Biologia - Fisiokinesiterapia

Biologia
Studia gli organismi viventi
e i loro rapporti con l’ambiente
che li circonda
La Cellula……
…..e’ l’unita’ fondamentale
degli organismi viventi
La teoria cellulare e’ uno dei concetti
fondamentali della biologia ed afferma che:
•
Tutte le forme di vita sono costituite da
una o piu’ cellule
·
Le cellule derivano solo da cellule
preesistenti
·
La cellula e’ la piu’ piccola forma di vita
Tutta la vita cellulare ha le seguenti caratteristiche
in comune.
•tutte le cellule hanno una membrana cellulare che
separa il caos fuori da una cellula da un alto grado di
organizzazione all’interno di essa.
•tutta la vita cellulare contiene DNA come materiale
genetico. Tutte le cellule contengono alcune varietà di
molecole di RNA e proteine, molte delle quali sono
enzimi.
• tutte le cellule sono composte della stessa chimica di
base: carboidrati, proteine, acidi nucleici, minerali,
grassi e vitamine.
•Tutte le cellule regolano il flusso di nutrienti e
cataboliti che entrano e lasciano la cellula.
•Tutte le cellule si riproducono e sono il risultato
della riproduzione.
•Tutte le cellule richiedono un supplemento di
energia.
• Tutte le cellule sono altamente regolate da un
elaborato sistema sensoriale che le consente di
essere consapevoli di ogni reazione che avviene
all’interno di esse e attorno ad esse; queste
informazioni sono continuamente processate per
risponderne metabolicamente.
Una cellula
“tipica”
tutte le cellule
possiedono una
membrana e un
corredo di
organelli
sostanzialmente
comune a tutti i
tipi cellulari
Le cellule sono tutte uguali???
Espressione Differenziale
• Ogni cellula contiene una copia dell’intero genoma
• Le cellule sono di diversi tipi (cellule muscolari, cellule cardiache,
cellule della pelle, cellule del sangue …)
• Che cosa le rende differenti ?
????????
Espressione genica differenziale, i.e., quando, dove, e in che
quantità ogni gene è espresso.
• Ad un determinato istante circa il 40% dei geni sono espressi e circa il
10% dei geni sono tessuto specifici.
principali costituenti
chimici della cellula
H2O, ioni, piccole molecole 77%
Macromolecole
23%
2.0 The Chemicals of Life
Figure 2-1a
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
H2O
70% della cellula
Legame covalente
Legame covalente
Legame covalente puro
Legame covalente polare
Il legame covalente comporta la condivisione
degli elettroni tra gli atomi
Legame idrogeno
I legami idrogeno sono interazioni di natura elettrostatica
che si determinano tra le opposte cariche di due molecole
adiacenti.
Nell’acqua l'atomo d'idrogeno (fortemente polarizzato positivamente) è
attratto dall'ossigeno (fortemente polarizzato negativamente) della
molecola adiacente.
La risultante è appunto la formazione di un ponte idrogeno tra due
molecole adiacenti di acqua.
Si forma, in tal modo, una sorta di macromolecola formata da numerosi ponti
di idrogeno.
2.0 The Chemicals of Life
6% della cellula
Figure 2-1a
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
Carboidrati: monosaccaridi
glucosio
galattosio
Isomeri strutturali
fruttosio
Carboidrati: disaccaridi
lattosio
saccarosio
galattosio
glucosio
glucosio
fruttosio
2.1 α and β glycosidic bonds link monosaccharides
Figure 2-10
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
Carboidrati: polisaccaridi
glicogeno
lipidi
• solubili in solventi apolari
• composti da C, H, O. Poveri
di O
• componenti strutturali delle
membrane biologiche
• carburanti biologici
• alcuni sono ormoni
2.2 Phospholipids are amphipathic molecules
Figure 2-19
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
2.0 The Chemicals of Life
(b) Macromolecules (23%)
Figure 2-1b
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
aminoacidi
Le cellule umani e animali
partendo da sostanze semplici
possono sintetizzarne solo alcuni.
Quelli che invece devono
essere introdotti con la dieta si
chiamano aminoacidi essenziali
questi sono i 20
aminoacidi che si
trovano nell’organismo umano e che
costituiscono le…
proteine
le proteine sono
costituite da catene di
aminoacidi (polipeptidi) che in condizioni
fisiologiche assumono
complesse conformazioni tridimensionali
Funzioni delle proteine
• Enzimi
• La regolazione dell’espressione dei geni e’ assicurata da
proteine dette fattori di trascrizione
• Le proteine strutturali costituiscono l’impalcatura interna
delle cellule
• Le proteine contrattili sono responsabili della capacita’ di
movimento di tutte le cellule e degli organismi pluricellulari
• Il trasporto di ioni e di gran parte dei composti organici
attraverso le membrane biologiche e’ assicurato dalle proteine
di membrana che costituiscono le pompe e i canali ionici
• Molti ormoni e fattori di crescita sono costituiti da proteine
• La maggior parte dei recettori sono proteine
• Il trasporto negli organismi cellulari, tramite i liquidi interni
all’organismo, di sostanze insolubili in acqua e’ assicurato da
proteine di trasporto
• In alcuni casi, proteine possono costituire, per certi organismi
un deposito di materia e di energia o di particolari sostanze.
Si parla allora di proteine di deposito
• Nei vertebrati, il riconoscimento e l’inattivazione di sostanze
estranee all’organismo e’ mediato da proteine che
costituiscono gli anticorpi
Acidi nucleici
Il nucleo è delimitato da una doppia
membrana, dotata di pori che
consentono le comunicazioni tra il
nucleo e il resto della cellula
(citoplasma). All'interno del nucleo
sono conservati i cromosomi,
strutture filamentose composte da
DNA e proteine e solitamente
presenti in coppie, in un numero
variabile e caratteristico di
ciascuna specie.
All'interno del nucleo si trova una
regione specializzata, detta
nucleolo, che è deputata
all'assemblaggio di particelle
chiamate ribosomi, che contengono
RNA e proteine e che, una volta
sintetizzate, migrano nel
citoplasma, dove presiedono alla
sintesi proteica. Il nucleo controlla
la sintesi proteica inviando nel
citoplasma diverse molecole con
funzione di messaggeri.
Nucleo
Nucleo cellulare
•
•
•
•
Componente essenziale della cellula
(struttura assente nei procarioti)
Contiene il materiale genetico (DNA)
Sede di meccanismi indispensabili
alla riproduzione cellulare e alla
sintesi proteica
Posizione
• Variabile ma
caratteristica di ogni
tipo cellulare.
• per esempio:
– Cellule embrionali:
nucleo centrale
– Cellule secernenti:
nucleo eccentrico
Posizione
In questo neurone, il nucleo si
trova in posizione centrale
rispetto al corpo cellulare
Il citoscheletro forma
un’impalcatura che mantiene
stabile la posizione del nucleo
La gocciola lipidica spinge
il nucleo dell’adipocita
verso la periferia
il nucleo svolge un ruolo cruciale
nel controllo della vita della cellula e
nel processo di divisione cellulare
entrambe
entrambelelefunzioni
funzionidipendono
dipendono
strettamente
strettamentedall’acido
dall’acidodesosiribonucleico
desosiribonucleico
(DNA)
(DNA)contenuto
contenutonel
nelnucleo
nucleo
Acido desossiribonucleico
Il segreto del
DNA risiede
nella sua
struttura…
DNA
3’
S
P
N
nucleotide
S
N
P
S
Zucchero (desossiribosio)
P
Gruppo fosfato
N
Base azotata
S
N
P
S
N
P
5’
La doppia
elica
nucleotide
5’
3’
legame fosfodiesterico
trinucleotide
Legame forte: nucleotidi concatenati da un legame fosfodiesterico
tra il fosfato in posizione 5’ di un nucleotide e il gruppo alcolico
in posizione 3’ del nucleotide adiacente
Legame debole: legame idrogeno tra basi azotate
I geni
risiedono nella
doppia elica
del DNA
Coppie
di basi
Scheletro
zuccherofosfato
La sequenza di un gene e’ data dalla sequenza delle 4 basi azotate
all’interno della doppia elica
Timina
Timina
Guanina
Citosina
Adenina
Guanina
Il duplice ruolo del DNA
DNA
controllo
cellulare
proteine
ereditarietà
proteine
DNA
DNA
proteine
Dogma Centrale
L’ espressione dell’informazione genetica raccolta nelle molecole di
DNA, avviene in due stadi:
*
–(i) trascrizione, durante la quale il DNA è trascritto in mRNA
–(ii) traduzione, durante la quale l’ mRNA è tradotto per produrre la
proteina associata
DNA
*:
m RNA
protein
importante..in seguito alla trascrizione vengono prodotti
anche RNA ribosomale e RNA transfer!!!!!!!
Dal gene all’mRNA
Quando un gene viene “attivato”,
dà origine ad una proteina, ma non
lo fa in modo diretto: genera un
intermediario molecolare, chiamato
RNA messaggero (mRNA). La
presenza di una molecola di mRNA
indica che il gene corrispondente è
attivato.
Il trasferimento dell’informazione
contenuta in un gene dal DNA
all’mRNA prende il nome di
“trascrizione” ed utilizza il metodo
di appaiamento delle basi.
RNA
• Ribonucleic acid o RNA è una molecola simile al DNA ma:
– è singola, non ha la doppia elica;
– l’ uracile (U) sostituisce la timina (T).
• RNA gioca un ruolo importante sia nella sintesi proteica che in
altre attività biochimiche della cellula.
4.1 RNA molecules exhibit varied conformations
Figure 4-12
Copyright (c) by W. H. Freeman and Company
Trascrizione
gene
mRNA
Cod
Non-cod
Dall’mRNA alla proteina
L’mRNA, generato nel nucleo, passa
successivamente nel citoplasma per
raggiungere organelli detti ribosomi: qui
dirige l’assemblaggio degli aminoacidi.
Ecco che si forma la proteina.
Dogma centrale: DNA
RNA
Proteine
Le cellule…..
….muoiono
Il numero delle cellule di un determinato tessuto
e’ regolato dalla proliferazione, dal
differenziamento, nonche’ dall’arresto della crescita
e dalla morte cellulare
La cellula va incontro ad una morte cellulare programmata
APOPTOSI
in base alle indicazioni di suoi specifici geni
Apoptosi
Vengono prodotti enzimi che degradano organelli e
macromolecole. La membrana plasmatica rimane
temporaneamente integra ed espone segnali molecolari che
inducono cellule specializzate ( macrofagi) a fagocitare la
cellula apoptotica. E’ un processo che richiede energia
Necrosi
Processo che avviene senza la partecipazione “attiva” della
cellula generalmente come conseguenza di un danno. Non
richiede energia. La cellula si rigonfia, vengono distrutti
tutti gli organelli, primi tra tutti i mitocondri, e il materiale
cellulare viene espulso all’esterno della cellula con
conseguente infiammazione tissutale
Apoptosi e Necrosi
Quali cellule vanno incontro ad apoptosi?
Nel corso dello sviluppo embrionale: le cellule di strutture temporanee.
Nel sistema immunitario: gli elementi anomali che potrebbero
aggredire l'organismo anziché gli elementi estranei ad esso.
In numerosi tessuti: le cellule che hanno esaurito il loro ruolo o con
DNA danneggiato.
-
In generale:
l'apoptosi ha anche una funzione di equilibrio sul
numero delle cellule presenti, controbilanciando la proliferazione
cellulare
L’apoptosi puo’ diventare un fenomeno anomalo
per eccesso o per difetto:
-in certe malattie degenerative, come la sclerosi multipla,
le cellule vanno incontro a morte troppo rapidamente.
- in certe forme tumorali, come le leucemie, viene a mancare
il controllo sulla proliferazione cellulare di un certo tessuto.
-Conoscere i meccanismi dell'apoptosi è un obiettivo
importante della ricerca biomedica, poiché nuove scoperte in
proposito potrebbero permettere di bloccare, ad esempio,
la proliferazione di forme tumorali o di altre malattie
degenerative
Genetica
La Genetica (dal greco gennao γεννάω = dare vita, generare)
e’ la scienza che studia i geni, l’ereditarieta’ e la variabilita’
genetica degli organismi
Che cos’è la genetica medica?
Analizza le applicazioni della genetica nella pratica clinica
riguardando un gran numero di malattie sia quelle
di interesse pediatrico sia quelle dell’adulto
Il principale impatto della Genetica medica sulla salute
umana riguarda il controllo delle malattie attraverso la
diagnosi e la prevenzione
In che cosa consiste la ricerca genetica oggi?
La ricerca genetica degli ultimi vent’anni ha portato a
identificare con successo un certo numero di geni che,
quando mutati, sono la causa di malattie ereditarie rare
(come la fibrosi cistica, diverse forme di distrofia
muscolare,etc….).
Un progresso simile non è stato ancora raggiunto per
malattie genetiche molto comuni e ad alta frequenza nella
popolazione, dette malattie genetiche complesse
(diabete, ipertensione,malattie cardiovascolari, ecc.).
Questa complessità è dovuta al fatto che esse sono causate
non da mutazioni in un singolo gene ma in più geni e dalla
loro interazione con l’ambiente (ad esempio la dieta e lo
stile di vita per le malattie cardiovascolari).
1986 Il premio Nobel Renato Dulbecco e Leroy Hood lanciano
l'idea di sequenziare l'intero genoma Umano.
Sequenziamento del Genoma Umano: primo passo per
identificare la componente genetica di malattie
come diabete, cancro, coronaropatie,
ipercolesterolemia
Progetto Genoma Umano
Perchè?
• La disponibilità della sequenza rende più
semplice l’identificazione dei geni responsabili
delle malattie mendeliane
• Sequenza completa di tutti i geni
• Possibilità di determinare la struttura esoniintroni
• Mappare i geni e le altre sequenze
• Rivelare le regioni di controllo non codificanti
• Identificare polimorfismi
• Scoprire l’inatteso
LE TAPPE DEL PROGETTO GENOMA
1953 James Watson e Francis Crick determinano la struttura del DNA (La doppia elica)
1977 Gli scienziati americani Allan Maxam and Walter Gilbert e l'inglese Frederick Sanger
mettono a punto 2 diversi metodi per sequenziare il DNA, cioè per "leggere" la successione di
basi nucleotidiche che lo compongono. Il metodo di Sanger, oggi automatizzato, è quello tuttora
utilizzato.
1985 Lo scienziato americano Kary Mullis inventa la PCR, una tecnica che permette di moltiplicare
artificialmente il DNA, anche se presente in quantità minima.
1986 Il premio Nobel Renato Dulbecco e Leroy Hood lanciano l'idea di sequenziare l'intero
genoma Umano.
1990 Negli Stati Uniti nasce ufficialmente lo Human Genome Project (HGP), sotto la guida di
James Watson. Negli anni successivi Regno Unito, Giappone, Francia, Germania, Cina si uniscono
al progetto formando un consorzio pubblico internazionale. In Italia il progetto genoma nasce nel
1987 ma si interrompe nel 1995.
1992 Craig Venter lascia l'NIH e il progetto pubblico. Fonderà una compagnia privata, la Celera
Genomics, portando avanti un progetto genoma parallelo.
1993 Francis Collins e John Sulston diventano direttori rispettivamente del National Human
Genome Research Center negli USA e del Sanger Center in Inghilterra, i 2 principali centri
coinvolti nel HGP.
Celera Genomics
Craig Venter
National Human Genome Research Center
Francis Collins
1999 (Dicembre) Pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 22.
2000 (Maggio) pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 21.
2000 (Giugno) Francis Collins e Craig Venter annunciano congiuntamente di aver
completato la "bozza" del genoma Umano.
2001 La bozza completa del genoma umano (che gli inglesi chiamano working
draft) è pubblicata su Nature (quella del consorzio pubblico) e su Science (quella
della Celera).
2000-2001
Il Genoma Umano completamente
sequenziato e assemblato
www.corriere.it
venerdi , 07 aprile 2000
BIOLOGIA
Un «libro delle istruzioni»
Un «libro delle istruzioni», la cura dei tumori è più vicina
3/5
Boncinelli Edoardo
Nella fase immediatamente successiva si tratterà di cercare di sapere la
funzione del maggior numero possibile dei nostri geni. Averli individuati tutti e
conoscere la funzione di alcuni di essi non è chiaramente sufficiente a soddisfare
la nostra curiosità e a venire incontro alle nostre aspettative per quanto
riguarda le applicazioni alla nostra salute. Va detto subito che questa fase sarà
molto più lunga di quella che si sta per concludere e richiederà decenni, se non
secoli. Il guadagno dovrebbe essere però straordinario soprattutto dal punto di
vista conoscitivo. Sapremo che cosa fanno i geni di cui conosciamo qualcosa,
cosa fanno qu elli che conosciamo appena e cosa fanno anche quelli che non
conosciamo e che non immaginiamo nemmeno che possano esistere.
Progetto Genoma Umano
Il Progetto Genoma Umano prevede l'analisi del genoma attraverso
la tecnica del sequenziamento del DNA.
Il sequenziamento consiste nell'individuare e
ordinare tutti i nucleotidi che costituiscono il nostro
patrimonio genetico così come sono posizionati nel
genoma.
I nucleotidi sono quattro e sono le molecole di
base con le quali è costruito il DNA, sono
indicati anche con il termine di basi e sono
l'adenina (A), la timina (T), la guanosina (G), la
citosina (C).
Sequenziare vuol dire quindi "leggere" l'ordine in cui sono disposte lungo il DNA
le basi, cioè le lettere del codice genetico.
Approcci
Il DNA analizzato dal Progetto Genoma Umano proviene da piccoli
campioni di sangue o di altri tessuti, ottenuti da molti individui
diversi e sani.
• il DNA viene frammentato in tanti piccoli frammenti
• isolamento di un frammento di DNA
• inserimento in un vettore che consente di ottenerne una quantita’
illimitata
• sequenziamento
-Sequenziamento di un numero SUFFICIENTEMENTE
ALTO di frammenti selezionati in maniera random
In questo modo ovviamente si ottengono le sequenze di frammenti di
DNA di cui non si conosce l'ordine. I frammenti, essendo stati
generati in maniera casuale, saranno parzialmente sovrapponibili e
pertanto sarà possibile, grazie sia ad un lavoro manuale che all'ausilio
dei computer, ordinare tutti i frammenti e ottenere un'unica lunga
sequenza di DNA, cioè la sequenza completa del genoma umano
Assemblaggio dei CONTIGS
28643 sequenze
U65747
atgcaagcctacgtcctaccgcattaacagg
U85746
gcattaacaggcgattagggcatcccagctgg
atgccatgcaagcctacgtcctaccgcattaacagg
gcattaacaggcgattagggcatcccagctgg
Aprile 2003: Progetto Genoma Umano completato
(99% sequence; accuracy 99.9%)
Sequencing Centers: China, France,
Germany, Japon, UK, USA
Human Genome Project: sforzi economici dei governi di diversi paesi
CELERA: capitali privati americani
Data from Human Genome Project: free on dedicated databases
Data from Celera: available for a fee
Quali informazioni?????
Il sequenziamento non ci fornisce informazioni direttamente applicabili per
conoscere i meccanismi alla base dei processi fisiologici e patologici dell'uomo,
ma rappresenta uno strumento grazie al quale sarà più semplice in futuro
identificare il ruolo delle diverse porzioni di DNA.
Questo tipo di conoscenze permetterà di identificare le eventuali
differenze genetiche tra persone affette da patologie e persone
sane, e in futuro l'individuazione di queste divergenze potrebbe
essere utile non solo per diagnosticare una malattia prima
dell'insorgenza, e pertanto prevenirla dove possibile, ma anche per
ideare strategie per curare definitivamente questi soggetti
correggendo l'alterazione direttamente a livello del genoma.
Il Genoma Umano in numeri
• 23 paia di cromosomi
• 3.000.000.000 paia di basi
• 30.000-40.000 geni
•Non si conosce la funzione di circa la meta’ dei geni scoperti
Che cosa ci dicono i risultati del Progetto Genoma Umano??
• L’organizzazione del genoma umano
1.
2.
3.
le regioni ricche di geni sono ricche in G e C
le regioni povere di geni sono ricche in A e T
Il cromosoma 1 ha il maggior numero di geni (2968), il cro
mosoma Y il minor numero (231)
• Meno del 2% del genoma codifica per proteine
•
Piu’ del 50% del genoma e’ costituito da sequenze ripetute
con funzione sconosciuta
Esoni e Introni
• I geni coprono solo il 2% dell’intero genoma umano, il resto è porzione
non-codificante le cui funzioni, ancora non ben definite, potrebbero
includere:
1) il mantenimento dell’integrità strutturale del cromosoma,
2) la regolazione della quantità di proteine tradotte
• I termini esoni ed introni si riferiscono alla porzione codificante e non
(rispettivamente) del gene.
Cod
Non-cod
Che cosa ci dicono i risultati del Progetto Genoma Umano??
Il Genoma Umano rispetto agli altri organismi
Non si può capire come è fatto il genoma
umano e come funzionano i nostri geni se non
li confrontiamo con quelli dei principali
organismi modello:
Gli altri progetti genoma
E. Coli
S. Cerevisiae
Drosophila Melanogaster
Danio Rerio (zebrafish)
Mus musculus
Rattus Norvegicus
Primati non umani
I meccanismi che controllano la riparazione
del DNA, importantissimi per comprendere la
biologia del cancro, sono conservati fino ai
batteri.
I meccanismi che controllano la duplicazione
del DNA e le transizioni che accompagnano il
ciclo cellulare sono ben conservati fino ai
lieviti.
I meccanismi che determinano l’impostazione
del piano di sviluppo corporeo sono
sorprendentemente simili negli insetti e nei
mammiferi.
Solo il confronto con gli organismi modello
(genomica comparativa) ci permetterà di
conoscere cosa ci accomuna alle altre specie
e le ragioni delle nostre peculiarità.
Hs
1
2
3
4
5
6
7
ATCTACGACTTCCAAGTCATCTGTAGTCCA
CTCTGCGACTTCCACGTCATCTGACGTGGA
AACTATGAATTCCAAGTCATCTGAAATGCT
ATGTACCACTTCCAAGTCATCTGAAGAGCA
TTCATCGCCTTCCAAGTCATCTGCAGTACA
AGCTAAGACTTCCATGTCATCTGACGTGTA
ATATACCAGTTCCAAGTCATCTGAATTGCG
ATCCACGGCTTCCAAGTCATCTGAAGCGCA
Inoltre i modelli sperimentali geneticamente
trattabili sono fondamentali per lo studio della
funzione genica in condizioni normali e patologiche
Il genoma umano e quello delle scimmie
antropomorfe è identico per più del 98%
Il gene Foxp2 svolge un ruolo essenziale nello sviluppo della
comunicazione sociale.
L'associazione fra Foxp2 e il linguaggio era stata identificata per la prima volta
in una famiglia nella quale metà dei membri avevano gravi disturbi della lingua e
della grammatica. Gli studi avevano indicato che gli individui in questione
presentavano tutti una mutazione nel gene Foxp2, che si trova sul braccio lungo
del cromosoma 7.
From Nature Reviews Neuroscience
Febbraio 2005
FOXP2 e’ un gene presente anche nei topi e negli scimpanze’, ma
che ha subito una mutazione recente nell’evoluzione (circa 120200 mila anni fa) producendo una nuova sequenza genica che si e’
fissata nella nostra specie
Grazie alle proteine prodotte
dalla nuova sequenza genica,
bocca e laringe si sono
perfezionate tanto da
permettere l´articolazione di
suoni complessi
Le persone con una sola copia di questo gene funzionante
hanno problemi nell'articolare il linguaggio, nel seguire le
regole grammaticali e nel muovere i muscoli del viso.
VARIABILITA’ GENETICA INTERINDIVIDUALE
Sebat et al, Science 2004; Iafrate et al, NG 2004
L’analisi dell’intero genoma,
eseguita in PERSONE
NORMALI, ha evidenziato
centinaia di regioni,lunghe
almeno 100 KB, presenti in
piu’ copie (duplicazioni,
triplicazioni) o delete
rispetto alle due copie
attese, una materna e una
paterna
7
8
In alcune regioni il nostro genoma non e’ diploide
duplication
deletion
inversion
from few Kb to some Mb
Migliaia di regioni genomiche
(CNVs)
sono state trovate delete o
duplicate in individui normali
[genomic variants database]
Iafrate, 2004; Sebat, 2004;
Tuzun, 2005; Redon, 2006
Almeno il 10% del nostro genoma e’ costituito da regioni
presenti in piu’ o meno copie rispetto alle due attese
secondo la genetica mendeliana
C. Lee, 2008
Il numero di copie per ogni sequenza di
DNA, sia genica che extragenica, e’
diverso in diversi
individui e tale variabilita’ interessa
almeno il 10% del nostro genoma
Come conseguenza la lunghezza del DNA di due individui
sani puo’ differire anche di 20 Mb
R. Redon, 2006; KK Wong, 2007
Che tipo di geni sono contenuti all’interno delle
CNV benigne??
ƒ Geni per i recettori dell’olfatto
ƒ Geni per la risposta immune Oncosoppressori
ƒ Geni per il metabolismo degli ormoni e dei farmaci
ƒ Geni per I processi digestivi (i.e. amylase genes)
1
2
Qual’e’ il significato e la funzione di
queste
varianti benigne????
ƒ sono associate a variabilita’ fenotipica e a una
maggiore suscettibilita’ alla malattia??
ƒ subiscono una pressione selettiva??
Si possono delineare diverse situazioni
1. Selezione positiva di una CNV
Gene dell’amilasi, AMY gene, codifica per
l’amilasi alpha salivare una delle componenti
principali della
saliva
Il numero di copie del gene dell’amilasi salivare (AMY1)
e’ correlato positivamente con
la quantita’ della proteina salivare
E’ stata dimostrata una correlazione tra numero di copie
del gene AMY1
e abitudini alimentari, in particolare l’ingestione di amido
Maggiore e’ il contenuto di amido nella dieta, maggiore e’
il numero di copie
del gene – maggiore quantita’ di amilasi salivare facilita
la digestione di amido
Diet and the evolution of
human amylase gene copy
number variation
George H Perry, NG 2007
Popolazioni artiche
essenzialmente pescatori
Societa’ Biaka
Raccoglitori e cacciatori
Basso numero di copie del gene
AMY1
Popolazioni asiatiche
Il numero di copie del gene AMY1 e’
maggiore
cibi che contengono amido come mais, riso, grano,
legumi e tapioca e patate
Le sonde verde e rossa coprono il gene AMY1
a- individuo giapponese
che ha 14 copie del gene AMY1
10 su un cromosoma 1 e 4 sull’omologo
b- individuo di razza Biaca cn 6 copie del
gene
c- scimpanze’, essenzialmente
fruttivori, con sole due copie
George H Perry, NG 2007
2. Il diverso numero di copie di una determinata sequenza di DNA puo’
agire come fattore di suscettibilita’ per specifiche malattie
Ad es la regione 17q12 contiene numerosi geni che codificano per delle
chemochine
presenti in un numero di copie diverse in diversi individui
Le chemochine sono una famiglia di proteine coinvolte nella risposta immunitaria.
Hanno il compito di richiamare varie popolazioni cellulari che partecipano alla
risposta immune, granulociti neutrofili ed eosinofili, linfociti e monociti
Il gene CCL3L1 e’ il piu’ potente ligando conosciuto per un recettore CCR5
che
funziona da recettore anche per il virus HIV
CCL3L1
• i recettori delle chemochine sono coinvolti in associazione con l’antigene
CD4 nell’infezione da HIV
• un maggior numero di chemochine puo’ bloccare il legame del virus HIV al
recettore e la sua entrata nella cellula
E’ stato dimostrato che il numero di copie del gene CCL3L1 e
di conseguenza la
quantita’ di proteina prodotta varia moltissimo tra gli individui
e tra diverse popolazioni
Gli individui con un maggior numero di copie del gene sono
piu’ resistenti all’infezione da HIV, mentre quelli con
un numero di copie minore
sono piu’ suscettibili all’infezione del virus
Gonzalez, Science, 2005
Cosa ancora non sappiamo………
• Esatto numero dei geni, localizzazione e funzione
• Regolazione dei geni
• Tipi di DNA non-codificante, distribuzione, che tipo di
informazione contengono e relativa funzione
• Struttura e funzione di molte proteine
• Correlazione tra variazioni di sequenza tra singoli individui
con la salute e la malattia ( predizione della suscettibilita’
a specifiche malattie a secondo della variabilita’ individuale)
• Geni coinvolti nelle malattie complesse
Benefici del progetto Genoma Umano
Medicina
• migliorare la diagnosi di malattia
• identificazione di predisposizione genetica a specifiche
malattie
• creazione di farmaci sulla base di informazioni molecolari
• possibilita’ di terapia genica
• produzione di “ farmaci personalizzati” sulla base dei
profili genetici individuali
Benefici del progetto Genoma Umano
Studi sull’evoluzione
• studi sull’evoluzione e sulla migrazione di popolazioni
sulla base dello studio dei genomi materni e paterni
Benefici del progetto Genoma Umano
Identificazione delle vittime di crimini o catastrofi
attraverso l’analisi del DNA
Identificazione di potenziali sospetti paragonandone i profili
di DNA con quelli ad esempio estratti da macchie organiche,
(sangue, sudore), capelli o tracce organiche riscontrate sulla
scena del crimine
Scagionare persone accusate erroneamente di un crimine
Identificare il piu’ adatto donatore nei trapianti d’organo
Benefici del progetto Genoma Umano
Agricoltura
Creazione di piante resistenti alle malattie e agli insetti
Creazione di piante piu’ nutrienti
Sviluppo di biopesticidi