Bioinformatica e analisi funzionale del genoma, Università di Bari

Bioinformatica e Analisi Funzionale del Genoma

LEZIONE 1- 05/10/2021 Corso di Laurea Magistrale in Biotecnologie Mediche e Medicina Molecolare Bioinformatica ed Analisi Funzionale del Genoma Prof. Graziano Pesole Dipartimento di Bioscienze, Biotecnologie e Scienze Farmacologiche Nuovi Dipartimenti Biologici (studio 48 - 1° piano) graziano.pesole@uniba.it Tel .: 0805443588

Questo corso riguarda la genomica, cioè tutto ciò che possiamo ottenere dall'analisi del genoma, che è la nuova frontiera delle biotecnologie. La medicina di precisione si basa sulla somministrazione a ciascun soggetto la terapia più adatta al suo profilo genetico e quindi per fare ciò bisogna conoscere il profilo genetico del paziente. Ma analizzare il profilo genetico vuol dire anche utilizzare degli strumenti, in particolare computer, per capire il senso dell'informazione genetica, e qui entra in gioco la bioinformatica. Genomica e bioinformatica sono due discipline strettamente correlate. La bioinformatica è nata, infatti, alla fine degli anni '70, quando si è iniziato a parlare di sequenziamento con Sanger e sono state rese disponibili le prime sequenze genomiche. In quel momento si è capito che servivano degli strumenti informatici per cercare di interpretare il linguaggio, cioè l'alfabeto di basi azotate, utilizzato dal codice genetico.L'avvento dell'era Genomica

Sviluppi delle Tecniche di Indagine Bio-molecolare

Gli enormi sviluppi delle tecniche di indagine bio-molecolare rendono oggi possibile acquisire conoscenze relative al flusso dell'informazione genetica a ritmi fino a poco fa inimmaginabili (es. determinazione delle sequenze di DNA, studio del profilo di trascrizione, determinazione della struttura delle proteine, ecc.)

Questo ha prodotto un drastico cambio di prospettiva e di orizzonti nella ricerca biologica: Dal GENE al GE NO MA Genoma: 1920 Hans Winkler, Botanico Genomica: 1979 Victor McKusic, Genetista Il complesso delle unità elementari di un dato sistema

La Genomica si è sviluppata perché nel tempo sono arrivati degli strumenti di indagine bio- molecolare che ci consentono di osservare i genomi, in primis i sequenziatori del DNA. Prima dell'avvento di questi strumenti sapevamo come era formato il DNA, ma non sapevamo come era fatto il genoma. A luglio del 2001 venne annunciato il completamento del genoma umano, e il Progetto Genoma Umano ha generato un'esplosione della ricerca in tutto il mondo, dando l'avvio alla cosiddetta Era Genomica.

Prima di questo evento si parlava di Geni e di numero di geni, e il ricercatore studiava il singolo gene e la singola proteina, adesso invece si cambia prospettiva, perché si ha la possibilità di fare studi sull'intero genoma.

La Biologia "OMICA"

• GENOMICA geni e sequenze regolatorie
• TRASCRITTOMICA RNA ed espressione genica
• PROTEOMICA Proteine
• METABOLOMICA metaboliti e vie metaboliche
• FARMACOGENOMICA relazione tra genoma e risposta ai farmaci
• FISIOMOMICA Fisiologia dell'intero organismo

La parola "Genoma" risale agli anni '20, invece la parola "Genomica" nasce negli anni '70, e contiene la desinenza "OMA", usata alla fine di diverse parole e che indica il complesso delle unità elementari di un dato sistema. Questo ha portato all'avvento della biologia "Omica", che comprende diverse discipline.La Genomica

Genomica Strutturale e Funzionale

Genomica Strutturale. Studio della struttura del genoma, identificazione di geni e dei loro prodotti di espressione, di elementi regolatori ed altre entità informazionali.

Napo Kals ighie $516 Europa 5596 erina 55100 a-Sant Viale Giusep

Genomica Funzionale. Studio delle funzioni dei geni, delle loro interazioni (pathways metabolici) e dei meccanismi che ne regolano l'espressione.

Che vuol dire conoscere il Genoma? Vuol dire conoscere la successione di basi azotate che lo compongono. Il genoma umano è grande circa 3Mld di bp.

La GENOMICA STRUTTURALE studia, appunto, la struttura del genoma. Quando parlo di struttura non mi fermo solo alla successione dei caratteri, ma devo anche identificare i geni e i loro prodotti di espressione, operazione fatta tramite lo studio dell'mRNA trascritto da quel gene specifico: partendo dal codone di inizio AUG e identificando le triplette (codoni) arrivo fino al codone di stop, e a questo punto conosco non solo la struttura del gene ma anche la struttura della proteina.

Ma per sapere cosa fanno questi geni devo rivolgermi alla GENOMICA FUNZIONALE, che è appunto lo studio della funzione dei geni e delle loro interazioni, ma anche di tutto ciò che regola queste interazioni. Studiando le funzioni dei geni posso di conseguenza andarne ad individuare eventuali disfunzioni e capire come correggerle.

La Genomica Comparata

Stele di Rosetta (British Museum)

Gli studi di Genomica Strutturale e Funzionale traggono grande vantaggio dall'analisi comparativa dei genomi e dei loro prodotti di espressione. Il confronto di entità "omologhe" ci aiuta ad interpretare l'informazione genica.

In tutti gli organismi ciò che vediamo a livello dei pathways metabolici è frutto di un processo evolutivo. Nonostante i genomi degli organismi siano molto diversi tra loro (uomo e topo, a livello di identità, condividono il 10% del genoma) i pathways metabolici principali sono gli stessi e per aiutarci a comprendere meglio il significato dell'informazione genetica interviene la GENOMICA COMPARATA.Possiamo fare l'esempio della Stele di Rosetta, che ha consentito di decifrare il linguaggio geroglifico grazie al fatto che lo stesso testo era scritto in altre due lingue, tra cui il greco. Allo stesso modo, se sequenzio il genoma umano e conosco la funzione di un gene, posso confrontarlo con un gene omologo di un altro organismo, ad esempio il cane, e la similitudine tra i due mi aiuta a definire la funzione del gene del cane che ancora non conosco. Alla base della genomica comparata c'è il concetto che io riesco a comprendere più facilmente il significato di qualcosa, se la posso confrontare con qualcos'altro che già conosco.

In termini genetici, la parola omologo ha in significato preciso: due entità sono omologhe se hanno in comune il progenitore, ad esempio la beta globina umana è omologa alla beta globina del topo. L'approccio comparativo è possibile dal momento che sono disponibili diversi modelli animali di cui si conosce il genoma e con i quali possono essere messi a confronto quelli ancora poco conosciuti.

La Genomica Comparata e l'Evoluzione

"Nothing in Biology makes sense except in the light of evolution" Theodosius Grigorevich Dobzhansky (1900 - 1975)

La conservazione ci permette di osservare gli effetti dell'evoluzione. Ciò che è conservato, ovvero preservato nel corso dell'evoluzione, è molto probabile che abbia una precisa funzione biologica. La conservazione può essere a livello della sequenza (nucleotidica o proteica), della struttura, dell'espressione, ecc.

Analogamente, possiamo attribuire una medesima funzione a geni (o altre entità biologiche) che risultino simili e conservate nel corso dell'evoluzione.

( Un genetista russo, Dobhzansky, afferma che "Niente in Biologia ha un senso se non alla luce dell'evoluzione", e il significato di questa frase, considerata l'assioma fondamentale della genomica comparata, è che possiamo capire come funziona la biologia, quindi la vita, solo se la studiamo nell'ottica di un processo evolutivo. Quindi entra in gioco il fattore tempo. L'origine della Terra risale a 4,5 miliardi di anni fa, l'origine della vita, cioè la nascita dei primi sistemi di trasmissione di informazione genetica, a circa 3 miliardi di anni fa. Il primo depositario di informazione genetica è stato l'RNA, il quale ha un vantaggio, quello di poter essere sia depositario di informazione che mediatore di attività, cioè può funzionare sia da genoma (contiene l'informazione genetica) che da enzima, perché media l'espressione delle proteine (tRNA nella traduzione). Per questo motivo le prime forme di vita avevano l'RNA, invece le proteine e il DNA sono un secondo livello di evoluzione delle forme unicellulari. Ad un certo punto le forme di vita hanno avuto bisogno di energia, e dove la glicolisi non era più sufficiente si è andati incontro al completamento della fosforilazione ossidativa, e grazie a questa evoluzione la cellula si è dotata di una fonte energetica molto più efficiente, permettendo così il passaggio dall'unicellularità alla pluricellularità. Alla base dell'evoluzione della cellula c'è quindi il mitocondrio.Facendo un'analisi genomica comparata posso individuare ciò che è conservato e ciò che varia: se qualcosa (proteine o pathway metabolici) è molto conservato vuol dire che ha una specifica funzione biologica che risulta utile a tutti: ad esempio gli istoni sono molto conservati in tutti gli organismi, perché hanno il ruolo fondamentale di compattare il DNA. Ciò che varia invece ci fa capire quali sono le peculiarità di una specie rispetto ad un'altra, ciò che la rende unica, e ad esempio questo rende un farmaco adatto per un individuo e per un altro no, nell'ottica della medicina di precisione.

La Bioinformatica

La necessità di gestire ed interpretare grandi quantità di informazioni genetiche ha richiesto lo sviluppo di adeguati strumenti informatici (banche dati, algoritmi e software per l'analisi delle sequenze).

E' nata così la Bioinformatica, una nuova disciplina che si pone l'obiettivo di sviluppare e applicare strumenti adeguati per l'immagazzinamento, l'interrogazione e l'analisi dei dati biologici (sequenze di DNA e proteine, profili di espressione, interazioni strutturali, dati metabolici, letteratura scientifica, ecc.) che oggi vengono prodotti a ritmi sempre più elevati.

1.800.000 100.000 1,700.000 1.600.000 1.500.000 3,000 1,400.000 500.000 1.300.000 .000,000 1,200,000 700.000 1.100,000 800.000 1.000.000 900.000

Bioinformatica è una parola composta dal prefisso "Bio", vita, e dalla desinenza "Informatica", informazione. Dopo aver ottenuto una enorme quantità di dati e informazioni genetiche nasce la necessità di poterli gestire ed interpretare. Per fare questo ho bisogno di:

1. Storage: possibilità di memorizzare i dati ottenuti, quindi strumenti che conservino questi dat
2. Analisi: strumenti informatici che analizzino i dati

Tutto questo è alla base della bioinformatica, disciplina che si sviluppa all'inizio degli anni '80 e si pone l'obiettivo di sviluppare strumenti adeguati all'immagazzinamento, l'interrogazione e l'analisi dei dati biologici, che oggi sono prodotti a ritmi sempre più elevati. Per questo motivo è una disciplina in continua evoluzione e molto richiesta sul mercato del lavoro non solo nella ricerca, ma anche in ambito industriale. Per fare bioinformatica è necessario, quindi, avere un solidissimo background biologico, e non solo informatico.