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INGEGNERIA GENETICA E DINTORNI

DNA, SUE MODIFICAZIONI E CONSIDERAZIONI EVOLUTIVE

Prof. Massimiliano Della Mea

LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

Evoluzione, selezione naturale ed artificiale

16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

AnassimandroAnassimandro(Mileto 610 ca. - 547 ca. a.C.)

La vita si origina nelle acque e l’uomo deriva dai pesci o simili creature

AristoteleAristotele(Stagira, Macedonia 384 - Calcide, Eubea 322 a.C.)

Le specie costituiscono una scala gerarchica immutabile e

sempre esistita. La riproduzione non

determina mai cambiamenti

nella sostanza ma

negli accidenti

Dottrina Biblica Dottrina Biblica -- GenesiGenesiIn principio Dio creò il cielo e la terra. Ora la terra era informe e deserta e le tenebre

ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque.Dio disse: "Sia la luce!". E la luce fu. Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera e fu mattina: primo

giorno.Dio disse: "Sia il firmamento in mezzo alle acque per separare le acque dalle acque". Dio fece il firmamento e separò le acque, che sono sotto il firmamento, dalle acque, che son

sopra il firmamento. E così avvenne. Dio chiamò il firmamento cielo. E fu sera e fu mattina: secondo giorno.

Dio disse: "Le acque che sono sotto il cielo, si raccolgano in un solo luogo e appaia l'asciutto". E così avvenne. Dio chiamò l'asciutto terra e la massa delle acque mare. E Dio

vide che era cosa buona. E Dio disse: "La terra produca germogli, erbe che producono seme e alberi da frutto, che facciano sulla terra frutto con il seme, ciascuno secondo la

sua specie". E così avvenne: la terra produsse germogli, erbe che producono seme, ciascuna secondo la propria specie e alberi che fanno ciascuno frutto con il seme,

secondo la propria specie. Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: terzo giorno.

Dio disse: "Ci siano luci nel firmamento del cielo, per distinguere il giorno dalla notte; servano da segni per le stagioni, per i giorni e per gli anni e servano da luci nel

firmamento del cielo per illuminare la terra". E così avvenne: Dio fece le due luci grandi, la luce maggiore per regolare il giorno e la luce minore per regolare la notte, e le stelle. Dio le pose nel firmamento del cielo per illuminare la terra e per regolare giorno e notte

e per separare la luce dalle tenebre. E Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: quarto giorno.

Dio disse: "Le acque brulichino di esseri viventi e uccelli volino sopra la terra, davanti al firmamento del cielo". Dio creò i grandi mostri marini e tutti gli esseri viventi che

guizzano e brulicano nelle acque, secondo la loro specie, e tutti gli uccelli alati secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. Dio li benedisse: "Siate fecondi e

moltiplicatevi e riempite le acque dei mari; gli uccelli si moltiplichino sulla terra". E fu sera e fu mattina: quinto giorno.

Dio disse: "La terra produca esseri viventi secondo la loro specie: bestiame, rettili e bestie selvatiche secondo la loro specie". E così avvenne: Dio fece le bestie selvatiche secondo la loro specie e il bestiame secondo la propria specie e tutti i rettili del suolo

secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona.E Dio disse: "Facciamo l'uomo a nostra immagine, a nostra somiglianza, e domini sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo, sul bestiame, su tutte le bestie selvatiche e su

tutti i rettili che strisciano sulla terra".Dio creò l'uomo a sua immagine;

a immagine di Dio lo creò;maschio e femmina li creò.

Dio li benedisse e disse loro:"Siate fecondi e moltiplicatevi,

riempite la terra;soggiogatela e dominate

sui pesci del maree sugli uccelli del cielo

e su ogni essere vivente,che striscia sulla terra".

BuffonBuffon (1707-1788)

• Creazione più trasformazione

Età della Terra?

60006000ChiesaChiesa

7500075000BuffonBuffon

GeorgesGeorges Cuvier Cuvier (1769 - 1832),

• Catastrofista

fossili antidiluvianifossili antidiluviani

D’OrbignyD’Orbigny (1802 - 1857)

Teoria delle Creazioni successive

Louis AgassizLouis Agassiz (1807-1873)

• 50-80 estinzioni seguite da corrispondenti creazioni

Prima o poi riuscirò a farlo bene

Jean-Baptiste de LamarckLamarck (1744 - 1829)

• Generazione spontanea

• Trasformazioni successive causate da mutazioni

ambientali.

• Mutamenti delle strutture corporee dovuti all'uso

(prima legge)

• Ereditarietà dei caratteri acquisiti (seconda legge).

Charles Darwin Charles Darwin (1809-1882)(1809-1882)

1836: Notebooks on the Transmutation of Species1836: Notebooks on the Transmutation of Species16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

risorsepopo

Thomas Robert Malthus (1798)Thomas Robert Malthus (1798)An Essay on the Principle of Population, An Essay on the Principle of Population,

Basi della Teoria EvolutivaBasi della Teoria Evolutiva

• COMPETIZIONECOMPETIZIONE

• SELEZIONE NATURALESELEZIONE NATURALE

• EREDITARIETA’EREDITARIETA’

• 1858: Teoria Evolutiva di 1858: Teoria Evolutiva di WallaceWallace

• 1859: 1859: The Origin of SpeciesThe Origin of Species

SELEZIONE NATURALE

SELEZIONE ARTIFICIALE MEDIANTE INCROCIO

Come spiegare la Teoria Evolutiva?Come spiegare la Teoria Evolutiva?

• 1) Trasmissione ereditaria?

• 2) Caratteristiche ereditarie non mescolate?

• 3) Origine delle variazioni?

G. Mendel (1866)G. Mendel (1866)

1) Legge della dominanza1) Legge della dominanza

2) Legge della segregazione2) Legge della segregazione

3) Legge dell’assortimento indipendente3) Legge dell’assortimento indipendente

Teoria Sintetica dell’EvoluzioneTeoria Sintetica dell’Evoluzione

IL DNA

• Watson e Crick (1953)• Rosalind Franklin (1920-1958)

REPLICAZIONESEMICONSERVATIV

A DEL DNA

(Meselson e Stahl-1957)

DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA

GENOTIPO AMBIENTE

FENOTIPO

AMBIENTE E FENOTIPO

i gemelli

domani

Domani16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

La DNA polimerasi è un enzima impreciso

1 errore ogni

100000 basi 6000 mutazioni ogni

divisione cellulare

La DNA polimerasi è un enzima impreciso

1 errore ogni

100000 basi 6000 mutazioni ogni

divisione cellulare

Esistono meccanismi di riparazione

1 errore ogni

10000 basi 600 mutazioni ogni divisione cellulare

1 errore ogni

10000 basi 600 mutazioni ogni divisione cellulare

97% circa di DNA non codificante (JUNK DNA)

18 mutazioni su DNA codificante

vacillamento della terza base

Circa 6 mutazioni su 3 miliardi di basi, ossia lo 0.0000001%16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

INGEGNERIA GENETICA

IL DNA RICOMBINANTE

A G G C C A T T C G T A A A A T C5’ 3’

T C C G G T A A G C A T T T T A G

A G G C C A G T A A A A T C5’ 3’

T C C G G T C A T T T T A G

A G G C C A C G A G T A A A A T C5’ 3’

T C C G G T G C T C A T T T T A G

Trasformazione BiolisticaTrasformazione Biolistica(Bio-balistica)(Bio-balistica)

???? ??

DNA legato a microproiettili d’oro

Particle Gun: spara i microproiettiliParticle Gun: spara i microproiettili nel campionenel campione

Dip. BES UNIBO

GFP – Green Fluorescent Protein

Dip. BES UNIBO

GFP-AtPNG1P

Dip. BES UNIBO

Il caso del Bacillus turingensis

?16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

KNOCK OUT

GENE- DNA

PROTEINA

GENE- DNA

PROTEINA

RNA antisenso

GENE- DNA

PROTEINA

GENE- DNA

PROTEINA

A.A. thaliana AtPng1p WTthaliana AtPng1p WT 10 days 30°C10 days 30°C

A.A. thaliana KOthaliana KO 10 days 30°C10 days 30°C16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

Dip. BES UNIBO

Dip. BES UNIBODip. BES UNIBO

Dip. BES UNIBO

AtPNG1p

Dip. BES UNIBO

TOPI KNOCK OUT

INGEGNERIA GENETICA e Homo sapiens

The Human Genome Project16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

• 1990 - 2003

• Circa il 92% di genoma mappato + altri genomi– 3 •109 coppie di basi

• Circa 25000 geni presenti (come il topo)

• 97% del DNA a funzione ignota (JUNK DNA)

• Differenti etnie uguali al 99.99%– unica derivazione molto probabile

• La maggior parte delle mutazioni è di origine maschile

The Human Genome Project

Genomica e post-genomicathe “omics” era

• Genoma → genomica

• Proteoma → proteomica

• Metaboloma → metabolomica

• Ecceteroma → ecceteromica

-omiche e salute umana

insulina

Diabete (iperglicemia)

normalizzazione16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

insulina16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

insulina

ATGGGAAAAATCAGCAGTCTTCCAACCCAATTATTTAAGTGCTGCTTTTGTGATTTCTTGAAGGTGAAGATGCACACCATGTCCTCCTCGCATCTCTTCTACCTGGCGCTGTGCCTGCTCACCTTCACCAGCTCTGCCACGGCTGGACCGGAGACGCTCTGCGGGGCTGAGCTGGTGGATGCTCTTCAGTTCGTGTGTGGAGACAGGGGCTTTTATTTCAACAAGCCCACAGGGTATGGCTCCAGCAGTCGGAGGGCGCCTCAGACAGGCATCGTGGATGAGTGCTGCTTCCGGAGCTGTGATCTAAGGAGGCTGGAGATGTATTGCGCACCCCTCAAGCCTGCCAAGTCAGCTCGCTCTGTCCGTGCCCAGCGCCACACCGACATGCCCAAGACCCAGAAGTATCAGCCCCCATCTACCAACAAGAACACGAAGTCTCAGAGAAGGAAAGGTTGGCCAAAGACACATCCAGGAGGGGAACAGAAGGAGGGGACAGAAGCAAGTCTGCAGATCAGAGGAAAGAAGAAAGAGCAGAGGAGGGAGATTGGAAGTAGAAATGCTGAATGCAGAGGCAAAAAAGGAAAA

GH (Growth Hormon)

Nanismo ipofisario

normalizzazione16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA

GH (Growth Hormon)

TTC CCA ACC ATT CCC TTA TCC AGG CTT TTT GAC AAC GCT ATG CTC CGC GCC CAT CGT CTG

… … … … … … … … … … … …

CELLULE STAMINALI – STEM CELLS

CELLULE STAMINALE OMBELICALI

CELLULE STAMINALI ADULTE

MULTIPOTENZA

DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO

Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5

SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.

Szabo, E. et al. : Direct conversion of human fibroblasts to multilineage blood progenitors (Nature, 2010).

Sdifferenziamentogeneticamente indotto

Staminalimultipotentidel sangue

ALCUNI ARGOMENTI DI RIFLESSIONE

CELLULE STAMINALI EMBRIONALI

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