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