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Lezione III-IV giovedì 13-X-2011
corso di genomica
laurea magistrale Biotecnologia Industriale
aula 8orario : 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 sequenziamentoNuovi 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 fossemigliore o peggiore
lana caprina, evoluzione non ha un contenuto finalisticoè 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)
citoplasma
genoma
come è possibile conservare e cambiare
Darwin-Lamark (?) Buffon, Wallaceci interessa davvero?
non c’è contraddizione
il punto è liberarsi dal finalismo
QuickTime™ e undecompressore TIFF (Non compresso)
sono necessari per visualizzare quest'immagine.
complessità e variabilità
complessità confusa per finalismo !
se la mi nonna avesse le rote .......
informazione e variazione
l’informazione genetica deve essere invariabile per la conservazione della specie
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?
a chi interessa la conservazione di una specie? a se stessa e a quella simbiontica se c’è (sarà vero? forse no perché ?)
ambiente
informazione bidirezionale
citoplasma
genoma
di necessità virtù
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 finalismoSi osserva la variazione che c’è stata come effetto di una causa, ma non dipende direttamente dalla selezione
si tratta di causalità e non casualità (evocata per il n. alto di variabili difficili da individuare)
variazione e selezione sono fenomeni indipendenti
cosa dobbiamo sapere
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
abbiamo delle verità:
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
biotec
bioinformatica
proteomica genomica
evoluzione
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.)
1. V.G. somatica
2. V.G. gametica intraindividuo
3. V.G. gametica intrapopolazione (polimorfismo)
4. V.G. gametica interpopolazione
5. 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 nonpolimorfici(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 molecolare1. 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)
Il dinucleotide CpG è un hotspot di mutazioneIl dinucleotide CpG è un hotspot di mutazione
La variabilità genetica a livello molecolare1. singole sostituzioni nucleotidiche (SNS)
La variabilità genetica a livello molecolareLe 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 molecolare2. 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 molecolare2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
I microsatelliti possono essere perfetti, interrotti o composti e vengono ulteriormente classificati in base alla lunghezza del motivo ripetuto (dinucleotide repeats, trinucleotide repeats ecc..)
perfetti
interrotti
composti
La variabilità genetica a livello molecolare2. 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
L’elevato tasso di mutazione nei microsatelliti è dovuto a scivolamento della polimerasi in replicazione
La variabilità genetica a livello La variabilità genetica a livello molecolaremolecolare
2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)2. microsatelliti o short tandem repeats (STRs)
•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