Metodo “riduzionistico”

James Dewey Watson

[1928]

Francis Harry Compton Crick

[1916 - 2004]

Maurice Wilkins

[1916 - 2004]

Rosalind Elise Franklin

[1920 - 1958]Premio Nobel (Medicina) - 1962

Nature, 1953;171:757

Genetica --> dal greco γενετικοσ = ”relativo alla nascita”; γενεσισ = ”genesi” (origine)

INTRONI = sequenze NON codificanti proteineESONI = sequenze codificanti proteine

cromosoma

DNA

A = adeninaT = timinaC = citosinaG = guanina

U = uracile

introne

esone

esone

Sequenze di acidi nucleici

n = 26.000

Metodo “riduzionistico”

n = 500.000 funzioni

Metodo “olistico”

John Craig Venter

[1946]

Francis Collins

[1950]

James Dewey Watson

TRASCRIZIONE

DNA

TRASLAZIONE

proteineaminoacidi

Pre m-RNA

ribosoma

m-RNA

GENOMA DNATRASCRITTOMA RNAMETABOLOMA aminoacidiPROTEOMA proteine

MICROBIOMAINFETTIVOMANUTRIBIOMAAMBIENTOMA

t-RNA

r-RNA

nc-RNA

POST - TRASCRIZIONE

SINTESI PROTEICA

Scienze “omiche” & Sistemi biologici

INTERATTOMA / EPIGENOMA

Approccio di tipo “olistico””

Biologia dei Sistemi

NODO

ARCO

GENOMA

•DNA

•Geni

TRASCRITTOMA

•m-RNA

PROTEOMA

•Proteine

METABOLOMA

•Metaboliti

AMBIENTE

FENOTIPO

Esempio di reti (sistemi biologici) interconnesse, composte da geni [DNA], trascritti [m-RNA],

proteine e metaboliti che formano nel loro insieme il genoma, il trascrittoma, il proteoma ed il

metaboloma (A): la loro interazione con l’ambiente (B) determina il fenotipo finale (C).

A

B

C

Scienze “omiche” & “Sistemi biologici”

Approccio di tipo “olistico””

CNV = segmento di DNA, più lungo di 1000 paia di basi,

con un numero

variabile di copie rispetto ad un DNA di riferimento.

Array-CGH Whole-Genome [commerciale]

CNV = segmento di DNA, più lungo di 1000 paia di basi, con un numero variabile di copie rispetto

ad un DNA di riferimento.

Biologia dei sistemi

Profili di espressione

Sequenziamento del DNA Dosaggio genico

Dati fenotipici

Dati epigenetici

Biologia dei sistemi complessi: da un approccio tradizionale mono-

dimensionale ad un approccio di tipo “olistico”

Profili di espressione genica (cioè valutazione del trascrittoma: m-RNA; valutato con tecniche di microarray) epolimorfismi genetici (cioè valutazione del genoma: DNA; valutati attraverso polimorfismi a singolo nucleotide (SNP)correlati con variazioni del fenotipo a seconda dei livelli di espressione di SNP (A); esempio di reti (network) diespressione di geni causanti patologie del sistema nervoso centrale considerate nel loro insieme (sistema).

A B

Profili di

espressione

genica

(microarray)

Polimorfismi

genetici

Posizione lungo il cromosoma

Va

ria

zio

ni

nel

fen

oti

po

(li

vel

li d

i es

pre

ssio

ne

gen

ica)

Genotipo

Recettore tirosin-chinasi

RAS-GPT

Crescita cellulare

Differenziazione

Motilità cellulare

Sopravvivenza

Apoptosi

Senescenza

CRAF BRAF

p120-GAP

RAS / MAPK-patie [NS]

GF (fattore di crescita)

Neurofibromina

KRAS-GPT HRAS-GPT NRAS-GPTRAS-GPT KRAS-GPT HRAS-GPT NRAS-GPT

SOS1SHC

GRB2

SHP2CBL

Ub

SPRED1

SHOC1

PPP1C

MEK1 MEK2

ERK1 ERK2

DNA

Nucleo Noonan

NSML[LEOPARD]

RTK

PTPN11

SOS1

RAF1

KRASNRAS

SHOC2

CBL

RASA1

HRAS

MAP2K1 MAP2K2

BRAF

La misurazione dell’espressione di alcuni geni (espressi) nel sistema nervoso (A) permette di creare

modelli di interconnessione tra tali geni volti a formare reti complesse (network) (B): l’analisi di

queste reti complesse permette infine di rappresentare in maniera multidimensionale (C) le

singole reti distinguendole e separandole in gruppi funzionali che comprendono differenti cellule

del sistema nervoso (centrale).

Espressione dei geni

Campione

Liv

ello

di

esp

ress

ion

eGruppo A

Gruppo B

Gruppo C

NetworksRelazioni tra i networks

Oligodendrociti

Astrociti

Neuroni

Primo componente principale

Sec

on

do c

om

pon

ente

pri

nci

pale

Espressione dei geni

Campione

Liv

ello

di

esp

ress

ion

eGruppo A

Gruppo B

Gruppo C

NetworksRelazioni tra i networks

Oligodendrociti

Astrociti

Neuroni

Primo componente principale

Sec

on

do c

om

pon

ente

pri

nci

pale

MALFORMAZIONI dello SVILUPPO CORTICALE

I. MALFORMAZIONI secondarie ad ANOMALIE DELLA

PROLIFERAZIONE/APOPTOSI di progenitori NEURONALI E GLIALI

A) PROLIFERAZIONE ANOMALA (Tipi cellulari ANOMALI)

Franz et al. Ann Neurol 2006;59:490-98

Tilema et al. Neurology 2012;78:526-31

Everolimus [RAD001]

Dermatol Online J 2012;18:15

Am J Kidney Disease 2012;59:276-83

Sopravvivenza e differenziazione neuronale

dendriti

assone

neuroepitelio

spine

1. neurogenesi

2. migrazione

4. Formazione dei circuiti

3. formazione assoni, dendriti e sinapsi

Approccio di tipo “olistico””

Assone

Filopodio

Dendrite

Spina Dendritica

actina

actina

Bottone sinaptico

Vescicole sinaptiche

NMDA

AMPAR

Approccio di tipo “olistico””

Assone

Filopodio

Dendriteactina

actinaCrescita “illimitata” delle spine dendritiche

Moltiplicazione “non regolamentata” dei bottoni sinaptici

Bottoni sinaptici

Spine Dendritiche

Reazioni avverse e MMR

La FEBBRE è una reazione comune alla vaccinazione

Le CONVULSIONI FEBBRILI si manifestano occasionalmente dopo vaccino MMR

Il vaccino MMR triplica il rischio di convulsioni febbrili nella seconda settimana dopo la somministrazione

Ogni 10.000 bambini vaccinati 3 -16 nuovi casi di convulsioni febbrili

Le convulsioni febbrili si manifestano nel 2%-5% dei bambini di origine europea prima dei 5 anni di vita e spesso indotte da infezioni virali

Membrana esterna

Membrana interna

Neurone

+ + + + + + + + + + + + + +

Ioni Na+

Voltage sensitive channel proteins

Sono proteine transmembrana che formano canali voltaggio-dipendenti

essenziali per la generazione e propagazione dei potebziali d’azione nei

neuroni

gene/proteina SCN1A – SCN2A

Sodium channel, voltage-gated (brain type I & type II) alpha subunit

+ + + + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Ioni Na+

Subunutà α

Gradiente elettrochimico

+ + + + + + + + + + + + +

Studio di associazione genome-wide:

Varianti comuni in specifici loci

Bambini con convulsioni febbrili correlate a MMR

Gene “Interferon-stimulated” [IFN1-S]

Gene “CD46”[recettore per il virus del morbillo]

Bambini con convulsioni febbrili “in genere”

Gene SCN1A

Gene SCN2A

TMEM16 family gene

Regione genica associata ai livelli di magnesio

I

M

M

U

N

I

T

À

I

N

N

A

T

A

CD46

actina

FERM

SCR2

C-STP

B-STP

SCR1

SCR3

SCR4

P

P

PP

P

PP

Cyt1Cyt2

Na +

Cl -

Interazioni spermatozoo- ovocita

Regolazione del complemento [C3b / C4b]

Recettori MMV

Signalling intracellulare

IFN - stimulated

Sindrome degli SPASMI INFANTILI (ISs)

Migrazione “radiale” neuronale

Migrazione “tangenziale” interneuronale

TSC1 - TSC2

TSC1 - TSC2

Meganeuroni

DCX

LIS1

CDKL5 - STK9

Moltiplicazione bottoni sinaptici / crescita spine dendritiche

DCX

Trasporto mitocondriale

STXBP1

Traffico vescicolare

Sintaxina

SLC25A22 Spectrina

SPTAN1

Guaina mielinica

SCN2A

PLCB1

ICP3-DAG

SSA1

Epitopo di Lewis

ST3GAL3

FOXG1

NMDAR1-NMDAR2

Canali trasporto ionico

DNA

NUCLEO

CITOPLASMA

istone

Gruppi metile

“Code” istoniche

DNA

NUCLEO

CITOPLASMA

istone

Gruppi

metile

FOXO3

IFN1 stimulated protein

CD46