BASI MOLECOLARI DELL’AZIONE DEL FARMACO

BIOTECNOLOGIE FARMACOLOGICHE

LEZIONE 3

CORSO DI LAUREA SPECIALISTICA IN BIOTECNOLOGIE DEL FARMACO

Adriana Maggi

Riassunto lezione n° 2

Metodi della genomatica – il Progetto Genoma Umano e sue immediate conseguenze nel mondo della biologia.

GENOMATICA FUNZIONALE

Studio di funzione genica

I farmaci attualmente sul mercato agiscono su circa 500 prodotti genici

Considerando che il genoma umano contiene circa 30.000 geni che codificano per proteine, il potenziale per lo sviluppo di nuovi farmaci è evidente

LA RICERCA DELLA FUNZIONE DEI GENI

La tradizione:

ricerca di di mutazioni per identificare perdite o acquisizione di funzioni

I metodi della genetica all’incontrario:

Generare nuovi organismi geneticamente modificati per studiare perdita o acquisizione di funzioni

Metodologie innovative:

Studio comparativo di popolazioni di prodotti genici

La tradizione:

ricerca e analisi di mutazioni e polimorfismi (es RFLP; SNP) del genoma stesso

Siti polimorfici

• 99.99 % della sequenza del DNA di due individui e’ identica

• la maggioranza delle differenze (0.01%) coinvolgono singole sostituzioni

Polimorfismi al taglio con enzimi di restrizione (RFLP)

Single nucleotide polymorphysm (SNP)

Polimorfismi al taglio con enzimi di restrizione (RFLP)

Allele 1 Allele 2*

Polimorfismi al taglio con enzimi di restrizione (RFLP)

associazione RLFP-patologia

Famiglia Patol.

sani

variab nella popol.

The Lod (log of odds) score (typically called logit by mathematicians) is used to calculate the probability of a pedigree arising randomly or by genetic linkage. The test was developed by Newton and Morton                                                                            

In practice, linkage is declared if the LOD score is equal to or greater than 3 (i.e. the likelihood of observing the result if the two loci are not linked is less than 1 in 1000). On the other hand, linkage can be completely excluded if the LOD score is strictly below -2.

LOD = log Probability of birth sequence with a given linkage value

Probability of birth sequence with no linkage

CROSSING OVER TRA CROMOSOMI

Thomas Hunt Morgan's illustration of crossing over (1916)

Studio di funzione genica Localizzazione posizionale di geni/malattia

Studio di linkage familiare con polimorfismi

Chromosomal walking

Inheritance pattern – dominant autosomal Entirely penetrant and fatal Frequency - about 1/10,000 live births Late onset - age 35 to 45 Because of late onset, many have children before symptoms appear

Families with a history of Huntington's disease :Indiana University maintains a National Research Roster for Huntington's Patients Large family with a history of Huntington's disease discovered living on shore of lake Maracaibo in Venezuela

For both families with a history of Huntington's disease: Blood samples taken from each member Permanent cell lines established Each family member analyzed by a neurologist for disease symptoms Paternity verified

Huntington, la malattia ideale per position cloning

1981 - Gusella's group started with a group of anonymous probes that uncovered RFLPs - very few available.

the 12th probe they tried -called G8 - indicated linkage. Disease associated with the A haplotype in the American family and the C haplotype in the Venezuelan family.

LOD Scores 1983 - G8 (also called D4S10) mapped approximately 4 cM from the HD locus.  It took 10 more years to clone the gene.

1986-87 DNA markers were used and D4S10 was localized by in situ hybridization and somatic cell genetics to chromosome region 4p16.3;  Further linkage studies for isolating HDIdentification of Putative Coding Sequences Exon Trapping; Use trapped exons to identify candidate genes from cDNAs; Four transcripts were analyzed; IT15 - Huntingtin

Gusella JF, Wexler NS, Conneally PM, Naylor SL, Anderson MSA, Tanzi RE, Walkins PC, et al (1983) A polymorphic DNA marker genetically linked to Huntington's disease. Nature 306:234-238

Huntingtin DNA, protein and uses thereof US Patent Issued on November 11, 1997 Inventor(s): Marcy E. MacDonald; Christine M. Ambrose; Mabel P. Duyao; James F. GusellaAssignee: The General Hospital CorporationApplication: No. 246982 filed on 1994-05-20

LE PRIME AZIENDE BIOTECNOLOGICHE

Sequana Therapeutics

History: Sequana Therapeutics (expertise: finding new genes eg. obesity and melanoma) was acquired by Arris Pharamceuticals for $ 166 million, forming Axys Pharmaceuticals. Axys went on to form Axys Advanced Technologies, which got bought by ChemRx, becoming ChemRx Advanced Technologies. The remains of Axys were bought by Celera and now operates as Celera South San Francisco. Celera is now part of Applera

Myriad Genetics Salt Lake City – 657 impiegati vendite 2005: $84,2 milioni

Myriad Genetics is working on figuring out which ones you will get. Its tests can determine a patient's risk for breast or ovarian cancer (BRACAnalysis), skin cancer (MELARIS), and colon cancer (COLARIS). The company is also developing treatments for some of those myriad diseases. With such partners as Abbott Laboratories and E.I. du Pont de Nemours, Myriad is developing drugs for cancer, AIDS, and other diseases. Its lead drug candidate Flurizan is in Phase III clinical trials as a treatment for Alzheimer's disease. Other drugs being developed include brain tumor candidate MPC-6827 and blood cancer candidate MPC-2130.

Metodologie innovative:

Studio comparativo di popolazioni di prodotti genici

• genomatica comparativa

• studio di SNP

• generazione di arrays per lo studio comparato di espressione genica

Studio di funzione genica

analisi basata sulla omologia con proteine a funzione nota

Genomatica comparativa:

Ortologo e paralogo

• Ortologhi – geni omologi con la stessa funzione in organismi diversi

• Paraloghi – geni all’interno dello stessoorganismo derivanti da duplicazione genica

Geni ortologhi o paraloghi

The ACT Display

Zoom scroll bar

genome1

Filter scrollbar

genome2

Genome2

Blast HSPs

genome3

Fino a qui lezione terza

ARRAY

MACROARRAY

MICROARRAY

DNA microarray (o gene/genome chip, DNA chip, o gene array) è una collezione di depositi puntiformi di DNA, ciascun punto

rapresentante un singolo gene immobilizzati su un supporto (vetro,

plastica o silicone) mediante legami di tipo irreversibile.

Esempio di microarray con 40.000 oligo immobilizzati su supporto solido e ibridati con cDNA

APPLICAZIONI DI ARRAY:• SNP detection arrays - Looking for

Single nucleotide polymorphism in the genome of populations

• comparative genomic hybridization (Array CGH) - Assessing large genomic rearrangements.

• mRNA or gene expression profiling - Monitoring expression levels for thousands of genes simultaneously is relevant to many areas of biology and medicine, such as studying treatments, disease, and developmental stages. For example, microarrays can be used to identify disease genes by comparing gene expression in diseased and normal cells (reference?).

• Chromatin immunoprecipitation (chIP) studies - Determining protein binding site occupancy throughout the genome, employing ChIP-on-chip technology

Perchè una variazione possa essere considerata un SNP deve essere presente in almeno l’1% della popolazione

Gli SNP sono la causa di circa il 90% della variabilità genetica umana ed in genere si trova uno SNP ogni 100-300 pb. 2/3 SNP vedono sostituita la C con T.

Siti polimorfici per singola sostituzione di base (SNP)

Individuo 1

Individuo 2

Siti polimorfici per singola sostituzione di base (SNP)

•di base

Nel genoma umano ci sono 200.000 SNP all’interno di sequenze codificanti

Metodi di identificazione di SNP

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/About/primer/snps.html

IBRIDAZIONE ALLELE-SPECIFICA

REAZIONE DI ELONGAZIONE DI PRIMER FISSATO SU SUPPORTO

SOLIDO

Studio di funzione genica

Studio di trascrittoma (trasncriptomics)Studio di proteoma (proteomics)Studio di metaboloma (metabolomics)

Studio di interattoma

Clustered Image Maps

Drugs x Cells Genes x Cells

Genes x Drugs

H. sapiens

Database Microarray Experiment Sets Sample Profiles as of Date

Genomics and bioinformatics group

NCI and NIH

Chip-on-chip analysis per lo studio delle interazioni DNA proteine