Bioinformatica e Biologia Computazionale per la Medicina Molecolare

Transcript

1 Facoltà di Ingegneria dell Informazione Laurea Specialistica e Magistrale in Ingegneria Informatica Facoltà di Ingegneria dei Sistemi Laurea Magistrale in Ingegneria Biomedica Dipartimento di Elettronica e Informazione Bioinformatica e Biologia Computazionale per la Medicina Molecolare Marco Masseroli, PhD marco.masseroli@polimi.it

2 Genetica molecolare II 2

3 Indice Genetica molecolare II Proteine - Struttura delle proteine Relazione struttura/funzione Domini proteici Mutazioni genetiche - Polimorfismi Mutageni e riparazione danni DNA Genoma Trascrittoma e proteoma Principali organismi studiati Biologia evolutiva - Geni e proteine omologhi Paralogi Ortologi - Filogenetica e alberi filogenetici 3

4 Genetica molecolare Proteine Proteine: macro polimeri costituiti dall unione di aminoacidi (da 3 a varie centinaia); esistono 20 aminoacidi diversi: Alanina Ala (A) Cisteina Cys (C) Acido aspartico Asp (D) Acido glutammico Glu (E) Fenilalanina Phe (F) Glicina Gly (G) Istidina His (H) Isoleucina Ile (I) Lisina Lys (K) Leucina Leu (L) Metionina Met (M) Asparagina Asn (N) Prolina Pro (P) Glutamina Gln (Q) Arginina Arg (R) Serina Ser (S) Treonina Thr (T) Valina Val (V) Triptofano Trp (W) Tirosina Tyr (Y) 4

5 Genetica molecolare Proteine Gli aminoacidi sono molecole contenenti: 1 atomo di carbonio centrale, a cui sono uniti: - 1 atomo di idrogeno (H) - 1 gruppo aminico (-NH 2 ) - 1 gruppo carbossilico (-COOH) - 1 residuo chimico (R), che varia a seconda dell aminoacido (Ala, Cys, Asp, ) Cα N-terminus C-terminus Side chain 5

6 Genetica molecolare Proteine Il residuo chimico (side chain) di ogni aminoacido determina le proprietà chimiche dell aminoacido rendendolo: idrofobico polare acido Diagramma di Venn delle proprietà degli aminoacidi 6

7 Genetica molecolare Proteine Peptide (dal greco piccolo digeribile") è polimero corto formato dall unione di aminoacidi collegati tra loro da legami peptidici (o amide) Legame peptidico: legame tra terminale N di un aminoacido e terminale C di altro aminoacido E rigido e planare (Poli)peptidi hanno liberi 1 terminale N (all inizio) e 1 terminale C (alla fine) Video: 7

8 Genetica molecolare Proteine Proteine sono catene polipeptidiche Polipeptide contiene da 3 a varie centinaia di aminoacidi Catena polipeptidica è lunga sequenza di gruppi peptide rigidi e planari Conformazione 3D di polipeptide è determinata da angoli di torsione attorno ai legami Cα-N (Φ) e Cα-C (Ψ) di ogni aminoacido Solo alcuni valori di Φ e Ψ sono possibili, dipendendo da R (side chain) dell aminoacido Φ Ψ 8

9 Genetica molecolare Proteine Proteine hanno varietà di funzioni, fondamentali per tutti organismi: energetiche immunitarie strutturali di supporto (formano ossatura della cellula) di trasporto (di ossigeno, metalli, lipidi, di membrana) di identificazione dell'identità genetica enzimatiche (catalizzano, ovvero permettono, la maggior parte delle reazioni cellulari) ormonali (svolgono funzioni regolative e di trasmissione segnali tra parti dell organismo) contrattili 9

10 Genetica molecolare Struttura delle proteine La funzione svolta da proteina dipende dalle proprietà della proteina, determinate da: Proprietà degli aminoacidi che la compongono Soprattutto dalla struttura 3D assunta dalla proteina Struttura proteina è articolata in 4 livelli tra loro relazionati: Struttura primaria: sequenza degli aminoacidi - es. AFYYWVTNMACDHIRSSWAA 10

11 Genetica molecolare Struttura delle proteine Struttura secondaria: conformazione locale 3D con pattern di ripiegamento regolare e ripetitivo della catena polipeptidica in sottostrutture con topologie geometriche ben definite e fisse nel tempo: - a spirale (α-elica): passo 0.54 nm; 3.6 residui per giro; legami H all interno della catena polipeptidica - planare (β-strand, o β-sheet): in forme parallele e antiparallele secondo direzione catena polipeptidica, stabilizzate da legami H tra parti adiacenti di catena - loops: collegamenti tra α-elica e β-strand (spesso possono cambiare rapidamente propria direzione); in media in proteina 40% loops e 60% α-elica e β-strand 11

12 Genetica molecolare Struttura delle proteine Legami H in strutture α-elica (Video: eus6cen4gsa) Legami H in strutture β-sheet (Video: 12

13 Genetica molecolare Struttura delle proteine Struttura terziaria: disposizione 3D di elementi della struttura secondaria nell'ambiente - Stabilizzata da legami H, ponti disolfuro, forze di Van der Waals e interazioni idrofobiche - Forma assunta è quella con energia libera più bassa - Per lo più globulare o fibrosa - Definisce proprietà e funzione della proteina 13

14 Genetica molecolare Struttura delle proteine Tipi di legami chimici e loro intensità 14

15 Genetica molecolare Struttura delle proteine Dominio proteico: parte di sequenza e struttura proteica che può esistere, funzionare ed evolvere indipendentemente dal resto della catena proteica Ogni dominio ha struttura 3D stabile e si folda sempre nello stesso modo indipendentemente dall ambiente ove si trova Ha lunghezza tra circa 25 e 500 aminoacidi (tra i più corti è lo zinc finger, comune in DNA binding proteins, stabilizzato da ponti ionici o disolfuro, Può essere in varietà di proteine evolutivamente relazionate Spesso corrisponde a unità funzionale es. dominio EF hand domain di legame del calcio Molte proteine sono formate da vari domini 15

16 Genetica molecolare Struttura delle proteine The protein Calmodulin with Calcium binding domain calcium: blue alpha-helices: orange beta-sheets: green Clearly visible the helix-turn(sheet)-helix structure of four Ca2+-binding sites Picture from protein 1CLL in Protein Data Base (PDB) [ 16

17 Genetica molecolare Struttura delle proteine Struttura quaternaria: organizzazione spaziale in complessi multi-subunità di due o più unità polipeptidiche (con propria struttura terziaria), unite in modo molto specifico da legami deboli non covalenti (legami H, forze di Van der Waals) - fosforilasi (4 sub-unità) - emoglobina (2 sub-unità) Sub-unità α (rosso) e β (blu) di emoglobina umana; in verde, gruppi eme contenenti ferro 17

18 Genetica molecolare Struttura delle proteine LSm Hfq protein (LSm is a family of RNA-binding proteins) with hexamer torus Orange carotenoid protein from Arthrospira Maxima 18

19 Genetica molecolare Struttura delle proteine Ribbon representations of two orthogonal views of the DBP-actin complex 19

20 Genetica molecolare Struttura delle proteine Struttura primaria determina largamente la struttura terziaria Dalla sola sequenza di amminoacidi si possono ottenere "previsioni di struttura terziaria" (i.e. folding) con software specifici (c è anche gioco sperimentale Conformazione 3D è fondamentale affinché proteina esplichi sua attività biologica Proteina denaturata (ha perso sua struttura terziaria, pur mantenendo intatta la struttura primaria) non esplica sua funzione, a meno che non si ristabilisca struttura terziaria Due proteine si dicono isoforme se tra loro vi sono solo piccole differenze, dovute ad alternative splicing o a polimorfismi (SNPs) 20

21 Genetica molecolare Mutazioni genetiche Durante duplicazione del DNA si possono avere variazioni nella sequenza delle basi nucleotidiche del DNA (mutazioni) che si trasmettono a discendenti (individui mutanti) Generalmente rare (1:10K 1M individui) Per lo più spontanee e casuali in tutti organismi Possono generare individui con nuove caratteristiche Fenomeno biologico fondamentale per evoluzione (aumentano variabilità genetica di popolazioni) Possono anche essere patogeniche: Causa diretta di un fenotipo anormalo Risultare in accresciuta suscettibilità a una patologia 21

22 Genetica molecolare Mutazioni genetiche Mutazioni possono essere letali per singolo individuo Tutti organismi hanno vari meccanismi cellulari per riparare eventuali danni al DNA Bassa % DNA codificante su DNA totale diminuisce probabilità di mutazione in zona codificante (potenzialmente letale) Mutazioni non letali si trasmettono a discendenti introducendo tra individui di una specie miriade di piccole e grandi differenze nella sequenza del DNA Si dicono polimorfismi [nucleotidici, del DNA] (o varianti alleliche) quando in popolazione frequenza > 0.01% Alcuni geni (es. HLA) molto polimorfici, e alleli di diversi individui possono avere sequenza molto divergente 22

23 Genetica molecolare Mutazioni genetiche In un individuo, grande maggioranza di mutazioni è ereditata, dato che tasso di nuove mutazioni è basso Genoma di ogni individuo è unico Soprattutto ripetizioni in tandem di tratti di sequenza DNA Genoma di eucarioti contiene (~50%) molti tratti di brevi sequenze ripetute più volte In certi punti DNA, numero di tali ripetizioni è molto variabile tra gli individui, e sulle due coppie di cromosomi di un individuo (eterozigosità) Valutare tale numero in alcuni di tali punti del DNA permette identificare individuo con buona affidabilità (identificazione forense) 23

24 Genetica molecolare Mutazioni genetiche Single Nucleotide Polymorphism, or SNP ("snip"), è la variazione di 1 nucleotide singolo nella sequenza DNA di individuo (es. AAGGTTA -> ATGGTTA) In media, frequenza SNPs in DNA umano > 1% In umano, SNPs prevalentemente fuori da regione codificante (solo 3-5% DNA umano codifica per proteine) SNPs in regione codificante hanno più probabilità di alterare la funzionalità biologica Cambiamento sequenza di basi può determinare diversa codifica di aminoacidi, con eventuale differente significato biologico (es. vèrde -> vérde -> vérte) - CCU -> Pro e CCC -> Pro; AAG -> Lys e GAG -> Glu (video: 24

25 Genetica molecolare Mutazioni genetiche SNPs (gruppi di) sembrano essere ottimi markers biologici Problema: numero molto grande di SNPs (variabili) Servirebbe numero enorme di casi (individui, ovvero osservazioni) per associazione statisticamente rilevante Spesso SNPs vicini appaiono assieme in diversi individui Aplotipi: gruppi di SNPs sempre presenti assieme Molte patologie umane comuni sono causate non da singola variazione genetica, ma sono influenzate da complesse interazioni tra molti geni, fattori ambientali e stili di vita (predisposizione genetica e fattori non-genetici) 25

26 Genetica molecolare Studi suscettibilità genetica Vari tipi di studi epidemiologici sono usati per valutare suscettibilità genetica di una patologia: Linkage e associazione gene-patologia Twin e adoption E utile definire la penetranza di una patologia, sia a livello di singolo individuo che di popolazione Per ogni studio e test genetico che si realizza è importante controllarne validità analitica e clinica, utilità clinica e implicazioni etiche, legali e sociali 26

27 Genetica molecolare Studi suscettibilità genetica Studi di linkage e di associazione: hanno lo scopo di identificare differenze nei pattern di SNPs di un gruppo di individui affetti da data patologia e di un gruppo di individui sani, indicando quale pattern è più probabilmente associato con il gene responsabile della patologia (class discovery) Tale pattern può essere poi utilizzato per screening genetici della patologia (class prediction) Fattori genetici influenzano risposta terapia farmacologica Analisi SNPs può aiutare capire perché Test genetici possono indicare se dato farmaco avrà buona azione su dato individuo, o se si avranno reazioni avverse (medicina personalizzata) 27

28 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche 3 classi di mutazioni (a seconda del tipo di cambiamento): Geniche: alterano struttura di gene; anche cambiamento di singola coppia di basi (mutazioni puntiformi, o SNP) Cromosomiche: alterano struttura di cromosoma Genomiche: alterano numero di cromosomi caratteristico di specie a cui individuo mutante appartiene 28

29 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Mutazioni geniche possono derivare da varie alterazioni: Sostituzione di una base con un altra nella sequenza nucleotidica Aggiunta (o inserzione) di una base nella sequenza nucleotidica Perdita (o delezione) di una base dalla sequenza nucleotidica Inversione di breve sequenza nucleotidica, dovuta a escissione di tratto di doppia elica seguita dal suo reinserimento in opposta direzione 29

30 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Sostituzione per errore di appaiamento 30

31 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Mutazione può avere effetto sul fenotipo o non: neutra (o silente) se porta a nuovo codone che codifica per stesso aminoacido missenso (da inglese missense = senso errato) se porta a nuova tripletta che codifica per diverso aminoacido Diverso aminoacido in proteina prodotta può avere effetto (più o meno forte, o non) sul fenotipo a seconda del ruolo dell aminoacido in struttura/funzione proteina Se aminoacido ruolo importante, ma proteina non essenziale per la vita, cellula sopravvive; altrimenti è mutazione letale Vi sono anche mutazioni utili alla cellula (es. batteri mutanti resistenti ad antibiotici) 31

32 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Mutazioni cromosomiche cambiamenti struttura di cromosomi rispetto a cariotipo normale Facilmente visibili al microscopio ottico in cellula in divisione Colorati con tecnica specifica, assumono colorazione a bande 32

33 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Principali tipi di anomalie cromosomiche: Delezione Duplicazione Inversione Traslocazione 33

34 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Delezione: perdita di un tratto di cromosoma di dimensioni variabili Appaiamento di 1 cromosoma normale e1 incompleto porta a formazione di strutture ad ansa Conseguenze fenotipiche dipendono da geni persi In omozigoti delezioni quasi sempre letali In eterozigoti effetti possono essere (in parte) compensati da gene/i normale/i su cromosoma omologo Sindrome del pianto del gatto (bambini affetti piangono come i gatti): delezione su un cromosoma 5 34

35 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Duplicazione: raddoppiamento di un tratto di cromosoma In tandem quando segmento ripetuto in stesso orientamento Inversa quando la duplicazione ha direzione opposta Generalmente meno dannose di delezioni Inversione: cambiamento di ordine di due o più geni in cromosoma Causata da 2 rotture, 1 rotazione di 180 di tratto DNA escisso, e 1 riunione All appaiamento dei due cromosomi omologhi si formano strutture ad ansa o ad anello 35

36 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Traslocazione: alterazione di struttura dovuta al distacco di tratto di cromosoma e suo riattacco ad altro cromosoma non omologo (video: semplice reciproca quando riguarda 2 cromosomi contemporaneamente Nell uomo, dimostrate coinvolte in determinare insorgenza di tumori 36

37 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Mutazioni genomiche riguardano il numero complessivo di cromosomi in ciascuna cellula di individuo Poliploidie (o euploidie) se numero cromosomi è multiplo di assetto aploide (es. 3n, 4n, ) - In animali danno gravi problemi - In piante sono più comuni Aneuploidie se perdita o aggiunta di 1 o pochi cromosomi - In animali danno gravi alterazioni fenotipiche - In piante sono più comuni - Es. sindrome di down o aneuploidie cromosomi sessuali (es. sindrome di Turner e sindrome di Klinefelter) 37

38 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Sindrome di Turner (dovuta a mancanza di un cromosoma X in sesso femminile; porta statura ridotta e sterilità; incidenza 1:5000 femmine) Sindrome di Klinefelter (dovuta a presenza di cromosoma X in più in individui XXY; porta aspetto maschile, testicoli piccoli e seno sviluppato, statura alta e ritardo mentale; incidenza 1: maschi) 38

39 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Da errori nel processo meiotico, ad es. con non disgiunzione di coppia cromosomi omologhi 1 gamete coppia cromosomi 1 gamete senza cromosoma Da incontro con gameti normali, si hanno individui trisomici (3 cromosomi) e monosomici (1 cromosoma spaiato) Es. trisomia-21 (o sindrome di down) 39

40 Genetica molecolare Tipi mutazioni genetiche Cariotipo trisomia-21 (o sindrome di down) Cariotipo maschile Cariotipo femminile 40

41 Genetica molecolare Mutageni Frequenza mutazioni può aumentare (fino a 1: individui) se organismo è esposto a sostanze o radiazioni (agenti mutageni, o mutageni) che interagiscono con DNA e possono indurre cambiamenti di sequenza di nucleotidi Fisici: radiazioni con varie lunghezza d onda - Calore: rompe legame tra base nucleotidica A o G e zucchero, con perdita della base (sito apurinico) C T Z P Z Z P P

42 Genetica molecolare Mutageni - Radiazioni ad alta energia (lunghezza d onda < 30 µm) Radiazioni ionizzanti (raggi cosmici, raggi γ (emessi dal radio (RA)), e raggi x): penetrano tessuti cellulari e ionizzano ( caricano + o -) molecole - Possono provocare rottura DNA, perdita basi, legami tra eliche (cross-link), soprattutto in cellule in divisione - Usati per trattamento tumori (cellule con accelerata attività riproduttiva) Radiazioni ultraviolette (minor energia, ma lunghezza d onda 26 µm assorbita da basi DNA) - Possono provocare formazione di dimeri di T o C (se 2 T vicine -> dimero T-T, che impedisce appaiamento di A su altra elica, con distorsione molecola DNA) 42

43 Elementi di Genetica e Biologia Molecolare Genetica molecolare Mutageni Le radiazioni ultraviolette possono formare dimeri T-T con impossibilità di appaiamento di A su altra elica e distorsione molecola DNA) 43

44 Genetica molecolare Mutageni Chimici (es. iprite, costituente gas tossici) - Analoghi di basi nucleotidiche: possono sostituire basi normali durante replicazione Es. 5-bromouracile, porta mutazioni puntiformi - Reattivi di acidi nucleici: reagiscono chimicamente con basi DNA alterandole Sono i più numerosi, alcuni in prodotti di largo consumo, es. nitriti in antiossidanti alimenti (nitrito di sodio NaNO 3 porta mutazioni puntiformi) - Agenti intercalanti basi del DNA: sostanze di sintesi (es. acridine, usate in coloranti) si inseriscono tra basi Portano a mutazione genica di lettura triplette (frameshift) 44

45 Genetica molecolare Mutageni 2. Nitrito di sodio può trasformare A in ipoxantina e C in U 1. Struttura di T e di 5 bromouracile 3. Effetto mutageno di 5 bromouracile 3 4. Interazione di 1 acridina con DNA 45

46 Genetica molecolare Mutageni Mutagenesi ambientale: presenza in ambiente di molte sostanze con potere mutageno (es. catrame, benzene, metalli pesanti, ) capaci di indurre tumori Indagine di Organizzazione Mondiale Sanità ha stimato che circa 70-80% tumori è determinato da fattori ambientali 46

47 Genetica molecolare Riparazione danni DNA Tutti esseri viventi hanno vari meccanismi cellulari di riparazione dei danni del DNA, tra cui: Foto-riattivazione di dimeri T-T: - dovuta ad enzima DNA fotoliasi, presente in tutte le cellule, che attivato da luce taglia legame T-T e risana Riparazione per escissione del danno: processo complesso che richiede più enzimi: - Individuazione danno (es. T-T) - Taglio DNA prima e dopo danno - Rimozione tratto singola elica con danno (escissione) - Polimerizzazione tratto mancante (DNA polimerasi) e saldatura estremità (DNA ligasi) 47

48 Genetica molecolare Riparazione danni DNA Riparazione per escissione del danno è meccanismo più importante per riparazione danni più comuni al DNA (video: In uomo mancanza o riduzione di uno di enzimi coinvolti è associata a patologia ereditaria (Xeroderma pigmentosum) che porta a formazione tumori della pelle per effetto di radiazioni ultraviolette presenti nei raggi solari 48

49 Genetica molecolare Dinamica materiale genetico Materiale genetico organismo non è statico (con mutazioni) Cambiamenti possono avvenire anche mediante: Ricombinazione generale o omologa: scambio di parti di cromosomi omologhi - Richiede co-presenza di 2 molecole DNA a doppio filamento con (quasi) stessa sequenza nucleotidica - In eucarioti, avviene in meiosi dopo duplicazione cromosomi, come risultato del crossing-over, (che forma strutture a X) con nuove combinazioni di geni (o parti, dando geni di fusione) in progenie 49

50 Genetica molecolare Dinamica materiale genetico Trasposizione o ricombinazione non omologa: (scoperta in anni 40 da statunitense Barbara McClintock) - Non richiede omologia tra tratti DNA coinvolti - Spostamento frammento DNA ( bp) da posizione originaria ad altra posizione su stessa molecola DNA, o su altro cromosoma 50

51 Genetica molecolare Dinamica materiale genetico - Tratti DNA che si spostano sono detti elementi di controllo, o geni che saltano, o trasposoni Presenti in ogni cellula vivente Inserendosi a caso in un gene possono generare nuovo fenotipo (mutazione da trasposizione) Inducono variabilità genica (importante in evoluzione) In batteri, trasposoni associati a resistenza ad antibiotici 51

52 Genetica molecolare Genoma Genoma: l intero materiale genetico di un organismo E identico in ogni cellula dello stesso individuo E per il 99% uguale in tutti individui di una specie Costituito da tutte le possibili sequenze nucleotidiche di una specie (ovvero OR dei genomi di tutti gli individui della specie) Per estensione: termine indica anche tutti i prodotti del materiale genetico (vari RNA, proteine, ) In bioinformatica, dati/informazioni genomiche: l insieme di dati e informazioni disponibili relative al materiale genetico di un organismo (e/o anche a suoi prodotti) 52

53 Genetica molecolare Trascrittoma e proteoma Per analogia con definizione di genoma: Trascrittoma: l insieme di tutti i possibili trascritti (sequenze mrna) di un organismo In bioinformatica, dati/informazioni del trascrittoma: l insieme di dati e informazioni relative a tutti i possibili trascritti di un organismo Proteoma: l insieme di tutte le possibili proteine (sequenze aminoacidiche) di un organismo, derivanti da diversi trascritti In bioinformatica, dati/informazioni proteomiche: l insieme di dati e informazioni relative a tutte le possibili proteine di un organismo Anche vari altri oma: metaboloma, 53

54 Genetica molecolare Organismi studiati Nel ottobre 2010 si conoscono le sequenze genomiche complete di più di specie, inclusi virus, batteri e 116 eucarioti Principali genomi studiati ( Human [~3 500 Mb (~750 MB)] Mouse [~2 600 Mb], Rat [~2 600 Mb] Zebrafish (Danio rerio) [~1 300 Mb] Fruit fly (Drosophila melanogaster) [~120 Mb] Thale cress (Arabidopsis thaliana) [~115 Mb] Escherichia coli [~4 Mb], Yeast [~12 Mb] Pea [~4 800 Mb], Maize [~5 000 Mb], Wheat [~ Mb] La complessità di un organismo non è relazionata con la dimensione del sua genoma 54

55 Genetica molecolare Biologia evolutiva Biologia evolutiva: branca della biologia che riguarda la comune origine delle specie da un antenato comune e i loro cambiamenti, moltiplicazioni e diversificazioni nel tempo Omologia (dal greco essere in accordo ): similarità tra caratteri dovuti all origine da un comune antenato - Similarità: una proprietà osservabile con associata una misura di significatività Prima di Darwin, omologia definita da Linneo solo morfologicamente (in base a strutture anatomiche) Darwin spiegò l omologia come il risultato di modifiche a partire da un comune antenato d origine 55

56 Genetica molecolare Biologia evolutiva Omologia tra DNA o proteine è spesso definita in base a similarità di sequenza, specialmente in bioinformatica Se due o più geni hanno sequenze nucleotidiche con elevata similarità, è probabile che siano omologhi Similarità di sequenza può esistere anche con diversi antenati brevi sequenze possono essere simili per caso, o perché legano stessa proteina (es. un fattore di trascrizione) in tal caso sequenze simili ma non omologhe Tratti di sequenze omologhe sono anche dette conservate Sequenze omologhe possono avere stessa funzione 56

57 Genetica molecolare Biologia evolutiva Sequenze omologhe sono dette ortologhe se hanno avuto origine da un evento di speciazione: processo evolutivo in cui una specie diverge in due nuove specie separate Sequenze ortologhe, in diverse specie, tra loro simili perché originate da un comune antenato Sequenze omologhe sono dette paraloghe se hanno avuto origine da un evento di duplicazione genica: se un gene è duplicato per occupare due diverse posizioni nello stesso genoma, le due copie sono paraloghe Paraloghi spesso hanno stessa o simile funzione, ma non sempre: una copia deve mantenere le funzioni richieste dalla specie, ma l altra è libera di mutare ed acquisire nuove funzioni 57

58 Genetica molecolare Biologia evolutiva Sequenze omologhe possono essere divise in: Ortologi: geni con stesso gene ancestrale (da evento di speciazione) e stessa funzione in diverse specie, ma con diversa sequenza per evoluzione selettiva Paralogi: geni dello stesso genoma con stesso gene ancestrale (da evento di duplicazione), diverse funzioni e diversa sequenza 58

59 Genetica molecolare Biologia evolutiva Filogenesi o filogenetica (dal greco "origine delle specie ): studio dell'evoluzione della vita È strumento fondamentale che si occupa di ricostruire le relazioni di parentela evolutiva di gruppi di organismi a qualunque livello sistematico Tassonomia: classificazione degli organismi per similarità Riccamente influenzata da filogenesi, anche se resta metodologicamente e logicamente distinta 59

60 Genetica molecolare Biologia evolutiva Filogenetica computazionale: si occupa di compilazione degli alberi filogenetici e dello studio di dati anatomici, biochimici, genetici e paleontologici usati per costruirli Albero filogenetico: diagramma che mostra relazioni di discendenza comune di gruppi tassonomici di organismi Visione evoluzionistica, sviluppo delle forme di vita per speciazione a partire da un progenitore comune (radice dell'albero), lungo diverse linee di discendenza, fino alle specie attuali (foglie dell'albero) Ciascun nodo (o biforcazione) rappresenta l'antenato comune più recente dei soggetti ai nodi successivi Lunghezza delle ramificazioni può essere, o non, correlata al tempo o ai cambiamenti genetici tra due nodi successivi 60

61 Genetica molecolare Biologia evolutiva Alberi filogenetici, o Alberi della Vita 61

62 Genetica molecolare Biologia evolutiva Albero della Vita ad alta risoluzione, basato su analisi genomi completamente sequenziati. Immagine generata con itol: Interactive Tree Of Life ( viewer online di alberi filogenetici Homo Sapiens Albero filogenetico di organismi viventi basato su analisi di RNA 62

63 Genetica molecolare Biologia evolutiva Albero filogenetico di 26 popolazioni umane; le principali divisioni sono: Africani (A), Caucasici (B), Asiatici (C), Amerindi (D) e Australopapuani (E) Albero filogenetico della famiglia dei cani 63

64 Genetica molecolare Biologia evolutiva Alberi filogenetici costruiti in base a numero elevato di sequenze genetiche; sono costruiti usando metodi computazionali filogenetici Esistono varie tecniche per la costruzione degli alberi che usano diversi metodi di allineamento di sequenze (e.g. ClustalW) e richiamano o non un modello evolutivo Molte tecniche usate per identificare l albero ottimale in base ai dati hanno complessità computazionale NP (Nondeterministic Polynomial-time) elevata Ricerche euristiche e metodi di ottimizzazione sono utilizzati in combinazione con funzioni di scoring degli alberi per identificare un albero che fitti i dati ragionevolmente bene 64

65 Genetica molecolare Biologia evolutiva Alberi filogenetici basati su analisi genomiche sono importanti per analisi evoluzione, ma hanno vari limiti: Spesso non rappresentano esatta storia evoluzionistica di dato gene o organismo Si basano su dati spesso disturbati da diversi fattori che possono facilmente confondere le analisi basate su principi filogenetici: - Trasferimento genico orizzontale - Ibridizzazione tra specie diverse, poste a grande distanza su albero prima che ibirdizzazione avvenisse - Evoluzione convergente - Conservazione delle sequenze geniche 65

66 Genetica molecolare Biologia comparativa Biologia comparativa: approccio multidisciplinare alla comprensione della diversità (biodiversità) e complessità degli organismi a tutti i livelli (genetico, anatomico, comportamentale, ) e del ruolo di organismi in ecosistema Mentre biologia si focalizza su singolo o piccolo subset di organismi modello, biologia comparativa usa approccio cross-lignaggio per la comprensione della storia filogenetica e delle interazioni tra gli individui o gli organismi superiori 66

67 Genetica molecolare Biologia comparativa Biologia comparativa usa la variazione naturale per spiegare storia filogenetica Relazioni biologiche comparative sono presentate su albero filogenetico (o cladogrammi) per differenziare caratteristiche con singola origine (omologia) da quelle con origini multiple (omoplasia) Permette anche di derivare caratteristiche di un organismo in base a quelle di organismi filogeneticamente vicini 67