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Metodi post-genomici in biochimica cellulare
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Metodi post-genomici
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Metodi post-genomici Quantitative analysis of systems biology by taking advantage of available genomic information at the level of SNPs analysis associated to disease or drug response mRNA (transcriptomics) Protein (proteomics) Post-translational modifications (aka “modificomics”) Surface exposure (surfomics) Protein-protein interactions (interactomics) Small metabolites (metabolomics) and their relations (metabonomics) Many other fantasy exercises (glycomics, lipidomics, allergenomics, degradomics, excluding – perhaps – comics...) G.B Smejkal, “I’m an –omics, you’re an -omics... ” Exp. Rev. Proteomics 3 (2006)
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Metodi post-genomici Modelli cellulari e animali Trascrittomica
Proteomica Systems biology
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Modelli cellulari e animali (farmacologici e/o genetici)
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Modelli cellulari (farmacologici e/o genetici)
Facilità di mantenimento e trattamento Possibilità di combinare trattamento farmacologico e manipolazione genetica Utili per riprodurre un singolo meccanismo Cellule umane (o murine)
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Modelli animali (farmacologici)
Intero organismo vs. cellule isolate Trattamento sistemico o lesione chimica locale Possibilità di valutare l’effetto anterogrado/retrogrado
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Modelli animali (e vegetali?!?) (genetici)
Organismi modello Genoma noto Non solo topo! Vita breve Invertebrati (e piante…)
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Trascrittomica
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Trascrittomica
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Trascrittomica
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Trascrittomica
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Trascrittomica Distanza Euclidea Correlazione di Pearson
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Proteomica Non c’è correlazione tra quantità di mRNA e quantità di proteina (Gygi et al., 1999) Il proteoma è un’istantanea del fenotipo a livello biochimico Il proteoma tiene conto del processing delle proteine S.P.Gygi et al., Mol. Cell. Biol. 19, 1720 (1999)
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Proteomica Metodi basati su 2-DE Metodi “gel-free”
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Proteomica (2-DE) Principi della 2-D elettroforesi I dimensione
Isoelettrofocusing in condizioni denaturanti: separazione in base al punto isoelettrico II dimensione SDS elettroforesi: separazione in base al peso molecolare
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Proteomica (2-DE) Vantaggi
• Possibilità di caricare campioni non purificati • Risoluzione estremamente alta • I gel 2 –DE sono collettori di frazioni proteiche molto efficienti • Proteine sono protette all’interno della matrice del gel Problematiche • Gradiente di pH • Limiti nel determinare proteine poco rappresentate • Capacità di caricare campione • Proteine idrofobiche • Proteine ad alto peso molecolare
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Proteomica (2-DE) A global, unbiased approach
Hypothesis-generating rather than hypothesis-driven A “find the difference” game between two conditions Control Treated
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Proteomica (2-DE) Marco Francesca Giovanni Maria
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Proteomica (2-DE) Proteine Colorazione Acquisizione
Analisi di immagine
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Proteomica (2-DE) Find the difference… Controllo Esordio Precoce
Esordio Tardivo
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Proteomica (2-DE) Find the difference…
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Proteomica (2-DE) Metodi statistici
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Proteomica (2-DE) Identificazione delle proteine
Peptide mass fingerprinting LC-MS/MS Western blot (non globale)
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Proteomica (2-DE) Peptide Mass Fingerprinting
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Proteomica (2-DE) Peptide Mass Fingerprinting
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Proteomica (2-DE) Peptide Mass Fingerprinting (Limiti)
La proteina non è presente nel database La proteina è ricca di modificazioni co/post-traduzionali Lo spot nasconde più di una proteina
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Proteomica (2-DE) Peptide Mass Fingerprinting (Limiti)
La proteina non è presente nel database La proteina è ricca di modificazioni co/post-traduzionali Lo spot nasconde più di una proteina
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Proteomica (2-DE) LC-MS/MS
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Proteomica (gel-free)
Metodi quantitativi (ICAT, iTRAQ, …) Protein arrays
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Proteomica (gel-free)
ICAT
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Proteomica (gel-free)
iTRAQ
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Proteomica (gel-free)
Protein arrays (e SELDI)
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Systems Biology Necessità di analizzare un elevato numero di informazioni (Network analysis) Necessità di arricchire un ridotto numero di informazioni (Network enrichment)
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Systems Biology Interazione fisica Stesso pathway (KEGG)
Stessa Gene Ontology (GO)
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Systems Biology
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Un esempio (realizzato a Busto…)
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Un modello cellulare per identificare nuovi meccanismi e nuovi bersagli terapeutici
2 Quali condizioni? Trova le differenze! Cosa hanno in comune? Un nuovo bersaglio! Il Modello 1 6 5 3 4
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Il modello cellulare La linea cellulare umana SH-SY5Y incamera dopamina, ma la immagazzina con difficoltà nelle vescicole Simile a quello che succede nella malattia di Parkinson α-sinucleina La linea viene trasfettata stabilmente per esprimere α-sinucleina or β-galattosidasi I livelli di α-sinucleina sono alterati nella malattia di Parkinson (Gómez-Santos et al., 2003)
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Le condizioni sperimentali
-Sinucleina Controllo NON trattate Controllo trattate con Dopamina α-Sinucleina α-Sinucleina trattate con Dopamina Dopamina Effetto combinato
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Trova la differenza!
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Trova la differenza! 8 Dopamina 11 α-Sinucleina 4 Entrambi i fattori
sintesi proteica mitocondri stress ossidativo citoscheletro trascrizione mitocondri trasduzione del segnale
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Strumenti bioinformatici
Cosa hanno in comune? Dopamina α-Sinucleina Entrambi i fattori Strumenti bioinformatici
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Generare nuove ipotesi
NF-κB Apoptosi
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Ritorno al modello VDAC2 VDAC2 4h Inibitore GSK3β ctr ctr inib DA
DA inib DA Inibitore GSK3β Alberio, Fasano, Rizzuto e altri, in preparazione
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Partendo dal modello cellulare, verso nuovi bersagli terapeutici
Alterazione della Dopamina Proteine che cambiano NF-κB, i VDACs, GSK3β. Nuove terapie?
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