BIOTECNOLOGIE FARMACOLOGICHE CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE

BIOTECNOLOGIE FARMACOLOGICHE CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO LEZIONE 2 Anno Accademico 2008/9

BIOTECNOLOGIE E FARMACOLOGIA • Identificare nuovi bersagli farmacologici • Screening di farmaci • Nuovi molecole terapeutiche

Identificare nuovi bersagli farmacologici • GENOMATICA FUNZIONALE • MODELLI DI MALATTIA

La GENOMATICA e la ricerca di nuovi farmaci

GENOMATICA: studio del genoma* degli esseri viventi attraverso la mappatura o sequenziamento dei geni e lo studio della loro funzione * Per genoma si intende l’intero contenuto in DNA di una cellula, geni e sequenze intrageniche incluse

genoma umano Il genoma umano è costituito da 3. 000 di paia di basi Diviso in 24 sequenze lineari : i cromosomi di cui 22 sono autosomi e 2 sono i cromosomi sessuali Il DNA mitocondriale è circolare e ha le dimensioni di 16569 pb

Mappare i geni: • Storicamente attraverso la costruzione di mappe fisiche (identificare e ordinare marcatori lungo il cromosoma) • Attualmente con il sequenziamento

mappe fisiche costruite con: • restriction mapping • FISH (Fluorescent in situ hybridization) mapping • studi genetici di ‘linkage’ • use of sequence tagget site (STS)

RESTRICTION MAPPING 1. Frammentazione del DNA genomico con enzimi di restrizione 2. Separazione dei frammenti per elettroforesi su agarosio 3. Immobilizzazione DNA per trasferimento su membrana 4. Ibridazione con sonda opportunamente marcata 5. Identificazione di RLFP

EREDITA’ DI MARCATORI RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism SNP

restriction mapping sequence tagget site

SEQUENZIAMENTO DEL GENOMA UMANO

http: //www. ornl. gov/sci/techresources/Human_Genome/project/hgp. shtml The Human Genome Project (HGP) refers to the international 13 year effort, formally begun in October 1990 and completed in 2003, to discover all the estimated 20, 000 -25, 000 human genes and make them accessible for further biological study. Another project goal was to determine the complete sequence of the 3 billion DNA subunits (bases in the human genome). As part of the HGP, parallel studies were carried out on selected model organisms such as the bacterium E. coli and the mouse to help develop the technology and interpret human gene function. The DOE Human Genome Program and the NIH National Human Genome Research Institute (NHGRI) together sponsored the U. S. Human Genome Project

Walter Gilbert. A crucial early proponent, he later tried to set up a company to produce and sell genome data. Sydney Brenner. Joked that sequencing was so boring it should be done by prisoners. CREDIT: MRC Charles De. Lisi. An early advocate, he launched the Human Genome Initiative within the Department of Energy in 1986.

Problemi legati al sequenziamento Dimensioni dei PHYLUM SPECIE Algae Mycoplasma Batteri Lieviti Nematodi Insetti Uccelli Anfibi Mammiferi genomi GENOMA (bp) Pyrenomonas Salina M. Pneumoniae E. coli S. cerevisiae C. elegans D. melanogaster G. domesticus X. laevis H. Sapiens 6. 6 x 105 1. 0 x 106 4. 2 x 106 1. 3 x 107 8. 0 x 107 8. 4 x 108 1. 2 x 109 3. 1 x 109 3. 3 x 109

Progetto GENOMA UMANO http: //www. ornl. gov/sci/techresources/Human_Genome/home. shtml Scopi: • Sequenziamento dei genomi di interesse biologico o farmacologico • Studi di funzione genica

Progetto GENOMA UMANO Strategie: • Generazione sistematica di mappe fisiche • Sequenziamento di Expressed Sequence Tag (EST) • Miglioramento delle tecnologie di sequenziamento http: //www. ornl. gov/sci/techresources/Human_Genome/project/about. shtml

Strategie di sequenziamento del genoma

Una “Expressed Sequence Tag “(EST) è un c. DNA (200 -500 pb) che rappresenta una piccola parte di un gene che può essere utilizzata per identificare e localizzare il suo gene di appartenenza a livello dell’intero cromosoma.

Sequenziamento di ESTs

Assemblamento delle sequenze

Durata del sequenziamento del genoma umano con il metodo ‘Whole genome shot-gun’ 8 settembre 1999 17 giugno 2000 Craig Venter Termine del progetto Genoma Umano 2003 Investimento NIH nel progetto 3 miliardi di dollari /13 anni Francis Collin

Risultati del Progetto GENOMA UMANO Sequenza completa di 74 genomi >1000 virus, organelli, plasmidi microorganismi Mycoplasma Genitalum Haemophylus influenzae E. coli Saccaromyces Cerevisiae Genomi di organismi superiori Drosophila Melanogaster Arabidopsis Thaliana Homo Sapiens Rattus norvegicus Mus musculus 5. 8 x 105 1. 8 x 106 4. 2 x 106 1. 3 x 107 1. 7 x 107 1. 2 x 108 3. 0 x 109 2. 8 x 109 2. 7 x 109

Alcuni risultati dell’analisi della sequenza del genoma umano • n. geni 26*103 • arrangiamento dei geni non casuale (in cluster) • esoni 1. 1% del genoma • introni 24% • sequenze intergeniche 75% • > 1. 4 milioni di siti polimorfici (SNPs)

NATURE Human Genome Collection It is now more than 15 years since work began sequencing the 2. 85 billion nucleotides of the human genome. While the draft sequence was published in Nature in 2001, researchers at the Human Genome Project continued to fill the gaps and subject individual chromosomes to ever more detailed analyses. Nature is proud to present here the complete and comprehensive DNA sequence of the human genome as a freely available resource.

Le sfide per il futuro del progetto genoma umano • Comprendere le componenti strutturali e funzionali del genoma • capire come le reti di geni e proteine contribuiscono alla definizione del fenotipo • comprendere cosa determina le variazione nella trasmissione dei caratteri genetici • facilitare l’utilizzo dell’uso delle informazioni genetiche nella ricerca e nella clinica • stabilire strategie per l’identificazione del contributo del genoma nella determinazione delle patologie e delle risposte alla terapia • identificare le varianti genetiche contribuiscono al mantenimento dello stato di salute • determinare strategie per identificare il rischio di malattia • Utilizzare le conoscenze genetiche per lo sviluppo di farmaci innovativi

Per i concetti di base trattati in questa lezione vedi: T. A. Brown GENOME Bios Scientific Publishers