Lezione III-IV giovedì 13-X-2011 corso di genomica laurea magistrale Biotecnologia Industriale aula 8 orario : Martedì ore 14.00 - 16.00 Giovedì ore 13.00 - 15.00 non ci sarà lezione martedì 1 e giovedì 3 Novembre D. Frezza

Piccolo riepilogo Come si è arrivati alla genomica Convergenza dalla genetica mendeliana, citogenetica (teoria cromosomica), genetica di popolazione (variabilità), evoluzione

I genomi si possono studiare dalle sequenze modi e maniere dipendono dalle domande e dalle tecniche con cui si trovano i dati per le risposte: Sequenziamento, Gestione banche dati, Nuove tecniche di sequenziamento Nuovi software per i confronti ed uso delle banche Perché c’entra l’evoluzione? Polimorfismi e mutazioni

eredità conservazione e variabilità geologia ed evoluzione mondo vivente iniziale c’è stato un ancestrale comune ? Curiosità di sapere se gli inizi sono un mondo ad RNA evidenze molto interessanti, più solide dell’ipotesi del mondo col brodo primordiale di amminoacidi ? Perché si parla di evoluzione? L’Idea di fare confronti era già comune nei geologi a partire da scienziati come Niels Stensen ribattezzatosi “Niccolò Stenone” (1638-1686 Danese vissuto a lungo a Firenze, medico di casa Medici)

trasformazione (evoluzione) Nel significato di evoluzione potrebbe esserci un contenuto di valore presente nella parola evoluzione che va eliminato, non è un giudizio è sbagliato giudicare se il mondo vivente ancestrale fosse migliore o peggiore lana caprina, evoluzione non ha un contenuto finalistico è solo un dato storico sul cambiamento forse è su questo che è stato tirato per i capelli Lamark dai finalisti contro i neutralisti che poi ha preso anche un altro significato

concetto evolutivo trasformazione, cambiamento, evoluzione è una parola che esisteva da prima delle teorie della evoluzione biologica Uso di parole e concetti già esistenti, Riferimenti umani ed esempi : i modi di costruzione rispondono ad esigenze diverse dalla capanna al cemento armato (si tratta di trasformazione o evoluzione? Mica si sta male nelle capanne? C’è chi paga fior di soldi per un bungalow sull’altipiano africano)

evoluzione biologica concatenamento di esigenze e fenomeni ambientali esterne/interne ottimizzazione ? non obbligatoriamente (molto raramente le variazioni portano miglioramento diretto, di solito peggioramento, difficile calcolarle tutte) meccanismi della trasformazione semplificazioni e complicazioni

base delle trasformazioni: interazioni comunque la vediate ogni cambiamento interno o esterno provoca una interazione diversa del soggetto con “l’ambiente” (stimoli) come è possibile conservare e cambiare citoplasma genoma Darwin-Lamark (?) Buffon, Wallace ci interessa davvero? non c’è contraddizione il punto è liberarsi dal finalismo

complessità e variabilità se la mi nonna avesse le rote ....... complessità confusa per finalismo !

informazione e variazione l’informazione genetica deve essere invariabile per la conservazione della specie a chi interessa la conservazione di una specie? a se stessa e a quella simbiontica se c’è (sarà vero? forse no perché ?) ci deve essere elasticità per permettere l’interazione con l’ambiente esistono dei limiti alla capacità di rispondere all’interazione in biologia i fenomeni permettono elasticità e recupero Esigenze possibili? : Informazione costante ma variabile, è un ossimoro?

informazione bidirezionale ambiente di necessità virtù citoplasma genoma

l’evoluzione ci può servire? Ci può spiegare qualcosa: come sono variabili e cambiati i genomi! Se le cose cambiano, in quale modo? ci saranno delle regole? le riusciamo a capire? Perché ci interessa vedere le differenze ? Provate un po’ a pensarci! :

inferenze storiche L’evoluzione come si può studiare: deduzioni storiche descrittive non sperimentali si possono eventualmente anche trovare le cause ma non si può sapere cosa cambierebbe o sarebbe cambiato con altre variabili non si deve confondere causalità con finalismo Si osserva la variazione che c’è stata come effetto di una causa, ma non dipende direttamente dalla selezione variazione e selezione sono fenomeni indipendenti si tratta di causalità e non casualità (evocata per il n. alto di variabili difficili da individuare)

cosa dobbiamo sapere abbiamo delle verità: i genomi sono concatenati = struttura unica enciclopedica dobbiamo trovare la logica corretta che li descriva la casualità* provoca il cambiamento (mutazioni) la causalità provoca la selezione *casuale solo per mancanza di informazione nostra

la casualità* provoca il cambiamento-mutazioni ? le mutazioni sono casuali ? Può dipendere dalla esposizione del genoma e dalle protezioni / riparo È la selezione che fa la differenza ? (Malthus:struggle for life) da cosa si può vedere ? ce lo dicono i confronti tra genomi? micro e macro evoluzione

conservazione e variazione disomogeneità delle strutture genomiche Analisi più facili ed immediate sui genomi: mutazioni puntiformi o polimorfismi di ripetizioni Analisi della variabilità Analisi della variabilità genetica

approcci diversi per studiare il genoma/ cosa si studia con la genomica bioinformatica proteomica genomica evoluzione biotec

i vari livelli dell’informazione del genoma: approcci di studio informazione dinamica bidirezionale tempi diversi di espressione (regolazione, sviluppo) tempi evolutivi ≠ dai tempi di funzionamento studio del presente e studio del passato confronti tra genomi diversi intraspecie (polimorfismi) confronti tra genomi diversi interspecie (evoluzione = mutazioni, cambiamenti, adattamenti)

La variabilità genetica (V.G.) V.G. somatica V.G. gametica intraindividuo V.G. gametica intrapopolazione (polimorfismo) V.G. gametica interpopolazione V.G. interspecie (filogenetica)

V.G. INTRASPECIE

V.G. INTERSPECIE

La variabilità genetica a livello molecolare Singole sost. nucleotidiche Piccole inserzioni/delezioni Microsatelliti Minisatelliti Altri VNTR Inserzioni di elementi retrotrasponibili Varianti strutturali microscopiche e submicroscopiche Variabilità nel numero di cromosomi Variabilità nel numero di ploidia Generalmente non polimorfici (frequenza < 0.01%)

La variabilità genetica a livello molecolare Dove si trovano le mutazioni? Alcune mutazioni sono distribuite in modo *casuale nei cromosomi, altre presentano una distribuzione non omogenea *casuale per assenza di informazioni sufficienti

la variabilità genetica a livello molecolare Tasso di mutazione I differenti tipi di mutazione differiscono circa il loro tasso di mutazione per diversi ordini di grandezza

La variabilità genetica a livello molecolare 1 La variabilità genetica a livello molecolare 1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS) E’ la forma di variazione del DNA più comune. Confrontando due cromosomi umani omologhi, si osserverà una SNS ogni mille basi Confrontando una popolazione di cromosomi omologhi, si osserverà uno SNP ogni 200 basi. Le SNS sono 10 volte più frequenti delle ins/del Le transizioni sono 2 volte più frequenti delle transversioni Il tasso di mutaz. più elevato si osserva per i dinucleotidi CpG Il DNA mitocondriale è caratterizzato da un elevato tasso di mutazione (10 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)

La variabilità genetica a livello molecolare 1 La variabilità genetica a livello molecolare 1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS) Il dinucleotide CpG è un hotspot di mutazione

La variabilità genetica a livello molecolare La variabilità genetica a livello molecolare Le conseguenze delle mutazioni puntiformi sono molteplici La maggior parte delle SNS è neutra, ma in alcuni casi si producono effetti sull’espressione dei geni

La variabilità genetica a livello molecolare 2 La variabilità genetica a livello molecolare 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

La variabilità genetica a livello molecolare 2 La variabilità genetica a livello molecolare 2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs) perfetti interrotti composti I microsatelliti possono essere perfetti, interrotti o composti e vengono ulteriormente classificati in base alla lunghezza del motivo ripetuto (dinucleotide repeats, trinucleotide repeats ecc..)

La variabilità genetica a livello molecolare 2 La variabilità genetica a livello molecolare 2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs) 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 unique events polymorphisms) 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

La variabilità genetica a livello molecolare 2 La variabilità genetica a livello molecolare 2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs) L’elevato tasso di mutazione nei microsatelliti è dovuto a scivolamento della polimerasi in replicazione 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

genoma: informazione dinamica ma come struttura e funzione (la trascrizione è una delle tante funzioni) anatomia e fisiologia la genomica analizza la struttura per vedere la funzione. non si può capire una senza l’altra. la struttura dinamica lo rende capace di interagire con l’ambiente ambiente per il genoma comincia dalla struttura della cromatina, nucleo, citoplasma, matrice extracellulare.........

polarismi scoperta con i sequenziamenti procarioti ed eucarioti : variazione e conservazione mettiamo insieme queste due evenienze formamlmente in opposizione. abbiamo visto che esiste una polarità una discrepanza logica che appare spesso in natura, la polarità è compatibile senza dover eliminare una delle due forme polari ? come possiamo rendere compatibile una contrapposizione così forte? la risposta la sapete già: è possibile i meccanismi che rendono possibile abbiamo detto che giocano sulla variabile tempo

gestire il polarismo salviamo il polarismo utilizzando questa contraddizione, possono coesistere entrambe: variabilità e conservazione il primo nei tempi lunghi, il secondo nel tempo breve Abbiamo già detto: era implicita in Mendel la conservazione era implicita in Darwin la variabilità delle specie una verso l’altra quando è stata scoperta la mutagenesi si è aperta una nuova finestra per interpretare questi due fenomeni