[email protected] OTTOBRE 2014 Venerdì 10, 9-11 Virus e Procarioti Mercoledì 15, 8.30-10.30 Nucleo e cromatina (cap. 3 e 10) Venerdì 17, 9-11 Trascrizione, traduzione, meccanismi di segnalazione cellulare (cap. 4, 5 e 13) Mercoledì 22, 8.30-10.30 Membrane biologiche (cap. 6 e 7) Venerdì 24, 9-11 Mitocondri e metabolismo (cap. 8) Mercoledì 29, 8.30-10.30 Ciclo cellulare e mitosi (cap. 12) NOVEMBRE 2014 Mercoledì 5, 8.30-10.30 Cellule staminali Mercoledì 19, 8.30-10.30 Meiosi e riproduzione (cap. 12) DICEMBRE 2014 Mercoledì 3, 8.30-10.30 Trasmissione dei caratteri ereditari (cap. 14) Mercoledì 10, 8.30-10.30 Mutazioni e variabilità del genoma (cap. 15) Biologia βίος λόγος scienza a forte componente storica, non formula leggi assolute ma elabora teorie valide oggi, forse confutabili domani βίος = Vita = proprietà che un sistema chimico manifesta quando raggiunge/supera un determinato elevato livello di organizzazione Un vivente è formato da atomi organizzati in molecole … un insieme di molecole non è vivo La vita scaturisce dalle modalità di interazione delle molecole tra loro I viventi condividono le stesse caratteristiche: nascita, crescita, riproduzione, (e morte) sono le più evidenti manifestazioni della vita • L’evoluzione modifica gli organismi viventi • Nuove specie discendono da specie più antiche • La diversità dei viventi è enorme … quasi due milioni di specie popolano la Terra RNA DNA FUNZIONI DELLE PROTEINE: • catalisi (enzimi) • regolazione • strutturale (es. citoscheletro) • contrattile (movimento) • trasferimento (pompe e canali) • comunicazione (ormoni e recettori) • difesa (anticorpi e tossine) • deposito (proteine del “vitello”) • trasporto (es. trasporto di lipidi) protozoi, funghi, piante, animali I Procarioti (Eubatteri ed Archea), i più antichi esseri viventi, presentano la maggiore diversità genetica e metabolica. Possono essere sia aerobi che anaerobi, autotrofi o eterotrofi, fotoautotrofi o fotoeterotrofi o chemiolitotrofi; possono ricavare energia dalla ossidazione anaerobica del metano oppure dalla ossidazione anaerobica dell’ammoniaca, … Gli Archea sono perfettamente adattati ad ambienti estremi che oggi sono sempre meno frequenti Genoma dell’Archea Methanococcus Adattamento stabile da modificazione del DNA Gli Archea hanno introni nel loro DNA circolare organizzato in cromatina, nelle loro membrane sono presenti anche eteri ed isoprenoidi e la loro parete cellulare è priva di peptidoglicani Le loro proteine sono perfettamente specializzate a funzionare in condizioni ambientali estreme, mantenendosi stabili ed attive Eubatteri: hanno invece sviluppato meccanismi che consentono di adattarsi a tutti gli ambienti, adattabili ma non adattati Protein Adaptations in Archaeal Extremophiles – Archaea, 2013;2013:373275. Epub 2013 Sep 16 - Reed CJ, Lewis H, Trejo E, Winston V, Evilia C. GLI ARCHEA SI SONO ADATTATI A VIVERE IN AMBIENTI ESTREMI CHE SONO SEMPRE MENO FREQUENTI IL LORO ADATTAMENTO CHIAMA IN CAUSA MODIFICAZIONI DEL DNA E QUINDI DEI GENI Gran Lago Salato (Utah) Octopus Spring (Yellowstone) BASTONCELLO FILAMENTI BATTERI Si conoscono tipi caratteristici di aggregazione batterica: diplococchi, batteri sferici associati a due a due, streptococchi, se sono disposti a formare una catena, stafilococchi, se formano un grappolo. SPIRILLI SFERICA VIBRIONI EUBATTERI Sono aploidi Si dividono con grande rapidità originando cloni identici Possono essere suddivisi in oltre 10 diversi phyla Hanno un alto tasso di mutazioni Hanno una elevata velocità di crescita RIPRODUZIONE ASESSUATA Nel battere, il cromosoma circolare è organizzato in domini superavvolti: • alcuni accessibili per la trascrizione, altri • momentaneamente inaccessibili Circa il 98% del genoma circolare dei batteri è codificante I geni sono organizzati in sequenze lineari dette operon, ogni operon è sotto il controllo di un singolo promotore I geni che codificano per piccoli RNA si trovano insieme ad altri geni organizzati in operon Le dimensioni dei vari operon non sono molto diverse, per questo è sufficiente un unico tipo di RNA polimerasi per la trascrizione di qualsiasi operon La regolazione trascrizionale degli operon è affidata a poche proteine L’aumento di variabilità è affidato: -nei Procarioti a scambi “orizzontali” di DNA che aumentano le probabilità che convergano in una stessa cellula più mutazioni favorevoli e di disporre di nuove sequenze di DNA - negli Eucarioti a scambi “verticali” di DNA che viene rimescolato nel corso della meiosi e della riproduzione sessuale con i gameti Tra noi e loro c’è un abissale differenza nella velocità di evoluzione: Circa 350 generazioni ci separano da un uomo vissuto all’epoca delle Piramidi Per un battere 350 generazioni si hanno in una sola settimana Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online: 07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 Stephen M. Collins and Premsyl Bercik Ci sono prove emergenti che indicano che il microbioma intestinale può influenzare la chimica e lo sviluppo del cervello ed il comportamento degli animali. Fattore di fertilità F Alcuni batteri saranno F+, altri F- Batteriofago (virus specifico per i batteri) I ricercatori del Progetto Microbioma Umano stanno studiando gli abitanti microbici del corpo umano, utilizzando campioni prelevati da 242 adulti sani in 15 siti corporei (per i maschi) e 18 siti corporei (per le femmine): pelle (quattro siti), bocca e gola (nove siti), vagina (tre siti), narici e feci (per rappresentare il tratto gastrointestinale distale). Sono state stimate il numero di specie microbiche e dei loro geni. Nella figura sono mostrate le stime grossolane del numero di specie microbiche rosso) e del numero di geni microbici (blu) nei siti contenenti la più elevata diversità di specie, quali tratto gastrointestinale e denti (placca sopragengivale); siti con diversità intermedia, quali interno della guancia (mucosa buccale) e narici (narici anteriori), e siti con diversità inferiore, quale il fornice vaginale posteriore. Gli autori hanno anche trovato una sostanziale variazione nella diversità e nella composizione delle comunità microbiche in siti differenti all'interno della stessa regione generale del corpo. Learning about who we are - David A. Relman - Nature 486, 194–195 (14 June 2012) doi:10.1038/486194a Nel nostro organismo, le cellule batteriche sono più numerose delle cellule del nostro corpo (rapporto circa dieci a uno). Questi ospiti residenti sono adesso diventati oggetto di un'intensa attività di ricerca, che sta cominciando a chiarire il loro ruolo nella salute e nella malattia. Sorprendentemente, si scopre che dobbiamo gran parte della nostra biologia e della nostra individualità ai microbi che vivono sul e nel nostro corpo - una informazione che promette di modificare radicalmente i principi e la pratica della medicina, della salute pubblica e delle scienze di base. Il Consorzio Progetto Microbioma Umano studia i costituenti del microbioma. Si dovrebbero indagare anche i virus del microbioma per trovare risposte alle domande sulle funzioni del microbioma. Ignoriamo quasi completamente molti dei servizi che i nostri ecosistemi microbici ci forniscono e dai quali dipende la nostra salute. Learning about who we are - David A. Relman - Nature 486, 194–195 (14 June 2012) doi:10.1038/486194a Ci sono prove emergenti che indicano che il microbiota intestinale può influenzare la chimica e lo sviluppo del cervello ed il comportamento degli animali. Alcuni autori mostrano che l'ingestione di probiotici selezionati può modificare la connettività cerebrale e le risposte alle sfide emotive in soggetti sani, aprendo la strada per lo sfruttamento terapeutico dell'asse microbioma-cervello sia per le funzionalità gastrointestinali che per disturbi primari del comportamento. Gut microbiota: Intestinal bacteria influence brain activity in healthy humans - Nature Reviews Gastroenterology & Hepatology – News & Views - Volume 10 Issue 6 - Published online: 07 May 2013 - p326 - doi:10.1038/nrgastro.2013.76 - Stephen M. Collins and Premsyl Bercik With a little help from my phage friends - Nature Reviews Microbiology, published online 24 June 2013; doi:10.1038/nrmicro3070 Prove crescenti suggeriscono che il microbioma intestinale ha un notevole impatto sulla fisiologia dell’ospite, ma non è ancora chiaro come la capacità funzionale del microbioma si mantenga dopo l'esposizione a stress ambientali. Recentemente è stato trovato che la popolazione residente di fagi fornisce al microbioma una riserva di geni vantaggiosi preservando la robustezza funzionale della microflora nel corso dell’esposizione a stress ambientale. Nel complesso ecosistema dell'intestino, i fagi sembrano contribuire con geni benefici per consentire l’adattamento dei loro ospiti batterici a condizioni di stress. Dopo trattamento con antibiotico, i genomi dei fagici si erano arricchiti di geni di resistenza farmaco-specifica e di geni di resistenza multipla ai farmaci, indicando che il metagenoma fagico contribuisce all’insorgenza della multidrug resistance. Oltre ai geni della resistenza, sono risultati arricchiti anche altri geni che codificano per geni della riparazione del DNA. The last resort – Nature, 499, 394-395, 25 July 2013 – Maryn McKenna L‘ultima risorsa: gli operatori della sanità stanno guardando con orrore come i batteri diventano resistenti ai potenti nuovissimi antibiotici carbapenemici . Vaginal microbe yields novel antibiotic Drug is one of thousands that may be produced by the human microbiome. Erika Check Hayden, 11 September 2014 Sett 2014 Nel numero di Cell di settembre 2014, alcuni ricercatori hanno dimostrato che i batteri che vivono dentro e su di noi possono sintetizzare un vasto numero di molecole con azione farmacologica, tra cui un nuovo antibiotico. Il microbioma manifesta un enorme potenziale per la produzione di molecole antimicrobiche. Anche se vari studi avevano suggerito che la composizione del nostro microbioma può avere enormi ripercussioni sulla nostra salute, è stato difficile dimostrare esattamente come funziona. Alcuni ricercatori sono andati a caccia nel microbioma di geni che producono piccole molecole con potenziale azione farmacologica. Sono stati individuati migliaia di geni che consentono la sintesi di piccole molecole. Alcune di queste molecole appartengono ad una classe di antibiotici tiopeptidici che sono in fase di sperimentazione in studi clinici. Vaginal microbe yields novel antibiotic - Drug is one of thousands that may be produced by the human microbiome. Erika Check Hayden, 11 September 2014 E’ stato trovato che batteri che vivono su e dentro di noi intervengono in tale processo, costruendo farmaci direttamente sui nostri corpi. La squadra di Fischbach ha purificato un tiopeptide prodotto da un batterio che vive normalmente nella vagina umana. I ricercatori hanno dimostrato che tale farmaco può uccidere altri batteri, come ad esempio lo Staphylococcus aureus che può causare infezioni della pelle. Questo è il primo lavoro che isola nuovi composti con forte potenziale farmacologico dal microbioma umano e fornisce una piattaforma interessante per l’estrazione dai nostri microbiomi di nuovi composti di interesse medico. Lo studio del microbioma potrebbe portare all’identificazione di nuovi tipi di molecole il cui studio potrebbe aiutare i ricercatori a capire come il microbioma influenza la nostra suscettibilità alle malattie. Nessuno aveva previsto che i batteri avessero la capacità di fare così tanti tipi di farmaci. Bacteria found in healthy placentas Katia Moskvitch, NEWS in Nature del 21 maggio 2014 - doi : 10.1038/nature.2014.15274 Mag 2014 Una flora microbica analoga a quella della bocca può svolgere un ruolo nella prevenzione delle nascite premature. Il sacco amniotico in cui il feto cresce è un ambiente sterile, ma la placenta - un organo che il feto ha in comune con la madre – ospita una comunità batterica. Oggi alcuni ricercatori riferiscono che la placenta, a lungo considerata sterile, è sede di una comunità batterica simile a quella presente nella bocca. I microbi sono generalmente non patogeni, ma secondo gli autori dello studio, variazioni nella loro composizione potrebbero essere alla base dei comuni ma poco conosciuti disturbi della gravidanza come la nascita pretermine, che si verifica in una gravidanza su dieci. Nel 2012, Kjersti Aagaard, un ostetrico presso il Baylor College of Medicine di Houston, in Texas, ed i suoi collaboratori hanno scoperto che i microbi più abbondanti nella vagina di una donna incinta erano diversi da quelli di una donna non incinta, e che non erano generalmente rappresentativi di quelli che erano più comuni nelle feci del bambino nella sua prima settimana di vita. Per studiare dove venissero questi microbi, il team ha deciso di esaminare la placenta. In questo nuovo studio, i ricercatori hanno prelevato campioni di tessuto placentare da 320 donne appena dopo il parto, hanno estratto il DNA dal tessuto e lo hanno sequenziato. Hanno trovato che il peso della madre o il fatto di aver partorito con o senza il cesareo non sembra cambiare la composizione del microbioma placentare. Ma, dice Aagaard, la comunità batterica "era diversa tra le donne che avevano avuto un parto pretermine o che avevano avuto un'infezione molto prima, come ad esempio un’infezione delle vie urinarie - anche se che quella infezione era stata curata e guarita molti mesi o settimane prima". I loro risultati sono pubblicati oggi in Science Translational Medicine. I ricercatori hanno anche confrontato i microbiomi placentari con quelli che si trovano nella vagina, nell’intestino, nella bocca e sulla pelle delle donne non gravide. Essi hanno scoperto che il microbioma placentare era più simile a quello della bocca. Gli autori ipotizzano che i microbi viaggiano dalla bocca alla placenta attraverso il sangue. I risultati rafforzano i dati che suggeriscono un legame tra la malattia parodontale nella madre ed il rischio di parto pretermine, dice Aagaard. "Questo è il primo studio che dimostra che anche in una gravidanza normale c'è un microbioma specifico associato con una placentazione normale", dice George Saade, un ostetrico presso l'University of Texas Medical Branch a Galveston, che non è stato coinvolto nel lavoro. Il team sta ora studiando come le comunità microbiche delle donne cambiano durante la gravidanza. L'obiettivo è identificare le donne a rischio di parto pretermine, e sviluppare modi per prevenire o trattare le sue complicanze nei neonati - eventualmente tramite cambiamenti nella dieta per aumentare i microbi sani nella placenta, nella vagina o nella bocca e nell’intestino. 14 Gen 2014 Una dieta alimentare a lungo termine influenza la struttura e l'attività delle migliaia di miliardi di microrganismi che risiedono nell'intestino umano, ma non è ancora chiaro quanto rapidamente e in modo riproducibile il microbioma intestinale umano risponde al cambiamento macronutrienti breve termine. Qui mostriamo che il consumo a breve termine di diete composte interamente da prodotti animali o vegetali altera la struttura della comunità microbica. La dieta a base animale ha aumentato l'abbondanza di microrganismi bile-tolleranti (Alistipes, Bilophila e Bacteroides) ed ha fatto diminuire i livelli dei Firmicutes che metabolizzano polisaccaridi vegetali alimentari (Roseburia, Eubacterium rectale e Ruminococcus bromii). I microbi presenti riflettono le differenze tra mammiferi erbivori e carnivori. In concerto, questi risultati dimostrano che il microbioma intestinale può rispondere rapidamente alle modificazioni della dieta, favorendo potenzialmente la diversità degli stili di vita alimentari umani. Scoperta dei virus Verso la fine dell’800 il botanico russo Dmitri Ivanovsky, ha tentato di isolare il «battere» responsabile di una patologia del tabacco cercando di filtrare un estratto di piante mediate mediante filtri a maglie piccolissime. Nei filtri non si trovava niente, ma l’estratto che era ancora in grado di trasmettere l’infezione doveva contenere un battere sorprendentemente piccolo oppure qualcosa di diverso e nuovo. In seguito anche altri studiosi confermarono che varie patologie erano provocate da questo tipo di agentipatogeni piccolissimi, visualizzati solo non appena è stata disponibile la microscopia elettronica. VIRUS -è un complesso macromolecolare formato da DNA o RNA (≥2000 nt) rinchiuso in un involucro proteico. Qualche volta è presente una membrana lipidica di rivestimento -non è un vero e proprio organismo vivente, ma piuttosto è un parassita genetico in quanto manca di metabolismo I virus sono parassiti intracellulari obbligati che si possono riprodurre solo dentro una cellula ospite I virus non hanno enzimi per il metabolismo, non hanno ribosomi, non possono sintetizzare nè DNA, nè RNA, nè proteine infezione VIRUS Nuovi VIRUS trasfezione RNA(+) o DNA(+) Nuovi VIRUS Come e dove si può incontrare un virus? Nell’aria che respiriamo (raffreddore, influenza, vaiolo, …) Mediante scambi di liquidi organici (HIV) Mediante animali, ad esempio insetti (febbre gialla) Alimentazione (epatite A) I virus sono i più numerosi e diversificati soggetti genetici presenti dappertutto sulla Terra, in grado di infettare organismi di tutti e tre i domini della vita, persino altri virus. Nel genoma di tutti gli eucarioti sono presenti miriadi di sequenze virali di ogni tipo che si sono integrate e diventate endogene nel corso di milioni di anni. I virus hanno profondamente influenzato l'evoluzione della vita fin dalla sua origine. Le proprietà infettive di virus ne consentono la diffusione orizzontale negli individui. Molti virus diventano parte del materiale genetico dei loro specie ospiti, un processo che viene chiamato endogenizzazione. Endogenous viruses: insights into viral evolution and impact on host biology - Feschotte e Gilbert - Nature Reviews Genetics, 13, 283-296 - doi: 10.1038/nrg3199