Biotecnologie Mediche - Cinzia Di Pietro 0953782055

Biotecnologie Mediche

Cinzia Di Pietro
0953782055
dipietro@unict.it

"La biotecnologia è l'applicazione
  tecnologica che si serve dei sistemi
  biologici, degli organismi viventi o di
  derivati di questi per produrre o
  modificare prodotti o processi per un
  fine specifico".

COSA SONO LE
        BIOTECNOLOGIE?
• Si dicono Biotecnologie l’utilizzazione
  integrata di biochimica, biologia cellulare e
  ingegneria genetica per realizzare
  applicazioni tecnologiche a partire dalle
  proprietà di microorganismi, di colture
  cellulari ed altri agenti biologici
  (Federazione Europea Biotecnologie).

Le successive 4 slides sono tratte da:

Tratta da:

QUALI SONO LE APPLICAZIONI DELLE BIOTECNOLOGIE IN
MEDICINA

Le biotecnologie applicate in medicina servono ad esempio per:

•fabbricare medicine quali l'insulina che serve per curare le
persone affette da diabete, l'ormone della crescita o
somatotropina che serve per curare alcune forme di nanismo, e
l'eritropoietina che serve nei casi di anemia
•produrre gli interferoni che servono per combattere virus, per
far regredire tumori
•produrre gli antibiotici su scala industriale per difenderci dai
batteri
•produrre vaccini per esempio per difenderci dal virus
dell'epatite B o dalla Bordetella pertussis, batterio responsabile
della pertosse
•individuare malattie infettive o genetiche in periodo prenatale
e curare alcune malattie genetiche attraverso la terapia genica.

Le biotecnologie mediche:

• Innovativi strumenti diagnostici
• Sviluppo di nuove terapie mediche

Le malattie genetiche. Dalle malattie monogeniche ai fenotipi
complessi.

Metodi di Analisi degli acidi nucleici
estrazione di DNA – RNA
sonde molecolari e ibridazione
PCR, RT-PCR, Real Time PCR
disegno di primers per PCR utilizzando software disponibili online.

Metodi per l’identificazione di mutazioni geniche
Analisi specifica di mutazioni note
Ricerca aspecifica di mutazioni

Metodi High Throughput per l’analisi del Genoma, del
Trascrittoma, del Proteoma, dell’Interattoma.

Testi – Fonti bibliografiche

Strachan e Read Genetica umana molecolare
Utet

“La scoperta della doppia elica mezzo
              secolo fa ha coinvolto la pratica
        medica con lentezza, ma sono probabili
              trasformazioni significative nei
                        prossimi 50 anni.
        Bisogna cambiare la pratica medica e la
              formazione dei medici per poter
              realizzare i potenziali benefici”

                     Bell, Nature 421: 414, 2003

Tratta da “lezioni di genetica” Prof. PF Pignatti

•   GCGGCGGCGGGCGGGTACTGGCTTCTGGGGCCAGGGGCCAGGGGCGGTGGGCGCCGGGACCGCGGAGCTGAGGA
                              Human Genome Project
    GCGGGGCCCGGCCAGGGCTGGAGACTTTGCGCCCGGGGGCACCGGGGCTGCGCGCGGTCGCACACATCCACCGGC
    GCGGCTTCCCTCGGCGGCCCGGGCTCCGCTCATCCTGCGGCGGGCGGCGCCGCTCAGGGGCGGGAAGAGGAGGCG
                         ATGTCGGGCCAAACGCTCACGGATCGGATCGCCGCCGCTCAGTACAGCGTTACAGGCT
    GTAGACGCGACCACAGAAGATG
                         ATG
    CTGCTGTAGCAAGAGCGGTCTGCAAAGCCACTACTCATGAAGTAATGGGCCCCAAGAAAAAGCACCTGGACTATTTGAT
    CCAGGCTACCAACGAGACCAATGTTAATATTCCTCAGATGGCCGACACTCTCTTTGAGCGGGCAACAAACAGTAGCTGG
    GTGGTTGTGTTTAAGGCTTTAGTGACAACACATCATCTCATGGTGCATGGAAATGAGAGATTTATTCAATATTTGGCTTC
    TAGAAATACACTATTCAATCTCAGCAATTTTTTGGACAAAAGTGGATCCCATGGTTATGATATGTCTACCTTCATAAGGCG
    CTATAGTAGATATTTGAATGAAAAGGCTTTTTCTTACAGACAGATGGCCTTTGATTTTGCCAGGGTGAAGAAAGGGGCC
    GATGGTGTAATGAGGACAATGGCTCCCGAAAAGCTGCTAAAGAGTATGCCAATACTACAGGGACAAATTGATGCACTGC
    TTGAATTTGATGTGCATCCAAATGAACTAACAAATGGTGTCATAAATGCAGCATTTATGCTTCTTTTCAAAGATCTTATCA
    AACTTTTTGCTTGCTACAATGATGGTGTTATTAACTTACTCGAAAAGTTTTTTGAAATGAAGAAAGGACAATGTAAAGATG
    CTCTAGAAATTTACAAACGATTTCTAACTAGAATGACACGAGTGTCTGAATTTCTCAAGGTTGCAGAGCAAGTTGGTATT
    GATAAAGGTGACATTCCTGACCTCACACAGGCTCCCAGCAGTCTTATGGAGACGCTTGAACAGCATCTAAATACATTAG
    AAGGAAAGAAACCTGGAAACAATGAAGGATCTGGTGCTCCCTCTCCATTAAGTAAGTCTTCTCCAGCCACAACTGTTAC
       15 February 2001
    GTCTCCTAATTCTACACCAGCTAAAACTATTGACACATCCCCACCGGTTGATTTATTTGCAACTGCATCTGCGGCTGTCC
    CAGTCAGCACTTCTAAACCATCTAGTGATCTCCTGGACCTCCAGCCAGACTTTTCCTCTGGAGGGGCAGCAGCAGCCG
    CAGCACCAGCACCACCACCACCTGCTGGAGGAGCCACTGCATGGGGAGACCTTTTGGGAGAGGATTCTTTGGCTGCA
    CTTTCCTCTGTTCCCTCTGAAGCACAGATTTCAGATCCATTTGCACCAGAACCTACCCCTCCTACTACAACTGCTGAAAT
    TGCAACCACTACTGCTGCCACCGCCGCTGCCACCACCACTACCATTCATCTCTTGCCAGCTTAGTAGGCAATCTTGGAA
    TTTCTGGTACCACAACAAAAAAGGGAGATCTTCAGTGGAATGCTGGAGAGAAAAAGTTGACTGGTGGAGCCAACTGGC
    AGCCTAAAGTAGCTCCAGCAACCTGGTCAGCAGGCGTTCCACCAAGTGCACCTTTGCAAGGAGCTGTACCTCCAACCA
    GTTCAGTTCCTCCTGTTGCCGGGGCCCCATCGGTTGGACAACCTGGAGCAGGATTTGGAATGCCTCCTGCTGGGACAG
    GCATGCCCATGATGCCTCAGCAGCCGGTCATGTTTGCACAGCCCATGATGAGGCCCCCCTTTGGAGCTGCCGCTGTAC
    CTGGCACGCAGCTTTCTCCAAGCCCTACACCTGCCAGTCAGAGTCCCAAGAAACCTCCAGCAAAGGACCCATTAGCGG
    ATCTTAACATCAAGGATTTCTTGTAAACAATTTAAGCTGCAATATTTGTGACTGAATAGGAAAATAAATGAGTTTGGAGAC
    TTCAAATAA
          TAAGATTGATGCTGAGTTTCAAAGGGAGCCACCAGTACCAAACCCAATACTTACTCATAACTTCTCTTCCAAAAT
          TAA
    GTGTAACACAGCCGTGAAAGTGAACATTAGGAATATGTACTACCTTAGCTGTTATCCCTACTCTTGAAATTGTAGTGTAT
    TTGGATTATTTGTGTATTGTACGATGTAAACAATGAATGGATGTTACTGATGCCGTTAGTGCTTTTTTGGACTTCACCTGA
    GGACAGATGATGCAGCTGTTGTGTGGCGAGCTATTTGGAAAGACGTCTGTGTTTTTGAAGGTTTCAATGTACATATAAC
    TTTTGAACAAACCCCAAACTCTTCCCATAAATTATCTTTTCTTCTGTATCTCTGTTACAAGCGTAGTGTGATAATACCAGA
    TAATAAGGAAAACACTCATAAATATACAAAACTTTTTCAGTGTGGAGTACATTTTTCCAATCACAGGAACTTCAACTGTTG
    TGAGAAATGTTTATTTTTGTGGCACTGTATATGTTAAGAAATTTTATTTTAAAAAATATAAAGGTTAACGTCCATAATAAAT
    ACTTCTCTTTGAAGCTACCTTATCAAGAACGAAAAATCGTATGGGAAGAATCCCCTATTTATCACTGCTATATTAAAATAT
    ATATATTTTAATTATATTTGACAGGTTTTGCATCTAAATTGACCTATTTATTCATTCTTGATTAAATGCACTGAAAAGTAAAA
    TTTAAAAGTGGTTGTATCTGAATTTACTGTGGGGATAACATACACTGTAATGGGGAAAAATTACCTAAAACCAATTTCAAA
    ATGGCTTTCTTTGTATTTCAGTTTAAAAACCCAGTGCATGTACGCCCTCTGAGATGCAATAAACACCTTGAACAAAG

Studio delle malattie genetiche

Dal Fenotipo al Genotipo

Dal Genotipo al Fenotipo

Year   Disease                   MIM n     Location Gene     Chromosome abnormality
1986   Duchenne muscular         310200    Xp21.3 DMD        (a) del(X)(p21.3)
       dystrophy
                                                             (b) t(X;21)(p21.3:p13)
       Retinoblastoma            180200    13q14     RB      del(13)(q13.1q14.5)
1989   Cystic fibrosis           219700    7q31      CFTR    None
1990   Neurofibromatosis 1       162200    17q11.2   NF1     Balanced translocations
                                                             t(1;17)(p34.3:q11.2)
                                                             t(17;22)(q11.2:q11.2)
       Wilms' tumor              194070    11p13     WT1     del(11)(p14p13)
1991   Aniridia                  106210    11p13     PAX6    t(4;11)(q22;p13)
                                                             del(11)(p13)
       Familial polyposis coli   175100    5q21      APC     del(5)(q15q22)
       Fragile-X syndrome        309550    Xq27.3    FMR1    FRAXA fragile site
       Myotonic dystrophy        160900    19q13.3   DMPK    None
1993   Huntington's disease      143100    4p16      HD      None
       Tuberous sclerosis 2      191092    16p13     TSC2    Microdeletions in candidate
                                                             region
       von Hippel-Lindau disease 193300    3p25      VHL     Microdeletions in candidate
                                                             region
1994   Achondroplasia             100800   4p16      FGFR3   None
       Early-onset breast/ovarian 113705   17q21     BRCA1   None
       cancer
       Polycystic kidney disease 173900    16p13.3   PKD1    t(16;22) (p13.3;q11.21)
                                  601313
1995   Spinal muscular atrophy 253300      5q13      SMN1    None
                                  600354

The ENCODE Project:

ENCyclopedia Of DNA Elements

The ENCODE Project:
                     ENCyclopedia Of DNA Elements

Researchers Expand Efforts to Explore Functional Landscape of
the Human Genome

Full-Scale ENCODE Project Will Survey Entire Human Instruction
Book

 Bethesda, Md., Tues., Oct. 9, 2007 – The National Human Genome
 Research Institute (NHGRI), part of the National Institutes of Health
 (NIH), today announced grants totaling more than $80 million over the
 next four years to expand the ENCyclopedia Of DNA Elements (ENCODE)
 project, which in its pilot phase yielded provocative new insights into the
 organization and function of the human genome.

The principal investigators chosen to receive the ENCODE scale-up grants are:

•Bradley Bernstein, M.D., Ph.D.; Broad Institute of MIT and Harvard, Cambridge, Mass.; $4.8 million
(four years); High-Throughput Sequencing of Chromatin Regulatory Elements. Utilizing the technique of
chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput DNA sequencing, this team will map
modifications of histones in various types of human cells. Histones are proteins that play a key role in
DNA packaging.

•Gregory Crawford, Ph.D.; Duke University Institute for Genome Sciences & Policy, Durham, N.C.; $6.5
million (four years); Comprehensive Identification of Active Functional Elements in Human Chromatin.
These researchers will seek to identify and characterize regions of open chromatin through DNase I
hypersensitivity assays, formaldehyde-assisted isolation of regulatory elements and chromatin
immunoprecipitation for a few key DNA-binding factors. Chromatin is the complex of DNA and proteins
that makes up chromosomes.

•Thomas Gingeras, Ph.D.; Affymetrix Inc., Santa Clara, Calif.; $10.2 million (four years); Comprehensive
Characterization and Classification of the Human Transcriptome. This group will identify protein-coding
and non-protein-coding ribonucleic acid (RNA) transcripts using microarrays, high-throughput
sequencing, sequenced paired-end ditags and sequenced cap analysis of gene expression tags. RNA is
an information molecule vital to a number of biological functions, including protein production.

•Richard Myers, Ph.D.; Stanford University, Stanford, Calif.; $14.6 million (four years); Global
Annotation of Regulatory Elements in the Human Genome. This group has two goals: to identify
transcription factor binding sites by using chromatin immunoprecipitation followed by high-throughput
sequencing, and to pilot the use of high-throughput sequencing to determine the methylation status of
CpG-rich regions of the human genome. Transcription factors are proteins and enzymes that initiate the
transcription of a gene's DNA sequence into RNA. Methylation refers to a specific chemical modification
of DNA, which can silence or reduce the activity of the affected region of DNA.

Studio delle malattie genetiche

                       Ad eredità mendeliana
                       Talassemia, falcemia, fibrosi cistica

Malattie genetiche

                       Fenotipi complessi
                       Neoplasie, malattie degenerative

Variazioni del genoma causano o
  contribuiscono all’insorgenza di malattia

• Malattie genetiche

• Differente predisposizione a determinate
  patologie

• Differente risposta a specifiche terapie

• Differente risposta a stress ambientali, a virus,
  a tossine

Differente predisposizione a determinate patologie

Differente risposta a specifiche terapie

Tratta da “lezioni di genetica” Prof. PF Pignatti

Differente risposta a specifiche terapie

Oltre alle classiche malattie genetiche,

la risposta a stress ambientali, a virus, a tossine
      dipendono dal genoma individuale.

  Variazioni della sequenza del genoma quindi
            causano o contribuiscono
            all’insorgenza di malattie.

Classificazione

????????????

Dogma centrale della Biologia

DNA             RNA            PROTEINE

Regolazione dell’espressione genica

Fenotipo dell’individuo

Fenotipo della cellula

I differenti tipi cellulari di un organismo
multicellulare nonostante abbiano lo
stesso genoma
differiscono   nettamente      sia   nella
struttura che nella funzione

Il fenotipo cellulare è determinato

fondamentalmente dalle differenti proteine

       presenti in quel determinato

              tipo cellulare

Fenotipo della cellula

               Proteine costitutive
           Indispensabili per la sopravvivenza
     La loro concentrazione deve rimanere costante

                 Proteine adattative
       Cambiamenti delle condizioni ambientali
    Produrre risposte metaboliche a specifici segnali

          Proteine del differenziamento
Assunsione ed espressione permanente di nuove funzioni
                       specifiche

Geni housekeeping – Sempre ugualmente
 espressi in tutti i tipi cellulari

Geni la cui espressione è regolata - Varia
 nei differenti tipi cellulari o in diversi
 momenti del ciclo cellulare

Il fenotipo cellulare è determinato
    fondamentalmente dalle differenti
  proteine presenti in quel determinato

             tipo cellulare

                e quindi

dall’espressione differenziale del genoma