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Corso di Formazione Siracusa 28 maggio 2005
“La Biologia Molecolare
nel Laboratorio di Patologia Clinica”
Geni e Malattie
Dipartimento di Scienze Biomediche
Sezione di Biologia generale, cellulare e
di Genetica molecolare
Università di Catania
Cinzia Di Pietro
• GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGGAGCTGAGGAGCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGGTCGCACACATCCACCGGCGCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCGCCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCGGTAGACGCGACCACAGAAGATGTCGGGCCAAACGCTCACGGATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCTCTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTACTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGATCCAGGCTACCAACGAGACCAATGTTAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGGGTGGTTGTGTTTAAGGCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTCTAGAAATACACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAAGGCGCTATAGTAGATATTTGAATGAAAAGGCTTTTTCTTACAGACAGATGGCCTTTGATTTTGCCAGGGTGAAGAAAGGGGCCGATGGTGTAATGAGGACAATGGCTCCCGAAAAGCTGCTAAAGAGTATGCCAATACTACAGGGACAAATTGATGCACTGCTTGAATTTGATGTGCATCCAAATGAACTAACAAATGGTGTCATAAATGCAGCATTTATGCTTCTTTTCAAAGATCTTATCAAACTTTTTGCTTGCTACAATGATGGTGTTATTAACTTACTCGAAAAGTTTTTTGAAATGAAGAAAGGACAATGTAAAGATGCTCTAGAAATTTACAAACGATTTCTAACTAGAATGACACGAGTGTCTGAATTTCTCAAGGTTGCAGAGCAAGTTGGTATTGATAAAGGTGACATTCCTGACCTCACACAGGCTCCCAGCAGTCTTATGGAGACGCTTGAACAGCATCTAAATACATTAGAAGGAAAGAAACCTGGAAACAATGAAGGATCTGGTGCTCCCTCTCCATTAAGTAAGTCTTCTCCAGCCACAACTGTTACGTCTCCTAATTCTACACCAGCTAAAACTATTGACACATCCCCACCGGTTGATTTATTTGCAACTGCATCTGCGGCTGTCCCAGTCAGCACTTCTAAACCATCTAGTGATCTCCTGGACCTCCAGCCAGACTTTTCCTCTGGAGGGGCAGCAGCAGCCGCAGCACCAGCACCACCACCACCTGCTGGAGGAGCCACTGCATGGGGAGACCTTTTGGGAGAGGATTCTTTGGCTGCACTTTCCTCTGTTCCCTCTGAAGCACAGATTTCAGATCCATTTGCACCAGAACCTACCCCTCCTACTACAACTGCTGAAATTGCAACCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAATTTCTGGTACCACAACAAAAAAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGCAGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACCTGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCAGTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCCATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAGGCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATGTTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTACCTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAGTCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGGATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGCAATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGACTTCAAATAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCACCAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAATGTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGTACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTATTTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAATGGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGAGGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGGAAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAACTTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTTCTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGATAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCAGTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTGTGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAGAAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAATACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAAATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATATATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATCTAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAATTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATGGGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAAATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGAGATGCAATAAACACCTTGAACAAAG
3*109 bp 150*106 bp 1-5*106 bp
Proteine costitutiveIndispensabili per la sopravvivenza
La loro concentrazione deve rimanere costante
Proteine adattativeCambiamenti delle condizioni ambientali
Produrre risposte metaboliche a specifici segnali
Proteine del differenziamento
Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni specifiche
Fenotipo
“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.”
Nei geni degli eucarioti gli enhancers possono distare dalla regione codificante anche più di 50 Kb.
“Enhancers”
• 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
Il Genoma cellulare specifica :
Alcune sequenze di DNA sono trascritte in RNA che
non codifica proteine
(e.g., tRNAs, rRNAs, miRNAs)
Geni di I classe
Geni di II classe
Geni di III classe
rRNA 28S, rRNA 18S, rRNA 5.8S
mRNA, U1, U2, U4, U5 snRNAs
rRNA5S, tRNA, snRNAU6, scRNAs
Un gene………più catene polipeptidiche
Variazioni della sequenza nucleotidica correlate ad alterazioni
del fenotipo cellulareMutazioni
Mutazioni
Variabilità Genetica
Evoluzione
Variazioni della sequenza nucleotidica correlate ad alterazioni
del fenotipo cellulare
Malattie genetiche
Ad eredità mendelianaTalassemia, falcemia, fibrosi cistica
Fenotipi complessiNeoplasie, malattie degenerative
Mutazioni somatiche e germinali
Oncogeni
• Geni che controllano la proliferazione, il differenziamento cellulare e l’apoptosi
• Geni che controllano la stabilità del genoma
Metabolismo cellulare
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
• Extragenica
• Promotore
• Introni
• Siti di splicing
• Sequenza codificante
Localizzazione
CDS
Tipo di mutazione
Sostituzione
(silent, synonymous, missense nonsense)
Inserzione o Delezione (frameshift mutations)
Scientists are now learning that many
polymorphisms actually do affect a person's
characteristics, though in more complex and
sometimes unexpected ways.
SNP
Single nucleotide polymorphism
Variations Causing Latent Changes
They may also explain why one person responds to a drug treatment while another does not.
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.
AutosomalX-
LinkedY-
LinkedMitochondria
lTotal
* Gene with known sequence 9632 436 48 37 10153
+ 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 withsuspected mendelian basis 2131 150 2 0 2283
Total 15035 898 56 63 16052
OMIM Statistics for May 18, 2005
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
Identificare nuovi farmaci per la cure di specifiche malattie
Farmacogenomica
Terapia Genica
Terapia
Identificazione di mutazioni di
tumor suppressor genes
che predispongono all’insorgenza di neoplasie
Prevenzione
International Human Genome Sequencing ConsortiumNature ottobre 2004
Geni 22.214
Trascritti 34.214
1,54 Trascritti per gene
19.438 Geni caratterizzati sperimentalmente
Geni 22.287
2.188 Geni predetti
A
B
D
Genes Functions
C
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
Create cellular complexity by differential genes expression
Hobert (2004) TIBS
Hobert (2004) TIBS
International Human Genome Sequencing ConsortiumNature 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
Emmanouil et al. (2005) Nature Reviews Genetics
Conserved non genic sequence
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.
Proteoma Interactoma
Genoma Proteoma
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