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DNA ricombinante
Dalla manipolazione del DNA agli OGM
30 marzo 2016
Relatore: Livia Pirovano
Docente distaccata presso il CusMiBi
1) Un po’ di storia
2) Tappe della trasformazione
- Isolare il DNA esogeno
- Inserirlo nel vettore
-Tecniche di trasformazione
- Selezione dei trasformati
3) Applicazioni (anche sull’uomo)
INGEGNERIE GENETICA: produzione di nuove combinazioni di materiale ereditabile, ottenute mediante inserzione di molecole di DNA di qualunque provenienza, in un organismo ospite, nel quale tali molecole non sono presenti naturalmente ma nel quale, una volta acquisite, possono propagarsi indefinitamente. (Governo britannico)
DNA ricombinante
1973: primo esperimento di
trasformazione batterica
(introduzione di un gene
eterologo in E. coli),
effettuato da Cohen e Boyer.
Essi riuscirono a dimostrare che: • Si possono creare plasmidi artificiali in grado di replicarsi autonomamente in E. coli. • Non esistono barriere specie-specifiche. Infatti il gene che conferisce resistenza alla penicillina prelevato dal batterio Staphylococcus aureus rimane perfettamente funzionale se clonato in E. coli.
Una pietra miliare
Conferenza di Asilomar 1975
Risultati: linee guida che permettevano di utilizzare solo alcuni tipi di batteri ritenuti “sicuri” e che imponevano restrizioni sull’utilizzo di DNA di mammifero. Cinque anni dopo queste restrizioni furono corrette, permettendo un ampliamento della ricerca sui mammiferi.
Striscione di protesta nel 1977 al National Academy of Sciences Forum on Recombinant DNA
L’ Università di Stanford depose domanda di brevetto per la procedura di clonazione del DNA.
Da queste licenze nacquero 125 prodotti vendute per un totale di 35 miliardi di dollari.
Produzione di insulina umana mediante trasformazione di batteri (1982)
Ricadute DNA ricombinante
Boyer fu uno dei fondatori della Genetech, prima società biotec che sviluppo, insieme alla Eli Lilly, la produzione di insulina umana da batteri
• La scoperta di enzimi per manipolare il DNA in vitro: ENZIMI DI
RESTRIZIONE; DNA LIGASI, ecc.
• Lo sviluppo di molecole di DNA in grado di accettare DNA esogeno
e propagarsi poi negli ospiti: VETTORI
• La messa a punto di metodi per introdurre DNA esogeno attraverso
la membrana ospite: TRASFORMAZIONE
• Metodiche per IDENTIFICARE E ISOLARE le
cellule/organismi TRASFORMATI e il prodotto genico
• Metodiche che consentono di identificare, ISOLARE i GENI di
interesse
Tappe importanti per lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante
Scoperta degli enzimi di restrizione*(1962-72)
* premio Nobel 1978 a W. Arber, H. Smith e D. Nathans
1) Il fago inietta il suo DNA nel battere
2) Gli enzimi di restrizione lo tagliano
3) Il genoma batterico è metilato per evitare il taglio
1 2
3
Sito di restrizione (sequenza di basi riconosciuta da un enzima di restrizione)
sequenze palindrome
“forbici molecolari”
Taglio sfalsato
Taglio netto SI CONOSCONO OLTRE 11.000 ENZIMI
Lascia estremità a singola elica coesive
Taglio sfalsato
Taglio sfalsato
DNA ligasi
+ ATP
Lecienze: 1975 n. 87 Cohen
Arthur Kornberg identificò un meccanismo per saldare il DNA,
un enzima che egli chiamò DNA ligasi e che riforma il legame
fosfodiesterico tra due nucleotidi.
DNA ligasi
Plasmide tagliato con EcoRI DNA tagliato con lo stesso enzima EcoRI
+
Enzimi di restrizione + DNA ligasi DNA ricombinante
I DNA si uniscono con legami H perché hanno basi complementari
La DNA ligasi salda formando legami covalenti fosfodiesterici
• La scoperta di enzimi per manipolare il DNA in vitro: ENZIMI DI
RESTRIZIONE; DNA LIGASI, ecc.
• Lo sviluppo di molecole di DNA in grado di accettare DNA esogeno
e propagarsi poi negli ospiti: VETTORI
• La messa a punto di metodi per introdurre DNA esogeno attraverso
la membrana ospite: TRASFORMAZIONE
• Metodiche per IDENTIFICARE E ISOLARE le
cellule/organismi trasformati e il prodotto genico
• Metodiche che consentono di identificare, isolare i GENI di
interesse
Tappe importanti per lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante
I vettori di clonaggio in ingegneria genetica
Plasmidi
Inserto fino a 12kb
Virus
Inserto fino a 25 kb
Cosmide
Inserto fino a 45 kb
Cromosomi artificiali (YAC o BAC)
Inserto fino a 200-2000 kb
COS’E’ UN PLASMIDE
Molecola di DNA extracromosomico a doppio filamento circolare contenente geni che conferiscono proprietà particolari (es. resistenza agli antibiotici, ecc.)
Si replicano indipendentemente dal cromosoma batterico
Microfotografia elettronica
del plasmide pSC101 isolate
dal batterio E.coli e usato da
Cohen e Boyer
A partire da quelli naturali, sono stati costituiti dei plasmidi artificiali
Polylinker: sequenze nucleotidiche
riconosciute da vari enzimi di
restrizione. Si inserisce all’interno
del gene lacZ+ per la beta-
galattosidasi
ampR: marcatore selettivo,
conferisce resistenza
all’ampicillina e permette di
selezionare solo i batteri
trasformati
Ori: origine della replicazione
UN VETTORE PLASMIDICO: pUC19
• La scoperta di enzimi per manipolare il DNA in vitro: ENZIMI DI
RESTRIZIONE; DNA LIGASI, ecc.
• Lo sviluppo di molecole di DNA in grado di accettare DNA esogeno
e propagarsi poi negli ospiti: VETTORI
• La messa a punto di metodi per introdurre DNA esogeno attraverso
la membrana ospite: TRASFORMAZIONE
• Metodiche per IDENTIFICARE E ISOLARE le
cellule/organismi trasformati e il prodotto genico
• Metodiche che consentono di identificare, isolare i GENI di
interesse
Tappe importanti per lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante
• La scoperta di enzimi per manipolare il DNA in vitro: ENZIMI DI
RESTRIZIONE; DNA LIGASI, ecc.
• Lo sviluppo di molecole di DNA in grado di accettare DNA esogeno
e propagarsi poi negli ospiti: VETTORI
• La messa a punto di metodi per introdurre DNA esogeno attraverso
la membrana ospite: TRASFORMAZIONE
• Metodiche per IDENTIFICARE E ISOLARE le
cellule/organismi trasformati e il prodotto genico
• Metodiche che consentono di identificare, isolare i GENI di
interesse
Tappe importanti per lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante
Selezionare i trasformati
LB+ antibiotico o erbicida o agente selettivo
Si fanno crescere le cellule su un terreno selettivo che permette la crescita solo delle cellule trasformate.
• La scoperta di enzimi per manipolare il DNA in vitro: ENZIMI DI
RESTRIZIONE; DNA LIGASI, ecc.
• Lo sviluppo di molecole di DNA in grado di accettare DNA esogeno
e propagarsi poi negli ospiti: VETTORI
• La messa a punto di metodi per introdurre DNA esogeno attraverso
la membrana ospite: TRASFORMAZIONE
• Metodiche per IDENTIFICARE E ISOLARE le
cellule/organismi trasformati e il prodotto genico
• Metodiche che consentono di identificare, ISOLARE i GENI di
interesse
Tappe importanti per lo sviluppo della tecnologia del DNA ricombinante
Isolare il DNA di interesse
Genoma umano 3,3 x 109 pb Ogni coppia di nucleotidi 1 carattere tipografico
A) Sintesi chimica del gene di cui conosciamo la sequenza del gene o della proteina (Sanger
negli anni ’50 aveva inventato il metodo per sequenziare le proteine e negli anni ‘70 il metodo per sequenziare il DNA).
B) Genoteche a DNA o cDNA
C) Amplificazione con PCR (sfruttando la conoscenza di geni omologhi)
Isolare DNA di interesse
A) Sintesi chimica del gene della somatostatina
Il gene fu sintetizzato a partire da 8 frammenti di DNA, 42 basi codificano per la somatostatina e le altre sono estremità coesive per permettere l’inserimento nel vettore e l’epressione del gene. Il gene della somatostatina nel plasmide è fuso con il gene della beta galattosodasi che consente la normale trascrizione e traduzione
Selezione clone con gene di interesse
4) Lavaggi e esposizione del nylon a lastra fotografica per identificare il clone che porta il gene
2) Trattare il nylon con detergenti e NaOh per lisare i batteri e denaturare il DNA
1) Trasferire parte dei cloni su nylon 3) Aggiungere la
sonda che ibridizza con il gene di interesse
1. Isolare il DNA esogeno
2. Inserirlo nel vettore (ligazione)
3. Trasformazione
4. Selezione dei trasformati
5. Controllo
Tappe della trasformazione
3) Miscelare plamide e DNA esogeno e trattare
con la DNA ligasi
2) Taglio del DNA esogeno con lo
stesso enzima di restrizione
1) Taglio del vettore con enzima di restrizione
Plasmide ricombinanate
2) Inserimento nel vettore
3) Trasformazione batterica
• Attraverso la trasformazione si introduce del DNA estraneo nella cellula batterica
• Avviene in natura ma MOLTO RARAMENTE
• Ci sono due metodi artificiali che consentono di introdurre DNA estraneo nei batteri
www.pinterest.com
3) Trasformazione batterica
• Elettroporazione:
Uno shock elettrico rende le membrane
cellulari permeabili al DNA
• Calcium Chloride/Heat-Shock:
Cellule competenti assorbono il DNA dopo
un trattamento chimico e uno shock termico
Tipicamente la resa di trasformazione è di 1 su 10.000 cellule per CaCl2 ma 1 su 100 per l’elettroporazione
3) Trasformazione batterica: Elettroporazione
Gli impulsi elettrici ad alto voltaggio destabilizzano la membrana cellulare e inducono la formazione transiente di pori che favorisce l’ingresso del DNA Funziona per batteri e cellule animali e vegetali
1. Trattamento con CaCl2:
gli ioni Ca++ schermano le cariche negative del DNA e le cariche negative dei fosfolipidi di membrana
2. Incubare in ghiaccio:
rallenta il movimento delle molecole della membrana
3. Heat-shock:incrementa la permeabilità delle membrane
3) Trasformazione batterica: Calcium Chloride/Heat-Shock
Ca
++
Ca++
Ca++
4) Selezione dei batteri trasformati
1 su 10.000 batteri vengono trasformati mediante heat-shock
Per selezionare i batteri trasformati si fanno crescere su un terreno selettivo cioè contenente un antibiotico
LB + Amp
Batterio Lacz-
con plasmide LacZ+
Batterio Lacz-
senza plasmide
Batterio Lacz-
con plasmide e inserto
X-Gal
IPTG
LB + Amp
IPTG= analogo lattosio
Il lattosio è un disaccaride formato da una molecola di galattosio e da
una di glucosio unite da un legame β-glucosidico. La β-galattosidasi
rompe questo legame
X-gal:molecola di glucosio unita a un precursore dell’indaco: l’enzima-β galattosidasi rompe il legame e si produce il colore blu
X-Gal:substrato cromogeno
4) Selezione dei batteri trasformati
LATTOSIO IPTG
X-Gal:5-bromo-4-cloro-3-indolyl- β galatoside
IPTG: isopropyl- β-D-1-thiogalactopyranoside
lacZ+
lacZ+
inserto
-galactosidasi tetramero
(funzionale)
-galactosidasi monomero
(non funzionale)
Colonie bianche
LB+ Amp + X-gal + IPTG
Colonie blu
Plasmide senza inserto Plasmide con inserto
4) Selezione dei batteri trasformati
Metodi di trasformazione nei
vegetali
• Agrobacterium tumefaciens
• Particle gun o
Biolistico
• Trasferimento chimico
elettrico, microiniezione
Si spara su diversi
tessuti vegetali:
foglie, calli,
embrioni, cotiledoni,
ecc.
Particle gun o biolistico
Un batterio presente naturalmente nel suolo che infetta molti tipi di piante
Agrobacterium tumefaciens
Ti:Tumor inducing
contiene geni vir
T-DNA: transfer DNA
contiene geni per
opine e ormoni
vegetali
in natura Opine
Ormoni vegetali
Right Border
Auxine Opine
Citochinine
Geni vir ORI
Catabolismo
opine
in laboratorio
Agrobacterium tumefaciens
Geni nuovi Marcatore di
selezione
Ti plasmide
Si eliminano tutti i geni non utili e si inseriscono tra i left e right border i geni
nuovi e gene selettivo
Plamide
ricombinante
T-DNA Left Border
DNA esogeno
A. tumefancies ricombinante
Alberts et al. (2002) Molecular biology of the cell
Come si ottengono piante trasformate
Terreno con ormoni
vegetali
1 2
3
4
4
• Resistenza agli insetti, virus, funghi, nematodi
• Tolleranza agli erbicidi
• Resistenza a stress: siccità, salinità….
• Miglioramento della qualità nutrizionale e commerciale
• Produzione di composto ad uso biomedico e industriale (vaccini, ormoni, enzimi, biocarburanti…)
Pomodoro transgenico a maturazione ritardata
Mais Bt
Agricoltura: le PGM: perché si fanno?
Golden Rice contiene il
precursore della vitamina A
Maiale transgenico: produce, nel
latte, la proteina C umana
(controlla la coagulazione)
Trasformazione animale
Microiniezione ovocita fecondato
Elettroporazione in ES
Vettore virale in ES (staminali embrionali)
Agricoltura-Zootecnica: piante resistenti a parassiti, tolleranti agli erbicidi, miglioramento qualità nutrizionali e commerciali, resistenti a stress, che producono proteine utili… Medicina-Farmacologia: produrre farmaci, vaccini, antibiotici, reagenti diagnostici o per terapie contro il cancro o terapie geniche Bioindustria (chimica, alimentare): produzione di enzimi (es. rennina per i formaggi), solventi, detergenti, materie plastiche, reagenti.. Protezione ambientale: biorisanamento di ambienti contaminati, depurazione delle acque e dei reflui, bioindicatori Energia: batteri che producono sostanze tensioattive che ne favoriscono la separazione del petrolio dalle rocce, biocarburanti
Perché trasformare organismi Applicazioni
Prodotto Uso Anno
• Insulina diabete 1982
• Ormone della crescita nanismo 1985
• Interferone cancro, infezioni virali 1986
• Antigene Virus rabbia vaccino 1986
• Antigene Virus polio vaccino 1987
• Antigene Virus epatite vaccino 1987
• TPA (tissue plasminogen activator) dissolve i coaguli 1988
• Fattore di necrosi tumorale terapia cancro 1989
• Fattore VIII emofilia 1989
• Eritropoietina anemia 1989
Medicina e Farmacologia Esempi di prodotti in commercio
ottenuti medianti OGM
più economici, abbondanti e sicuri
Microbial Cell Factories 2014, 13:141 400 PROTEINE
CHO: Chinese Hamster Ovary Mammalian cell
Cricetulus griseus
Yeast: Saccaromyces cerevisiae
Medicina e Farmacologia
Trasformazione cellule umane Terapia in vivo: si introduce direttamente il gene sano nel
corpo del paziente.
Terapia ex vivo: si modificano le cellule del paziente all’esterno e poi si reintroducono.
http://stemcells.nih.gov/staticresources/info/scireport/PDFs/F.%20Chapter%204.pdf
Vettori: virus
(disarmati), liposomi,
DNA nudo
Primi anni 1980: caso Cline (UCLA) - esperimenti non autorizzati in USA- tentativo di inserire geni per la globina in due talassemici (Italia e Israele) 1984: usato vettore retrovirus per trasformare cellule di mammmifero 1990: prima sperimentazione di terapia genica con finalità terapeutiche linfociti ingegnerizzati con ADA introdotti in due bambine con ADA-SCID (Severe Combined Immune Deficiency)
TERAPIA GENICA
Cenni storici:
Culver, Anderson, Blaese con le due bambine affette da
immunodeficienza trattate con terapia genica
1990 primi pazienti (4 e 9 anni) ad essere trattata con terapia genica al NIH Clinical Center a Bethesda Avevano una mutazione nel gene dell’adenosina deaminasi che causa una severa immunideficienza (ADA-SCID). I loro globuli bianchi sono stati prelevati e trasforamati con il gene corretto, usando vettore retrovirale , selezionati e trasfusi. Le due bambine hanno ricevuta diversi tratamenti di terapia genica nell’arco di 2 anni e continuavano a ricevere l’enzima ADA come proteina ricombinante.
PRIMA TERAPIA GENICA APPROVATA
1) Isolamento dei globuli bianchi
del bambino
2) Infezione dei globuli bianchi con il vettore retrovirale ADA+
3) Crescita delle cellula in coltura e verifica espressione del
transgene umano
4) Infusione dei globuli bianchi che esprimono il
gene ADA nel sistema circolatorio del paziente
ADA-SCID ImunoDeficienza Combinata Severa
La sintesi di ADA (enzima: adenosina deaminasi) ripristina la
funzione immunitaria solo per la durata della vita dei globuli
bianchi, perciò il trattamento deve essere ripetuto.
Globuli bianchi
con linfociti T
Retrovirus contente il
gene umano ADA
TERAPIA GENICA
Cenni storici:
Primi anni 1980: caso Cline (UCLA) - esperimenti non autorizzati- tentativo di inserire geni per la globina in due
talassemici in fin di vita (Italia e Israele)
1984: usato vettore retrovirus per trasformare cellule di mammmifero
1989: approvazione del primo protocollo di terapia ex-vivo
1990: linfociti ingegnerizzati con ADA introdotti in due bambine con ADA-SCID (Severe Combined Immune Deficiency)
1990-1999: Approvazione di numerosi protocolli clinici con
diversi vettori
1999: Primo decesso (Gelsinger) causato da vettori virali -
rivalutazione di tutti i protocolli clinici
Settembre 1999: morte di un paziente maschio di 18 anni (Jesse Gelsinger) affetto da deficit di ornitina-transcarbamilasi (OTC). Incapacità di metabolizzare ammonio. La sua mutazione non era severa e poteva vivere seguendo una dieta restrittiva e uso di medicine appropriate.
Decorso Clinico:
12h: febbre,
trombocitopenia,
18h: stato mentale alterato
SIRS (systemic
inflammatory responce
syndrome)
DIC (disseminated
intravascular coagulation),
multiple organ failure
98h: morte del paziente
vettore usato: adenovirus
via di somministrazione: arteria epatica
Protocollo sbagliato: iniettati un eccesso di adenovirus, lo stesso trattamento aveva portato a morte delle scimmie, Gelsinger non aveva livelli di ammonio così elevati da includerlo nella sperimentazione
Cenni storici:
2002-05: 20 pazienti trattati con terapia genica per X-linked SCID (Parigi-Londra, Dr. Fischer), con vettore retrovirale. L’integrazione retrovirale in punti sensibili del genoma di 5 pazienti causò leucemia e la morte di un paziente. Il 25% dei pazienti trattati con terapia convenzionale muore
TERAPIA GENICA
Fisher Naldini (lentivirus) Bordignon stem cell
“deve essere assolutamente chiaro che la terapia genica non è “LA TERAPIA” è un approccio tra tanti”
http://www.nature.com/nbt/journal/v29/n2/full/nbt.1769.html
Terapia genica: vettori usati
dsDNA non si integra transiente immunogenico
ssDNA non si integra Poco immunogenico
ssRNA si integra Cellule in divisione
ssRNA si integra
Anche cellule non in divisione
Non immunogenico Bassa efficienza
Terapia genica: fasi
2003: approvato in Cina il primo prodotto per terapia genica contro cancro al capo e collo, la GENDICINA è un adenovirus contenente il gene oncosoppressore p53.
2012: approvato in Europa e USA il GLYBERA, un vettore AAV contenente il gene LPL, una lipasi. Terapia genica per la LPL deficiency
Problemi principali della terapia genica
Espressione bassa o transitoria
Dimensioni dell’inserto rispetto alla capacità del vettore
Difficoltà a raggiungere alcuni tessuti (es.SNC)
Risposte immunitarie dell’ospite
Incapacità ad infettare cellule quiescenti (retrovirus)
Mutagenesi inserzionale (con ruolo oncogeno)
2015: scoperta dell’anno per Science
DNA editing CRISPR-Cas: Clustered regularly interspaced short palindromic repeats-Cas.
Scoperto da Emmanuelle Charpentier e Jennifer Doudna è un meccanismo di difesa dei batteri dai virus Formato da un RNA guida che indica il punto preciso dove va tagliato il DNA e una proteina che opera il taglio. Con questo metodo si può fare una inserzione oppure una modificazione mirata del DNA dell’ospite
Molti scienziati, tra cui gli inventori di CRISPR, chiedono una moratoria, in mancanza di regole condivise, sull’uso della tecnica su cellule germinali o embrioni umane a scopo terapeutico ma concordano sulla necessità di continuare la sperimentazione
Io sono leggenda è un film del 2007 di Lawrence, tratto dal romanzo di Matheson e gli zombi sono persone infettate da un virus creato per curare il cancro.
TERAPIA GENICA è ALLA BASE DI ALCUNI FILM Cultura popolare
L’alba del pianeta delle scimmie è un film del 2011di Wyatt, in cui la terapia genica con il virus ALZ-112 riguarda la cura dell’Alzheimer capace di potenziare i recettori neurali.
Essenziale è CORRETTA INFORMAZIONE in modo da non creare:
-eccessive e false aspettative che possono aprire le porte ai ciarlatani (vedi caso stamina)
-nell’opinione pubblica “anticorpi” contro la scienza e le sue possibili applicazioni biotecnologiche (vedi OGM e vaccini)
Conclusioni
Siti internet
http://stemcells.nih.gov/info/scireport/pages/chapter11.aspx http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/jgm.2698/full http://www.asgct.org/general-public/educational-resources/faqs http://www.gmo-compass.org/eng/gmo/db/ http://archiv.ipn.uni-kiel.de/eibe/HOME.htm http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp http://croptechnology.unl.edu/pages/index.php?featmed=1 http://www.sumanasinc.com/webcontent/animations/molecularbiology.html http://www.biology.arizona.edu/default.html http://learn.genetics.utah.edu https://www.dnalc.org http://www.nature.com/nature/archive/specials.html
• 1985 trasformare con successo le cellule (coltivate in vitro) di pazienti affetti da ADA con retrovirus
• 1986 hanno provato l’efficienza e la innocuità della trasformazione di cellule del midollo osseo di animali. Il metodo è innocuo ma l’efficacia era molto bassa
• 1988 provano a trasformare colture in vitro di globuli bianchi animali. L’esperimento ebbe così successo che il team pensò di applicarlo all’uomo.
• 1990 a due bambine venne applicata con successo la terapia genica con linfociti trasformati
• 1992 Bordignon usa cellule staminali ematopoietiche per curare la stessa patologia
• 1993 altri bambini con questa malattia sono stati trattati con terapia genica usando cellule del sangue immature ricavate dal cordone ombellicale, con questo si è ottenuta una maggior durata.
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