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Progetto genoma umano

Laura Ceccon, Alberto Frigo

Di cosa si tratta?

Il Progetto Genoma Umano è stato un programma di ricerca scientifica internazionale.

L'obiettivo principale era quello di determinare la sequenza delle coppie di basi azotate che formano il DNA e di identificare e mappare i geni del genoma umano dal punto di vista sia fisico sia funzionale.

Cos'è il progetto genoma umano?

L'HGP (Human Genome Project) ha inoltre studiato vari altri organismi non umani quali il batterio Escherichia coli, il moscerino della frutta Drosophila melanogaster e il topo da laboratorio.

Studi su altri organismi

Tappe principali

Il progetto genoma umano è iniziato nel 1990. Avrebbe dovuto concludersi in 15 anni, ma il suo completamento è stato raggiunto già nell'aprile del 2003, con due anni di anticipo.

1990

Negli Stati Uniti nasce ufficialmente lo Human Genome Project, sotto la guida di Jamelia D. Wilckinson, presso l'U.S. Department of enerergy & National Institutes of Health.

Negli anni successivi si uniscono al progetto Regno Unito, Francia, Canada, uova Zelanda, Germania, Giappone e Cina.

Il budget iniziale è di tre miliardi di dollari

1992

Craig Venter lascia i NIH e il progetto genoma pubblico.

Nel 1998 fonda la Celera Genomics, una compagnia privata, portando avanti un progetto parallelo.

Viene pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 22

1999 (Dicembre)

Viene pubblicata su Nature la sequenza completa del cromosoma 21

2000 (Maggio)

Francis Collins (direttore NIH) e Craig Venter annunciano congiuntamente di aver completato la bozza (working draft) del Genoma Umano.

2000 (Giugno)

La bozza completa del genoma umano e le prime analisi sono pubblicate su Nature (quella del NIH) e su Scienze (quella della Celera)

2001 (Febbraio)

2003 (Aprile)

Il progetto è dichiarato finito, con due anni di anticipo rispetto ai tempi stabiliti.

E' stato sequenziato il 99% del genoma con una accuratezza del 99,9%

Obiettivi principali

Obiettivi

  • determinare una mappa completa dei cromosomi umani

  • identificare tutti i geni nel DNA umano (previsti circa 100 000)

  • sequenziare gli oltre 3 miliardi di nucleotidi che costituiscono l’intero patrimonio genetico umano.

Grazie al progetto genoma umano è inoltre possibile:

• Identificare i geni responsabili delle malattie mendeliane

• Rivelare le regioni di controllo non codificanti

• Identificare polimorfismi

Cos'altro è possibile?

Sclerosi tuberosa

Sequenziamento del DNA significa

determinazione della sequenza lineare

delle basi che lo compongono, quindi

“leggere” l’ordine in cui A, T, C e G sono

disposte lungo il DNA

Il sequenziamento è stato realizzato attraverso il Metodo di Sanger

In che modo?

Il Metodo di Sanger utilizza nucleotidi modificati (dideossinucleotidi trifosfato, ddNTPs) per interrompere la rezioni di sintesi in posizioni specifiche.

I ddNTPs si differenziano dai dNTP per l'assenza del gruppo idrossilico

sul carbonio 3' della molecola.

I ddNTP, a causa della loro struttura, impediscono che un altro

nucleotide si leghi ad essi, in quanto non si possono formare legami

fosfodiesterici.

Metodo di Sanger

Le componenti richieste per il protocollo classico erano:

  • Uno stampo di DNA a singolo filamento

  • un primer per iniziare la reazione di polimerizzazione (corto filamento che viene sintetizzato chimicamente complementare al DNA stampo)

  • enzima (DNA polimerasi di E.coli per copiare la sequenza di DNA)

  • Deossinucleotidi (dATP, dCTP, dGTP, dTTP)

  • Dideossinucleotidi (ddNTPs) marcati radioattivamente per visualizzare i frammenti di DNA sintetizzati

Componenti

Come avviene

Sequenziamento automatico del DNA

Si tratta di una tecnica non radioattiva, che ha permesso di accellerare molto il processo di sequenziamento.

Sanger in automatico

Ogni ddNTP è marcato con un diverso fluorocromo.

Si genera un'unica miscela di frammenti a singolo filamento e si procede poi con l'elettroforesi. Durante questo processo i frammenti vengono eccitati da una luce laser e un rilevatore capta la lunghezza d'onda e l'intensità delle emissioni fluorescenti, identificando così quale nucleotide è presente nella banda

Come avviene

I nuovi sequenziatori automatici erano in grado di sequenziare fino a 400 000 basi al giorno.

Risultati

Risultati del progetto

Numero di geni

Il numero dei geni è di gran lunga inferiore a quanto atteso: i ricercatori si aspettavano fossero 100 000, ma si sono rivelati essere circa 25 000

25 000 geni

22 000 geni

La complessità di un organismo non è legata al numero dei geni

Quindi...

26 000 geni

13 000 geni

Relazione tra geni e genoma

Il genoma umano è 250 volte più grande del genoma di un lievito, ma il numero di geni codificanti per proteine è dello stesso ordine di grandezza.

Il numero di geni non è legato alla dimensione del genoma.

Il genoma umano è costituito per più dell'80% da geni non codificanti

Contenuto del genoma umano

La percentuale di geni non codificanti è tanto maggiore quanto più è complesso l'organismo.

Inoltre...

Il genoma di uomo differisce dell'1% da quello dello scimpanzé, e dello 0,1% da quello degli altri esseri umani

Differenze tra il genoma degli individui

Qualche informazione in più

Benefici dell'HGP

Benefici

Medicina

  • migliorare la diagnosi delle malattie
  • identificazione di predisposizione genetica a specifiche malattie
  • creazione di farmaci sulla base di informazioni molecolari
  • produzione di “farmaci personalizzati” sulla base dei profili genetici individuali

Forense

  • identificazione di responsabili di crimini
  • identificazione di vittime di catastrofi ecc…

Cosa ancora non sappiamo

Cosa non sappiamo

  • L’esatto numero di geni presenti nel genoma umano

  • Molti aspetti sulla regolazione dell’espressione dei geni

  • L’informazione contenuta nella porzione non codificante (98,5%) e la sua funzione

  • I geni coinvolti nelle malattie complesse

Video riassuntivo

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