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Progetto Genoma

Michela Isernia,

Elena Smidili, Eleonora Pallavicini, Lucia Visigalli

Che cos'è il genoma ?

Il genoma è l’insieme di tutte le informazioni genetiche depositate nella sequenza del DNA contenuto nel nucleo delle cellule sotto forma di cromosomi.

Nella sua accezione generale, genoma indica, oltre al DNA nucleare, anche quello contenuto in alcuni organelli, come mitocondri e cloroplasti. Se questi sono analizzati specificamente, si parlerà di genoma mitocondriale, ecc. Inoltre, il genoma può contenere informazioni extra-cromosomiali come plasmidi, elementi trasponibili, ecc.

Genoma

Genetica e

genomica

La sequenza del DNA -> i nucleotidi ( A,T,C,G)

  • Si stima che l'intero genoma umano sia costituito da oltre 3,12 miliardi di queste basi messe in sequenza e sequenziarlo vuol dire individuare e ordinare ciascuna di queste lettere.
  • 98,5% -> Non codificante! 1.5% -> codificante ( 20000 geni)
  • Il nostro genoma differisce per lo 0,1%

Genomica -> studio delle proprietà complessive dei

genomi

Genetica -> indaga le proprietà dei singoli geni

Sequenziamento del DNA

Determinazione dell'ordine dei diversi nucleotidi che costituiscono l'acido nucleico.

All'interno di questa sequenza sono codificati i geni di ogni organismo vivente, nonché le istruzioni per esprimerli nel tempo e nello spazio

Determinare la sequenza è dunque utile nella ricerca del perché e come gli organismi vivono.

Sequenziamento DNA

( traccia di una porzione di sequenza di DNA)

Metodo Sanger

1965 -> tRNA

1968 -> estremità batteriofago lambda

1977 -> sequenziamento DNA

(Piccola parte del sequenziamento batteriofago)

Teniche

( Insulina )

Rivista "Nature", Sanger, 1977

...Come funziona il metodo Sanger?

- nucleotidi terminatori di catena ( ddNTP)

- DNA polimerasi

- elettroforesi su gel

Funzionamento

Quali tecnologie di sequenziamento sono seguite al metodo Sanger?

2000-> Sequenziamento ad elevato parallelismo

--> Metodo NGS, metodo ad alta resa

( high - throughput sequencing)

Dagli anni '70 ad oggi

Ad oggi per il NGS ci sono diverse tecniche che si basano su principi differenti.

  • Genereader NGS system (QIAGEN): sequenziamento basato su fluorescenza

  • Life Technologies: pH sequencing, si basa sulla variazione del pH che avviene quando viene incorporato un nucleotide

L'organizzazione Hugo

Collaborazioni

L'organizzazione Hugo

La Human Genome Organization (nota come HUGO) è una organizzazione coinvolta inizialmente nel Progetto genoma umano, fondata nel 1989.

HUGO ha attualmente tre sedi :

HUGO Europa (Londra), HUGO America (Bethesda, USA), HUGO Pacifico (Tokyo).

I ricercatori che fanno parte del Progetto genoma hanno l'obbligo di immettere le sequenze da loro identificate nel data base pubblico entro 24 ore dalla scoperta.

Collaborano al Progetto Genoma Umano circa 50 nazioni tra cui Stati Uniti, Regno Unito, Francia, Danimarca, Germania, Italia, Australia, Canada, Giappone, Korea, Nuova Zelanda.

l'Italia ha partecipato al Progetto Genoma Umano dal 1988 al 1994.

Il coordinamento era stato affidato a Renato Dulbecco.

Renato Dulbecco

Inizia a dirigere il Progetto Genoma sotto la sua guida per poi diventare un progetto internazionale

Sebbene il ruolo preciso di molti geni sia ancora da capire, la realizzazione di quest'opera è stato di grandissimo valore dal punto di vista teorico e applicativo

Inizia a dirigere il Progetto Genoma al Crn dal 1987, l'idea prevedeva la costruzione della mappa fisica dei cromosomi e il sequenziamento di tutto il genoma umano.

In Italia il progetto si arresta a metà anni '90 per l'insufficienza dei finanziamenti, tuttavia il sequenziamento del genoma umano viene completato nel 2001 dal Consorzio internazionale Human Genome.

Nel 1975 riceve il Premio Nobel per la medicina in seguito alla scoperta del funzionamento dei virus tumorali

Renato Dulbecco

Scopi dell'organizzazione HUGO

Scopo di HUGO

  • aiutare il coordinamento della ricerca sul genoma umano favorendo la collaborazione tra scienziati

  • coordinare e facilitare lo scambio di dati e biomateriali rilevanti per la ricerca sul genoma umano

  • incoraggiare il dibattito pubblico e fornire informazioni e consulenza sulle implicazioni scientifiche, etiche, sociali, legali e commerciali dei progetti sul genoma umano

I progetti ancillari

Sono due i principali progetti che accompagnano il PGU:

  • Il progetto ''Human Genome Diversity Project'': con lo scopo di identificare e caratterizzare le variazioni genetiche nelle differenti popolazioni umane.

  • Il sequenziamento del genoma di altri organismi.

I progetti ancillari

Finalità del progetto

I fini scientifico-culturali del progetto

lo studio delle origini dell'uomo, dei movimenti e delle strutture sociali, delle popolazioni preistoriche.

lo studio della diversa suscettibilità alle malattie per discriminare quanto questo dipenda dalla genetica e quanto dall'ambiente in cui si vive.

il progetto sulla diversità del genoma umano

PROGETTO SULLA DIVERSITA' DEL GENOMA UMANO

Le origini del progetto

Fu concepito per la prima volta dal genetista Luigi Cavalli-Sforza della Stanford University negli anni '90.

Per molti anni, lui e altri genetisti e antropologi hanno visitato diversi gruppi etnici in tutto il mondo, cercando di creare un quadro di come le diverse popolazioni umane sono correlate tra loro.

In cosa consiste

Il progetto HGD è uno sforzo di antropologi, genetisti, medici, per documentare la variazione genetica della specie umana in tutto il mondo.

Cosa comprende

Il progetto ho notato la necessità di registrare i profili genetici delle popolazioni indigene, poichè le popolazioni isolate sono il modo migliore per comprendere le frequenze genetiche che hanno indizi nel nostro passato. Conoscere le relazioni tra tali popolazioni rende possibile dedurre il viaggio dell'umanità dagli uomini che hanno lasciato l'Africa e popolato il mondo di oggi

Il parere del CNB

Esempi di test

ELSI -> Ethical, Legal, Social Issue

Il parere del CNB

Il Comitato sottolinea i benefici che possono derivare dal Progetto sul piano delle conoscenze fondamentali e delle possibilità diagnostiche e terapeutiche, senza però trascurare le notevoli implicazioni di natura etica, antropologica e sociale che esso può avere.

Al centro del dibattito...

Al centro del dibattito...

1) Esclusione dai finanziamenti di altri settori estremamente importanti della ricerca biomedica

2) Conseguenze etiche, sociali, antropologiche

3) Libero scambio di dati e informazioni ottenute nel corso delle ricerche.

4) Le nostre conoscenze potranno andare oltre le nostre possibilità di intervento.

5) "Selezionare" il proprio parter

Ad oggi esistono delle compagnie americane che trovano possibili accoppiamenti tra due persone in base al loro genoma.

....

La locandina a destra recita " Are you ready to fight disease before it starts?"

Gli scienziati sono riusciti a ricostruire anche le prime migrazioni dell’uomo nehandertaliano. Ad oggi grazie alle scoperte di questo progetto siamo in grado di scoprire quanto del nostro DNA è neandertaliano.

malattie genetiche e progetto genoma

Malattie genetiche e progetto genoma

Lo studio del genoma umano permette una miglior comprensione della patogenesi della malattie genetiche.

Le malattie geneticamente determinate sono classificate in tre categorie:

  • malattie cromosomiche
  • malattie fattoriali
  • malattie multifattoriali

le malattie cromosomiche

malattie cromosomiche

  • derivano da variazioni sia strutturali sia numeriche dell'assetto cromosomico.
  • comprendono malattie su base cromosomica e malattie su base genomica.
  • le alterazioni dei cromosomi determinano conseguenze molto gravi (anomalie somatiche, ritardo di crescita e mentale).
  • esempio di malattia cromosomica è la Sindrome di Down, dovuta alla trisomia 21.

le malattie monogeniche

malattie monogeniche

  • sono causate da mutazioni di un singolo gene.
  • sono chiamate anche mendeliane, perchè la loro trasmissione ereditaria segue le leggi di Mendel.

Si possono classificare in :

  • malattia autosomica dominante
  • malattia autosomica recessiva
  • malattia legata al cromosoma X

Esempi di malattie mendeliane: fibrosi cistica,

talassemia, glaucoma, emofilia, corea di Huntington.

Fibrosi cistica

  • è una malattia genetica autosomica recessiva.
  • è un disturbo delle cellule epiteliali caratterizzato dall'insufficienza pancreatica, sudorazione salina e produzione di muco nei polmoni.
  • il gene che codifica è CFTR ed è situato sul cromosoma. La protenia risultante è costituita da 1500 amminoacidi. La mutazione consiste nell'assenza di uno specifico amminoacido Fenilalanina.

fibrosi cistica, talassemia, glaucoma

Talassemia

talassemia

  • puà avere differenti varianti caratterizzate da un difetto della sintesi di emoglobina.
  • è provocata da un difetto sul gruppo proteico dell'emoglobina.
  • è una malattia a trasmissione autosomica recessiva.
  • la più diffusa è l'anemia mediterranea.

Glaucoma

glaucoma

  • malattia dell'occhio caratterizzata da un aumento della pressione endoculare.
  • tre tipi differenti fenotipi: il cronico, ad Angolo Chiuso e il terzo tipo è il Congenito.

  • Glaucoma cronico è ereditario. Sintomi: aumento della pressione endoculare, riduzione del campo visivo, cecità se non curato.
  • Glaucoma ad angolo chiuso: alterazione dell'iride cornea. Sintomi: dolore, nausea, indurimento del globo oculare.
  • Glaucoma congenito: si manifesta dal primo anno di età, si puà intervenire chirurgicamente.

malattie poligeniche

  • derivano dall'interazione di più fattori, ossia fattori genetici e fattori ambientali.

  • non hanno una modalità di ereditarietà ben definita.

  • esempi di malattie poligeniche sono il diabete, l'obesità, malattie autoimmuni, tumori, malattie neurodegenerative, ipertensione, epilessia, schizofrenia, psicosi maniaco depressiva e autismo.

malattie psichiatriche e progetto genoma

correlazione tra malattie mentali e progetto genoma

Molte condizioni cerebrali come schizofrenia e disturbo dello spettro autistico hanno una componente ereditaria.

Dal completamento del Progetto genoma umano nel 2003 i ricercatori hanno scoperto alterazioni in centinaia di punti del DNA, associate a malattie psichiatriche.

Un ulteriore studio ha collegato molte di queste varianti genetiche al relativo effetto molecolare nel cervello.

Tra le scoperte fatte vi è quella di elementi sepolti nella ''materia oscura'' del genoma che sembrano regolare l'espressione genica.

Il Consorzio PsychEncode

Il Consorzio PsychEncode

Nel 2015 i ricercatori di 15 istituti negli Stati Uniti d'America, si sono riuniti nel Consorzio PsychEncode per studiare il DNA chiave per il cervello.

Lo studio PsychEncode ha analizzato non solo le varianti genetiche legate alle malattie psichiatriche, ma anche i modelli di RNA e proteine in circa 2.000 campioni di cervello di individui sani e con un disturbo psichiatrico.

Questi dati aiutano a spiegare il ruolo di decine di migliaia di sezioni di DNA per il cervello e rivelano anche quali geni sono più spesso espressi contemporaneamente.

Il set di dati, cioè un modello dettagliato del funzionamento molecolare interno del cervello umano è a disposizione di altri ricercatori.

Alcuni studi hanno rivelato una diffusa variabilità dell'espressione genica nei diversi cervelli.

geni associati a disturbi mentali

I ricercatori hanno usato questi dati per tracciare connessioni tra geni specifici e varianti di DNA non codificanti che in precedenza erano state collegate a malattie neuropsichiatriche.

Questo restringe il campo di ricerca di quelli che influenzano il funzionamento dei geni e sembrano contribuire a condizioni come la schizofrenia.

Altri studiosi hanno usato nuovi dati per esaminare le alterazioni nel disturbo dello spettro autistico, schizofrenia, disturbo bipolare. Sono stati individuati alcuni geni legati a questi disturbi : 5 legati al disturbo dello spettro autistico, 11 al disturbo bipolare e 56 alla schizofrenia.

LA GENESI

Storia del progetto genoma umano

Nel 1983 i due più importanti laboratori per lo sviluppo della genetica umana in relazione alla creazione delle armi nucleari, a Los Alamos e a Livermore, cominciarono a lavorare al Progetto Biblioteca Genetica.

La DOE ovvero il Department of Energy era interessata agli effetti delle mutazioni nell’ambito dei programmi nucleari e civili.

Nel 1984 ad Alta nello Utah durante un convegno della DOE, il cui scopo era di valutare l'efficacia delle tecnologie usate per l'identificazione delle mutazioni genetiche, si avanzò l'ipotesi di poter identificare efficacemente le alterazioni nella sequenza di DNA necessaria tramite l'impostazione di un progetto complesso e molto costoso.

Nel 1986 sempre ad un altro convegno della DOE a Santa Fe, in New Mexico si evidenzia la necessarietà e la fattibilità di ordinare e sequenziare tutti i frammenti del DNA isolati fino a quel momento e di continuare a individuarne altri. Il genetista Dulbecco, uno dei più grandi sostenitori del progetto scrive su Science l'importanza della necessità di conoscere la sequenza dei geni per poter sconfiggere il cancro e capire molti fenomeni biologici

Nel 1987 La DOE pubblica

Report on the Human Genome Initiative

Che cosa scoprono?

  • La realizzazione di mappe fisiche dei cromosomi umani
  • Lo sviluppo di tecnologie di supporto per la ricerca sul genoma umano
  • Il potenziamento della divulgazione delle informazioni grazie a moderni e appositi software di database

DOPO I CONVEGNI

Nel 1988 il NIH ( US National of Health ) istituisce l'organo l'Office of Human Genome Research, guidato da James Dewey Watson dimessosi in seguito nel 1992.

Sarà poi rinominato National Center for Human Genome Research sotto il controllo di Francis Collins.

Nel frattempo il Congresso americano approva in via ufficiale il Progetto Genoma Umano (HGP ovvero Human Genome Project)

della durata di 15 anni con inizio nel 1991 con un fondo stimato di circa

15 milioni di dollari.

Francis Collins e Craig Venter sono state figure essenziali per la ricerca del progetto Genoma Umano

Francis Collins Direttore del National Human Genome Research Institute

IL PROGETTO

La collaborazione fra i due istituti e quella internazionale fa si che durante la Conferenza stampa alla Casa Bianca del 26 giugno 2000 sia annunciato il completamento di una bozza della sequenza del genoma in cui sono già riportate le localizzazioni di molti geni sui cromosomi dal Presidente degli Stati Uniti Bill Clinton e il Primo Ministro britannico Tony Blair.

Nel 2001 vengono pubblicate altre due sequenze.

L'annuncio del completamento del genoma si è avuto nell'aprile del 2003, due anni prima del previsto.

A maggio 2006 la sequenza dell'ultimo cromosoma umano è stata pubblicata sulla rivista Nature.

Craig Venter Presidente e fondatore della Celera Genomics, società privata fondata nel 1999 impegnata in ricerche genetiche.

  • I geni umani sono circa 20-25000, in media contengono 8.8 esoni
  • Non c'è correlazione tra la complessità degli organismi e il numero di geni codificanti e la dimensione totale del loro genoma
  • La frammentazione dei geni aumenta attraverso l'evoluzione, e si manifesta in un accorciamento degli esoni e un allungamento degli introni
  • 87% dei geni umani hanno un omologo nello scimpanzé e il 30% delle proteine omologhe sono identiche
  • I genomi dell'uomo e dello scimpanzé sono 99% uguali

SCOPERTE

che cos'è la GeneBank?

La gene bank

- la genebank è un database pubblico

che contiene le sequenze di DNA e le proteine dopo la traduzione .

- il database è stato creato e vien mantenuto dal NATIOL CENTER FOR BIOTECHNILOGY INFORMATION

- GeneBank riceve le informazione da risultati ottenuti da diversi organismi da laboratorio sparsi in tutto il mondo

- alla genebank possono essere presentate solamente sequenze originali

- l'invio dei dati viene online tramite il sito BANKIT oppure offline tramite il software SEQUIN

- ricevuti i dati il personale verifica la loro originalità e assegna loro un numero identificativo, garantendo cosi il controlo qualitativo

- alla fine i dati vengono inseriti nel database e resi pubblici diventando raggiungibili atrraverso ENTREZ

l'invio dei dati

Cura del cancro, si può?

- nei tessuti normali le cellule si dividono per fronteggiare le necessità dell'organismo e questo procedimento è governato da dei meccanismi di controllo.

- nei tumori invece questo controllo viene meno e la cellula continua a diveidersi senza controllo.

- alla base della proliferazione ci sono delle alterazioni dette MUTAZIONI

- sommandosi queste mutazioni portano il mal funzionamento dell'organismo.

- alcune di esse non provocano problemi altre invece possono dare origine ad un tumore.

- l'origine di queste mutazione provine dalla duplicazione del DNA

- le mutazioni ereditarie quindi presenti fin dalla nascita no indicano un problema ma ne aumentano i rischi.

- e l'insieme di più errori nel meccanismo di controllo porta alla formazione di un tumore

- il tumore si divide in tumore benigno e maligno

- il tumore benigno è caratterizzato dalla proliferazione di cellule ma esse sono circoscritte e non causano problemi ad altri organi

-tumore maligno è caratterizzato dalla proliferazione di cellule che possono invadere tessuti ed organi adiacenti

tumore benigno-maligno

- diversi sono i geni ad essere coinvolti nella formazione per esempio:

1. gli oncogeni

2.gli oncosoppressori

3. geni coinvolti nella riparazione del DNA

- e molteplici sono le possibilità impiagate nella cura

- la tipologia della cura viene decisa in base:

1. alla posizione

2. stato di avanzamento

3. alla tipologia di cancro

geni coinvolti

le principali cure sono:

1. la chemioterapia

2. la radioterapia

3. la terapia bersaglio specifica

4. la chirurgia

5. l'immunoterapia

oltre ai precedenti fattori bisogna tenere in considerazione anche:

1. gli effetti collaterali della cura sul paziente

2. la probabilità di guarigione

3. i benefici della cura

inoltre si considera guarita una persona se dopo cinque anni dal termine della cura non presenta alcun segno di malattia.

tipologie di cure

La domesticazione

Conoscere il genoma delle piante, delle specie, per pensare di ripetere la domesticazione per creare qualcosa che rispecchi le necessità attuali...

Come la mappatura del genoma influenzerà il futuro

Fonti

  • https://it.wikipedia.org/wiki/Progetto_genoma_umano
  • Wikipedia -> Sequenziamento DNA
  • CNB pdf " Progetto Genoma umano"
  • Ted x talk -> "Come la mappatura del genoma influenzerà il nostro futuro"
  • http://www.torinoscienza.it/

Fonti

La tecnica CRISPR/Cas è una nuova tecnica di Genome editing che consente di modificare in modo rapido ed economico una precisa regione del DNA e ha catturato l'attenzione di tutta la comunità biotecnologica per la sua versatilità e le sue innumerevoli applicazioni sia nel campo delle malattie genetiche sia in ambito biotecnologico.

Un caso però del 2015 ha però aperto molti quesiti di bioetica.

EUGENETICA

Nel 2015 un'equipe cinese diretta dal Prof Junjiu Huang ha sperimentato questa tecnica utilizzando embrioni umani non vitali, destinati dunque alla ricerca per correggere correggere la mutazione genica della beta talassemia ovvero l' anemia mediterranea. Lo studio che si è concluso con risultati piuttosto inefficienti (solo in 4 embrioni su 54 si era effettuata la ricombinazione omologa riparatrice) e la formazione di mutazioni indesiderate potenzialmente pericolose, i risultati e la procedura ha riaperto il problema dell'eugenetica. E' lecito effettuare mutazioni genetiche sull'uomo?I

IL CASO CINESE

Nel 2017 è stata effettuata un'ulteriore ricerca però americana sugli embrioni umani, guidata da Shoukhrat Mitalipov e dal suo team presso l’Oregon Health and Science University di Portland. Anch'essa ha utilizzato la tecnica della CRISPR/Cas, tuttavia è stata in grado di ottenere degli embrioni in cui l’editing ha riguardato tutte le cellule e solo le regioni del gene che si intendevano modificare ciò è avvenuto tramite lo sviluppo di un nuovo protocollo sperimentale che prevede l’iniezione di CRISPR nelle cellule uovo subito dopo che esse sono state fertilizzate dallo sperma di un donatore. La possibilità di poter modificare i difetti genetici si è trasformata in realtà. La CRISPR/Cas sta soppiantando metodi più obsoleti riguardo la cura del cancro, le malattie genetiche e ha già permesso di di generare in vitro linfociti T resistenti all'HIV.

Però allo stesso tempo allo stesso ha aperto molte questioni morali non solo per la natura intrinseca della ricerca che ha preoccupato le frange religiose ma anche la mancanza di norme bioetiche internazionali uguali per tutti gli stati

IL CASO AMERICANO

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