Il progetto GENOMA

Marta Franceschetti

Classe:

Va Liceo Psicopedagogico

Momento del percorso formativo

Mod.1 – Mendel e la Genetica Classica

Mod.2 – Acidi nucleici e Sintesi delle Proteine

Mod.3 – Genetica Molecolare

Regolazione dell’espressione genica

Tecnologie del DNA ricombinante

Il progetto Genoma Umano

Obiettivi Didattici

1) Definizione, Scopi e prospettive di un Progetto Genoma

2) Fasi necessarie al sequenziamento

3) Tappe storiche del Progetto Genoma Umano

4) Era post genomica

5) Implicazioni Etiche e Politiche

Obiettivi Formativi

• Importanza della collaborazione e condivisione dei risultati scientifici

• Ogni nuova conoscenza scientifica ha implicazioni etiche e sociali

Prerequisiti:

- Struttura di DNA e RNA

- Meccanismi di Duplicazione, Trascrizione e Traduzione

- Mappatura Genetica

- Plasmidi e Virus come vettori genetici

GENOMA: Insieme delle informazioni genetiche depositate nella sequenza del DNA delle cellule.

Progetto Genoma Umano: si propone di descrivere completamente il genoma umano mediante il sequenziamento del DNA

Determinazione della sequenza lineare delle basi che lo

compongono (3.12 x109 bp)

Obiettivi del Progetto Genoma Umano:

1. Creazione di accurate mappe fisiche dei cromosomi umani

2. Sviluppo di tecnlogie di supporto e di attrezzature per la ricerca

3. Espansione delle reti di comunicazione e della capacità di

archiviazione ed elaborazione dei dati.

• Identificazione di alterazioni nella sequenza di DNA determinanti lo sviluppo di patologie umane – geni malattia.

• Comprendere le basi genetiche dell’evoluzione e del funzionamento dell’organismo umano.

Per ottenere la Sequenza del DNA:

A. Suddividere il DNA in frammenti più piccoli

B. Amplificazione dei segmenti di DNA

C. Sequenziamento vero e proprio

D. Analisi dei dati (Bioinformatica)

Suddividere il DNA in frammenti più piccoli:

• Meccanicamente

• Utilizzando Enzimi di Restrizione

Amplificazione dei plasmidi e del

segmento esogeno

Scoperti nel 1978 nei batteri come

meccanismo di difesa

dall’infezione di patogeni

Costruzione di una Genoteca – Banca Genomica

Amplificazione mediante PCR (K. Mullis 1985)

SequenziamentoMetodo di Sanger (1977)

Didesossinucleoside

Ogni nucleotide si associa ad una colorazione diversa: ddATP ddTTP ddGTP ddCTP

Consente di avere un’unica reazione ed un’unica corsia

Sequenziamento Automatico: marcatori fluorescenti rilevati da laser

Ordinamento dei segmenti per sovrapposizione di sequenza - Bioinformatica

DNA Genomico

Clonaggio in vettori per grossi inserti di DNA (YAC, BAC, PAC) e assemblaggio per zone di sovrapposizione

Subclonaggio in vettori da sequenziamento

Sequenziamento

Frammenti casuali derivanti da rottura meccanica del DNA clonati in vettori da

sequenziamento

Sequenziamento automatico

Ricostruzione computerizzata della sequenza genomica

Consorzio PubblicoApproccio Top Down

Celera GenomicsApproccio Whole Genome Shotgun

Diverso modo di procedere tra:

1985 K. Mullis inventa la PCR per amplificare frammenti di DNA.

1986 R.Dulbecco e L.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. Fonda la compagnia privata Celera Genomics, portando avanti un progetto genoma parallelo.

1993 F. Collins e J. 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.

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).

LE TAPPE DEL PROGETTO GENOMA

Febbraio 2001: Pubblicazione del Genoma Umano

Alla fine, tutti e 2 gli approcci sono stati utili: quello di Venter per la sua efficienza, automazione e rapidita’, quello del consorzio pubblico per ordinare esattamente le

sequenze ripetute

Dopo il sequenziamento…

Il gene umano medio

Lunghezza 17.000 coppie di basi (17 kb)17.000 coppie di basi (17 kb)

Numero di esoni 77

Lunghezza dell’esone 100-200 nucleotidi100-200 nucleotidi

Lunghezza dell’introne 200-2.000 nucleotidi200-2.000 nucleotidi

Il numero di geni stimato scende da 50.000-100.000 a circa 30.000

Progetti Ancillari – Sequenziamento del Genoma di altri organismi

H. Sapiens 3000 million bases 30,000 M. Musculus (mouse) 3000 million bases 30,000Drosophila (fruit fly) 180 million bases 13,061Arabidopsis (plant) 100 million bases 25,000C. elegans (roundworm) 97 million bases 19,099S. cerevisiae (yeast) 12.1 million bases 6,034E. coli (bacteria) 4.67 million bases 3,237

Organismo Stima dimensioni Genoma Stima n°di geni

Che cosa ci rende umani?

Inoltre il 60% delle proteine umane previste mostra similarità di sequenza con proteine presenti in altre specie (drosofila, lievito)

IPOTESI regolazione genicaefficienza di splicinginterazioni proteina-proteina

• Le sequenze altamente conservate è più probabile codifichino per

proteine funzionalmente importanti.

• Informazioni sull’evoluzione.

• Determinazione delle peculiarità umane rispetto ad altre specie.

• Studio della funzione genica in condizioni normali o patologiche indotte

in modelli sperimentali.

Utilità della Genomica Comparativa

Progetti Ancillari – Human Genome Diversity Project

• La variabilità genetica è determinata dalle mutazioni che rendono due

individui diversi.

• Il Genoma Umano nucleare di due individui è conservato per il 99,9%,

il rimanente 0,1% racchiude quelle differenze che rendono i due

individui diversi.

Ricaduta immediata: poiché le sequenze finali sono state ottenute

sovrapponendo la sequenza di individui diversi, è stato possibile indivisuare

un numero molto alto di polimorfismi di singoli nucleotidi (SNPs)

GeneFenotipo

Che cosa è cambiato? Problema: Identificazione della corrispondenza

Era Pre-GenomicaAnalisi genetica

classica

Era Post-GenomicaAnalisi genetica

inversa

• Carattere• Identificazione prodotto genico implicato• Sequenza genica putativa• Ricerca in banca dati• Isolamento del gene e sua caratterizzazione

• Sequenza di DNA• Analisi bioinformatica• Funzione putativa• Analisi Funzionale

Ma ancora…La sequenza del DNA non è sufficiente

1) Identificazione di tutti i geni (???)

2) Studio della loro espressione e funzione, in condizioni sia fisiologiche che patologiche

3) Comprensione del ruolo biologico delle sequenze intergeniche

Con la Genomica…

• Trascrittomica • Proteomica • Genomica Strutturale• Knockout studies• Terapia Genica• Test diagnostici

E’ possibile brevettare le sequenze nucleotidiche che compongono i vari geni?

•La ricerca sul genoma umano ha un valore universale e

quindi dovrebbe essere patrimonio di tutti.

• Ma l’elevato costo, sia umano sia tecnologico, può

essere sostenuto solo con la vendita delle conoscenze

acquisite.

• Brevettabilità dei geni implicati in gravi malattie

ereditarie di cui si potrebbe avere un test diagnostico.

• Determinismo genetico – Influenza ambientale

…

Nel 1999 Venter avanzò la richiesta di brevettare tutte le sequenze geniche di cui era in possesso fino a quel momento.

Il governo americano decise che non si può brevettare una sequenza, ma solo la conoscenza che si ha su di essa.

Quindi per brevettare un gene è importante conoscerne la funzione o almeno la potenziale rilevanza.

Fine