 1.000 genomi umani: conclusione fase pilota
2012 Progetto ENCODE : identificazione degli elementi funzionali
del genoma umano
2014 inizio progetto 100.000 genomi NHS
2015 (30 Gennaio) lancio della Precision Medicine Initiative
2015 (1 Ottobre) conclusione del Progetto UK10K
The Wellcome Trust Case Control Consortium
Genome-wide association study of 14,000 cases of
seven common diseases and 3,000 shared controls
Nature 447, 661-678 (7 June 2007)
La regolazione del genoma
L’informazione primaria contenuta nella sequenza è regolata da
diversi eventi molecolari e cellulari. La regolazione
dell’espressione genica può portare alla attivazione (in verde) o
al silenziamento (in rosso) di regioni genomiche
Misteli T, 2013
Una definizione operativa di gene usata dal
progetto ENCODE (ENCyclopedia Of Dna Elements)
«Una regione di sequenza genomica
localizzata corrispondente a una unità di
ereditarietà associata a regioni di
regolazione, regioni trascritte o altre
regioni di sequenza funzionale»
Pearson H, 2006
Evoluzione del concetto di gene
SVILUPPO
STORICO
ANALISI
CARATTERISTICA
Genetica classica
fenotipica
determina un carattere
Genetica molecolare
strutturale
è costituito da nucleotidi
Genomica
Funzionale
è espresso e regolato
Il costo del sequenziamento del genoma
Costo di della collaborazione pubblico-privato che ha sequenziato
il primo genoma umano: circa 3 miliardi di dollari.
Illumina President and CEO Jay Flatley said today that the firm's
technology can now produce a human genome for under $1,000,
claiming to be the first to achieve this long sought-after goal
(GenomeWeb Daily News, January 14, 2014)
Il futuro della Medicina Genomica
Green ED, Guyer MS, NHGRI, Nature 2011
Lo sviluppo della Genomica e della Bioinformatica
Gene-analysis firms reach for the cloud
Online bioinformatics companies rush to provide
genomics platforms and software for hospitals
Hayden EC, Nature 21.3.2013
Big Data to Knowledge (BD2K) Biomedical
Research Initiative
The National Institutes of Health has awarded grants worth nearly $32 million to
projects that aim to develop new strategies for analyzing and leveraging
increasingly complex biomedical datasets.
These multi-institute awards are part of the NIH's Big Data to Knowledge
(BD2K) initiative, which is projected to have a total investment of nearly
$656 million through 2020, pending available funds. These awards will
support the development of new approaches, software, tools, and training
programs, the NIH said, that will offer better access to biomedical research
data and enable new discoveries that lead to better ways to treat and prevent
disease.
Specifically, the funds will be used to set up 11 centers that will focus on specific
data science challenges and develop methods, software, tools, and other
resources to address these issues.
October 09, 2014 (GenomeWeb)
La gamma dei caratteri umani
L’insieme dei fattori che determinano un carattere
può essere rappresentato da un punto localizzato in
una determinata posizione all’interno del triangolo
Strachan e Read, Genetica umana molecolare, UTET 2001
Frequenza approssimativa della malattie genetiche
(%)
MALATTIE
< 25 anni
> 25 anni
TOTALE
Monogeniche
0,36
1,64
2
0,5-1,4
Cromosomiche
0,18
0,2
0,38
0,6-0,9
Multifattoriali
4,64
60
64,64
D-N*
Monogeniche e Cromosomiche: Malattie genetiche classiche
Multifattoriali: Malattie complesse con componente genetica
Tabella da: Emery e Rimoin, Principles and Practice of Medical Genetics,
Churchill Livingstone Elsevier 2007
*Dati da: Dallapiccola e Novelli , Genetica Medica Essenziale, CIC ed. 2012
TEST GENETICI
NON MEDICI
paternità, medico legali, popolazionistici, …
MEDICI
Diagnostici
CARATTERI
Presintomatici
MENDELIANI
Screening neonatale
SEMPLICI
Per l’identificazione dei portatori sani
Farmacogenetici
Predittivi o di predisposizione o di suscettibilità genetiche
CARATTERI COMPLESSI
Caratteristiche dei test genetici
per caratteri semplici e complessi
MALATTIE MENDELIANE
MALATTIE COMPLESSE
Ambiente e stile di vita NO
Ambiente e stile di vita SI
Predittivo
Scarsamente predittivo
Implicazioni per i parenti SI
Implicazioni per parenti NO
Responsabilità del medico
Diretto al consumatore
Sensibile e specifico
Economicamente vantaggioso
Controllo esterno di qualità
CQ può esserci o no
Modificato da: Strachan e Read, Genetica Molecolare Umana, Zanichelli 2012
L’offerta di test genetici
Javitt G, Nature, 12 agosto 2010
www.genetests.org (NCBI,NLM,NIH) Statistics Updated September 24, 2015
54,592 Tests
4,445 Disorders
5,260 Genes
658 Laboratories
1,078 Clinics
http://www.orpha.net/
ORPHANET è un servizio di informazioni sulle
malattie rare* e i farmaci orfani con accesso
libero. Fornisce un elenco aggiornato delle sedi
alle quali ci si può rivolgere per richiedere
diagnosi e test genetici in Italia e in altri paesi
europei.
* Una
malattia è definita rara in Europa quando ha
una prevalenza nella popolazione generale
inferiore alla soglia dello 0,05%, ossia 1 caso su
2000 abitanti.
WES (Whole Exome Sequencing)
We report our experience with whole-exome sequencing in 115 patients
Most patients were children (78.9%). The most common indications for
testing were birth defects (24.3%) and developmental delay (25.2%)
We identified four new candidate human disease genes and possibly
expanded the disease phenotypes associated with five different genes.
Establishing a diagnosis led to discontinuation of additional planned
testing in all patients, screening for additional manifestations in eight,
altered management in fourteen, novel therapy in two, identification of
other familial mutation carriers in five, and reproductive planning in six.
Conclusion: Our results show that whole-exome sequencing is feasible, has
clinical usefulness, and allows timely medical interventions, informed
reproductive choices, and avoidance of additional testing.
Iglesias A et al, 2014s
WGS (Whole Genome Sequencing)
Clinicians need to prepare for the onslaught of wholegenome sequencing data, the National Institutes of
Health Director Francis Collins said at a
personalized medicine symposium.
Collins says that single-gene tests will be replaced by
whole-genome sequencing within a handful of
years. He also said that there needs to be a database
where clinicians can easily look up what's known
about a gene and its mutations, particularly in the
context of cancer risk.
http://www.genomeweb.com October 30, 2013
Clinical Genome and Exome Sequencing (CGES)
Sequencing of the genome or exome for clinical applications, hereafter referred to
as clinical genome and exome sequencing (CGES), has now entered medical
practice (Biesecker LG e RC Green, N Engl J Med , 19.6.2014)
Sequenziamento di 100.000 genomi nel Sistema
Sanitario Nazionale della Gran Bretagna
UK unveils investment in 100,000 genomes project to integrate
genomic medicine into the National Health Service
Genomes of patients with cancer and rare diseases
Genomics England, a company owned by the Department of Health
The Wellcome Trust will sponsor the sequencing hub
Illumina is key partner
The Medical Research Council will provide computing services
(Aug 1, 2014)
Sequenziamento di 1.000.000 di cittadini USA: la
«Precision Medicine Initiative»
Jan 30, 2015 – President Obama today announced plans to launch a $215 million
precision medicine initiative to leverage advances in genomics, informatics,
and health information technology to accelerate biomedical discoveries in the
hope of yielding more personalized medical treatments for patients in the US.
Of the $215 million in funding that Obama seeks in his FY 2016 budget, $130
million would go toward creating a national research cohort of about 1 million
people, whose biological data, as well as environmental, lifestyle, and
behavioral information, will be shared with qualified researchers.
Officials hope genetic data from several hundred thousand participants in ongoing
genetic studies would be used and other volunteers recruited to reach the 1
million total.
Mar 30, 2015 - The National Institutes of Health today announced a panel of
experts that will steer President Obama's Precision Medicine Initiative.
Clinical Genome Resource (ClinGen)
Rehm HL et al. 2015
As Genomics Increases the Complexity of
Diagnostic Tests, the Role of Genetic Counselors
Expands
The National Institute of Health's Genetic Testing Registry (GTR) currently lists
more than 13,000 tests for about 3,700 conditions, compared to about 2,500
diseases for which genetic testing was available in early 2012. According to
the GTR, 25 laboratories worldwide currently offer genetic tests based on
either whole-exome sequencing or whole-genome sequencing.
Genetic counselors have always helped patients navigate genetic testing,
explaining to patients ahead of time what the test might reveal, and after
results are in what it all means for them and their families. The advent of new
genomic tests has both expanded and changed their roles, shaping their
discussions with patients and creating new employment opportunities outside
the clinical arena.
http://www.genomeweb.com December 18, 2013
Physicians' Genomics Knowledge, Basic Skills Still
Barrier to Adoption, Study Finds
The problem isn't only that primary care physicians lack genetics education,
according to the study, but also that they don't have the basic skills — how to
take a family history, apply the relevant treatment guidelines, or pick the right
test — to deliver molecularly guided precision care.
A team led by Natalie Mikat-Stevens from the American Academy of Pediatrics
searched the literature for papers published from 2001 to 2012 in which
physicians identified challenges to incorporating genetics services in their
practices.
The adoption roadblocks commonly mentioned in these papers dealt with limited
genetics knowledge and genetic risk assessment skills; patient anxiety
worries; limited access to genetics counselors; and lack of time.
Mikat-Stevens NA et al, 11.9.2014
