Metodi e sistemi in Genetica – modulo II (variabilità genetica nelluomo) – Fulvio Cruciani...

Metodi e sistemi in Genetica – modulo II (variabilità genetica nell’uomo) –Fulvio Cruciani [email protected] Tel. 06 49912857/924stanza 1-06 (piano terra) ricev. Mercoledì 14-16, altri giorni su appuntamento.

Materiale per la preparazione dell’esame – modulo II - A.A. 2007/2008:

1) Questa presentazione power point +2) Libro: Human evolutionary genetics (Jobling et al. ) Garland

Science 2004Capitolo 3 tutto (esclusi box e paragrafi 3.6 e 3.8)Capitolo 4 tutto (esclusi box e paragrafi 4.10.2 e 4.11)Capitolo 15 tutto (esclusi box)

Il testo è disponibile in biblioteca

Per gli argomenti relativi a equilibrio di Hardy-Weinberg, deriva, selezione, mutazione e migrazione è sufficiente la trattazione fatta a lezione. Volendo approfondire si può fare riferimento al capitolo 5 del libro citato

Consiglio per gli Consiglio per gli studentistudenti Questo modulo si compone essenzialmente di una parte Questo modulo si compone essenzialmente di una parte

descrittiva e di una parte applicativa. Lo studente deve descrittiva e di una parte applicativa. Lo studente deve essere in grado di collegare le due parti affinché sia in grado essere in grado di collegare le due parti affinché sia in grado di dare delle risposte alle diverse problematiche. Ad di dare delle risposte alle diverse problematiche. Ad esempio, è importante sapere che il tasso di mutazione dei esempio, è importante sapere che il tasso di mutazione dei microsatelliti è pari 10microsatelliti è pari 10-3 -3 generazione (parte descrittiva) per generazione (parte descrittiva) per capire il motivo per il quale i microsatelliti non possono capire il motivo per il quale i microsatelliti non possono essere utilizzati in studi interspecie (parte applicativa) e così essere utilizzati in studi interspecie (parte applicativa) e così via.via.

La variabilità genetica La variabilità genetica (V.G.)(V.G.)

1.1. V.G. somaticaV.G. somatica

2.2. V.G. gametica intraindividuoV.G. gametica intraindividuo

3.3. V.G. gametica intrapopolazione V.G. gametica intrapopolazione (polimorfismo)(polimorfismo)

4.4. V.G. gametica interpopolazioneV.G. gametica interpopolazione

5.5. V.G. interspecie (filogenetica)V.G. interspecie (filogenetica)

V.G. INTRASPECIEV.G. INTRASPECIE

V.G. INTERSPECIEV.G. INTERSPECIE

La variabilità genetica a livello La variabilità genetica a livello molecolaremolecolare

Singole sost. nucleotidicheSingole sost. nucleotidiche Piccole inserzioni/delezioniPiccole inserzioni/delezioni MicrosatellitiMicrosatelliti MinisatellitiMinisatelliti Altri VNTRAltri VNTR Inserzioni di elementi retrotrasponibiliInserzioni di elementi retrotrasponibili Varianti strutturali microscopiche e Varianti strutturali microscopiche e

submicroscopichesubmicroscopiche Variabilità nel numero di cromosomiVariabilità nel numero di cromosomi Variabilità nel numero di ploidiaVariabilità nel numero di ploidia

Generalmente nonpolimorfici(frequenza < 0.01%)


Dove si trovano le Dove si trovano le mutazioni?mutazioni?

Alcune mutazioni sono distribuite in modo casuale nei cromosomi, altre presentano una distribuzione non omogenea


Tasso di mutazioneTasso di mutazione

I differenti tipi di mutazione differiscono circa il loro tasso di mutazione per diversi ordini di grandezza

La variabilità genetica a livello La variabilità genetica a livello molecolaremolecolare1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)

E’ la forma di variazione del DNA più E’ la forma di variazione del DNA più comune. comune.

Confrontando due cromosomi umani Confrontando due cromosomi umani omologhi, si osserverà omologhi, si osserverà una SNS ogni una SNS ogni mille basimille basi

Confrontando una popolazione di Confrontando una popolazione di cromosomi omologhi, si osserverà cromosomi omologhi, si osserverà uno SNP ogni 200 basi..

Le SNS sono 10 volte più frequenti Le SNS sono 10 volte più frequenti delle ins/deldelle ins/del

Le transizioni sono 2 volte più Le transizioni sono 2 volte più frequenti delle transversionifrequenti delle transversioni

Il tasso di mutaz. più elevato si Il tasso di mutaz. più elevato si osserva per i dinucleotidi CpGosserva per i dinucleotidi CpG

Il DNA mitocondriale è caratterizzato Il DNA mitocondriale è caratterizzato da un elevato tasso di mutazione (10 da un elevato tasso di mutazione (10 volte più elevato del DNA nucleare)volte più elevato del DNA nucleare)

I polimorfismi per SNS sono di norma biallelici e sono stabili da un punto di vista evolutivo (UEPs, unique events polymorphisms)

Il dinucleotide CpG è un hotspot di mutazioneIl dinucleotide CpG è un hotspot di mutazione

La variabilità genetica a livello La variabilità genetica a livello molecolaremolecolare1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)


Le conseguenze delle mutazioni puntiformi sono Le conseguenze delle mutazioni puntiformi sono molteplici molteplici

La maggior parte delle SNS è neutra, ma in alcuni casi si producono effetti sull’espressione dei geni


2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)

I microsatelliti sono una classe di DNA ripetuto in tandem (VNTR, variable number of tandem repeats) caratterizzato da un piccolo numero di ripetizioni corte in tandem.

Sono comuni nel DNA nucleare di tutti gli eucarioti fino ad ora esaminati

Nei primati rappresentano circa 1% del genoma



I microsatelliti possono essere perfetti, interrotti o composti e vengono ulteriormente classificati in base alla lunghezza del motivo ripetuto (dinucleotide repeats, trinucleotide repeats ecc..)

perfetti

interrotti

composti



• Il polimorfismo nei microsatelliti consiste nel diverso numero di copie del motivo semplice • il numero degli alleli è generalmente compreso tra 2 e 20• il grado di variabilità dei microsatelliti è correlato positivamente con il numero di ripetizioni; microsatelliti corti sono in genere monomorfici• A causa dell’elevato tasso di mutazione, gli alleli dei microsatelliti uguali in stato spesso non lo sono per discendenza (non UEPs)• microsatelliti interrotti in genere mostrano un grado minore di variabilità di microsatelliti perfetti di pari lunghezza • La mutazione nei microsatelliti generalmente non ha effetti fenotipici, ma in alcuni casi è causa di importanti malattie, in gran parte neuro-degenerative



I microsatelliti sono distribuiti in modo omogeneo nel genoma umano

L’elevato tasso di mutazione nei microsatelliti è L’elevato tasso di mutazione nei microsatelliti è dovuto a scivolamento della polimerasi in dovuto a scivolamento della polimerasi in replicazionereplicazione



•Tasso di mutazione molto elevato

•La mutazione avviene generalmente per aumento o diminuzione di una singola unità ripetitiva

•Mutazioni per aumento più frequenti di mutazioni per diminuzione

•Il tasso di mutazione per ciascun microsatellite è correlato con la lunghezza dell’allele


3. minisatelliti3. minisatelliti

I minisatelliti hanno un motivo ripetuto di 8-100 basi ed un numero di ripetizioni spesso elevato (fino a 1000)

Si trovano in diversi organismi, uomo incluso

Sono localizzati spesso nelle regioni sub-telomeriche


3. minisatelliti3. minisatelliti

I differenti alleli differiscono per lunghezza ma anche per sequenza (diverso dai microsatelliti)

Il processo di mutazione è complesso e coinvolge la ricombinazione ineguale e la conversione genica

Il tasso di mutazione è molto elevato (10-2/generazione)


4. 4. DNA satellite (macrosatelliti) e ripetizioni telomericheDNA satellite (macrosatelliti) e ripetizioni telomeriche

IL DNA satellite (macrosatellite) è caratterizzato da ripetizioni lunghe (spesso) >1000 basi, ed una lunghezza totale di diverse decine di migliaia di basi

Il suo polimorfismo è dovuto in gran parte a ricombinazione omologa ineguale tra omologhi o cromatidi fratelli

Sebbene altamente polimorfico, non è facilmente utilizzabile come marcatore a causa delle sue dimensioni

Ripetizioni telomeriche:Nell’uomo (ttaggg) X 2000-3000

Polimorfismo per presenza/assenza di un elemento trasponibile

Sempre biallelici e UEPS

Nell’uomo tre classi principali attive: L1 (LINE), Alu (SINE) ed SVA


5. 5. Inserzione di elementi trasponibiliInserzione di elementi trasponibili

La tipizzazione degli elementi trasponibili polimorfici è estremamente semplice:

PCR + elettroforesi


5. 5. Inserzione di elementi trasponibili - AluInserzione di elementi trasponibili - Alu

Struttura e trasposizione di Alu

Gli elementi Alu sono retrotrasposoni non autonomi, lunghi circa 290 bp, omologhi all’RNA 7SL.Contengono un promotore interno per la RNA pol III, presentano un poly-A terminale e sono fiancheggiati da ripetizioni terminali dirette. Non codificano per proteine.Per la retrotrasposizione sfruttano proteine codificate da L1.


5. 5. Inserzione di elementi trasponibili - AluInserzione di elementi trasponibili - Alu

Esistono diverse famiglie di elementi Alu, contraddistinte da specifiche mutazioni

La maggior parte degli elementi Alu polimorfici nell’uomo appartengono alla famiglia Alu Y (e sottofamiglie).


5. 5. Inserzione di elementi trasponibili – L1Inserzione di elementi trasponibili – L1

Gli elementi retrotrasponibili umani L1 sono una classe di LINEs lunghe circa 6 kb. Si traspongono in modo autonomo, sfruttando una reverse trascrittasi da esse codificata ed una endonucleasi che taglia il DNA nel sito di inserzione.Producono delle ripetizioni dirette (TSD) in corrispondenza del sito di inserzione La famiglia L1 è l’unica LINE attiva nel genoma umano, principalmente con la sottofamiglia LINE1 Ta


5. 5. Inserzione di elementi trasponibili - SVAInserzione di elementi trasponibili - SVA

Elemento SVA

Esistono diverse famigli SVA, di cui solo E e T sono attive nell’uomo

SVA = SINE-R; VNTR; AluElemento non autonomo (sfrutta trascrittasi inversa di LINE?)Presenza di poly A al 3’Target site duplications (TSD) fiancheggianti


5. 5. Inserzione di elementi trasponibili – incidenzaInserzione di elementi trasponibili – incidenza


6. Varianti strutturali6. Varianti strutturali

Le varianti strutturali coinvolgono variazioni di grandi porzioni (> 1kb) del genoma.

Si possono distinguere due classi:

1. Grandi varianti strutturali (>3 Mb), visibili al microscopio, includono aneuploidie, riarrangiamenti e siti fragili.

Le grandi varianti strutturali generalmente non mostrano polimorfismo nelle popolazioni (frequenza dell’allele più comune > 95%) poiché controselezionate. Esempi di polimorfismo sono una inversione pericentromerica del cromosoma 9 e la variazione di lunghezza della regione eterocromatica del braccio lungo del cromosoma Y.

2. Varianti strutturali submicroscopiche (1kb-3Mb)

Includono principalmente inversioni e “copy-number variants” e sono spesso osservate a frequenze polimorfiche nelle popolazioni

segue….


6a. Varianti strutturali sub-microscopiche (VSSM)6a. Varianti strutturali sub-microscopiche (VSSM)

Fino al 2004 erano note solo una decina di VSSM. Oggi se ne conoscono oltre 600, per oltre 100 Mb di DNA

Principalmente varianti per numero di copie (CNV) oppure inversioni

Si stimano in media 100 CNVs >50 kb per individuo.

Le CNV e le inversioni sono trovate frequentemente in corrispondenza di duplicazioni segmentali

6b. Varianti strutturali 6b. Varianti strutturali sub-microscopiche sub-microscopiche

(VSSM) nel cromosoma Y(VSSM) nel cromosoma Y

Il cromosoma Y presenta un elevato numero di varianti strutturali:- delezioni- inversioni- duplicazioni- variazioni di lunghezza

Metodi e sistemi in Genetica – modulo II (variabilità genetica nelluomo) – Fulvio Cruciani...

Documents

Transcript of Metodi e sistemi in Genetica – modulo II (variabilità genetica nelluomo) – Fulvio Cruciani...