I TEST GENETICI ED IL LABORATORIO DI GENETICA: DAI TEST CLASSICI AI TEST DI NUOVA GENERAZIONE

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1 I TEST GENETICI ED IL LABORATORIO DI GENETICA: DAI TEST CLASSICI AI TEST DI NUOVA GENERAZIONE Metodi per l analisi di mutazioni specifiche Metodi generali per identificare la presenza di mutazioni in un dato gene. Roma 10 Giugno 2013

2 Biomarcatori Quando si parla di biomarcatore generalmente si intendono molecole, proteine, DNA, enzimi e quant altro possa avere un significato predittivo, prognostico, diagnostico I biomarcatori possono servire a: - ad identificare gli stadi precoci e sub clinici della malattia; - nella diagnosi di malattie; - a stratificare il rischio; - nel monitorare la progressione della malattia o la risposta alla terapia; - nella scelta del percorso terapeutico (se farmacologico oppure di altro tipo).

3 From bench to bedside: i criteri che devono essere soddisfatti prima che un biomarcatore possa passare dalla ricerca alla clinica 1. il biomarcatore può essere facilmente misurato dal clinico? Questo significa che devono essere disponibili test accurati e riproducibili da poter eseguire in qualsiasi parte del mondo e chiaramente a costi ragionevoli; 2. il biomarcatore aggiunge nuove informazioni a quelle già esistenti? La risposta a questo quesito deve provenire da evidenze forti e consistenti tra il biomarcatore e la malattia, validate in diversi studi di popolazione; 3. il biomarcatore deve essere di utilità per il clinico nel management del paziente (ad es. deve essere utile per indicare particolari strategie di trattamento nella cura dei pazienti).

4 Characteristics of a Detection System A good detection system should have 3 qualities: Sensitivity Specificity Simplicity Sensitivity means that the test must be able to detect very small amounts of target even in the presence of other molecules. Specificity: the test yields a positive result for the target molecule only. Simplicity: the test must be able to run efficiently and inexpensively on a routine basis.

5 Molecular Genetic Testing Disease Genes Identified Molecular Tests Offered in North America Molecular Tests Offered In Ontario nlm.nih.gov

6 Malattie mendeliane Malattie multifattoriali Ereditarietà Trasmissione mendeliana Autosomica recessiva Autosomica dominante X-linked Familiarità Malattia è più comune tra i parenti di un individuo affetto che nella popolazione in generale Transmissione nonmendeliana Rare Fibrosi cistica Sordità Distrofia muscolare di Duchenne Ipercolesterolemia familiare Comuni Ipertensione Asma Diabete mellito Malattia trombo-embolica Infarto miocardio Depressione Cefalea Osteoporosi Patologia tiroidea

7 Metodi per l analisi di mutazioni specifiche 1-PCR with restriction enzyme coupled analysis (RFLP). 2- PCR Allele specifiche (ARMS, SSP-PCR, SNAPShot ). 3-Oligonucleotide ligation assay, Dot Blot, Reverse Dot Blot. 4-OLA 5- Real time PCR

8 PCR - REAZIONE a CATENA della POLIMERASI E IL mezzo per produrre in vitro grandi quantità di una specifica sequenza di DNA, partendo da DNA estremamente complesso. 1 1 x 10 9 PCR DNA Il principio a cui si ispira la PCR è la replicazione del DNA: REPLICAZIONE Nuovo filamento Primer a RNA PCR DNA stampo 5 DNA polimerasi DNA stampo DNA polimerasi termostabile Nuovo filamento Primer oligonucleotidico Primers a RNA Nuovo filamento

9 I step primer 2 complementarietà al primer 2 II step 5 3 regione di interesse i filamenti vengono separati ed i primers si appaiano i primers si estendono Le FASI della PCR 3 5 primer 1 complementarietà al primer 1 i filamenti vengono separati ed i primers si appaiano III step 5 3 complementarietà al primer i filamenti vengono separati ed i primers si appaiano complementarietà al primer i primers si estendono i primers si estendono Frammenti desiderati (quelli di lunghezza variabile non sono mostrati) 3 5 filamenti di lunghezza variabile filamenti di lunghezza omogenea E così via 5 3

10 I primi 4 cicli della PCR in dettaglio Frammento desiderato 2 ciclo 3 ciclo 4 ciclo Amplificazione esponenziale 1 ciclo 35 ciclo DNA stampo Numero di copie di DNA contenenti il frammento desiderato 2 1 = = = = Numero di copie di DNA della corretta lunghezza contenenti il frammento desiderato

11 COMPONENTI di una REAZIONE di PCR Stampo DNA a doppio filamento Primers Oligonucleotidi complementari a regioni dei filamenti opposti che fiancheggiano la sequenza DNA bersaglio Deossiribonucleotidi trifosfati Miscela equimolare di datp, dttp, dgtp, dctp Tampone contenente cloruro di magnesio Lo ione Mg 2+ è essenziale per il funzionamento dell enzima Enzima Tradizionalmente viene usata la Taq polimerasi, enzima termostabile estratto dal batterio termofilo Thermus aquaticus

12 I FATTORI CRITICI della PCR Non utilizzare quantità eccessive di stampo, primers e/o dntp al fine di evitare amplificazioni non specifiche. Dosare accuratamente la [Mg 2+ ] in funzione della quantità di stampo, primers e dntp utilizzata Mg 2+ è indispensabile al funzionamento della Taq polimerasi, ma è chelato da stampo, primers e dntp. Se in eccesso causa una perdita di fedeltà da parte dell enzima. Selezionare l enzima più idoneo alle proprie necessità Emivita alla temperatura di denaturazione Processività Capacità di correzione degli errori

13 STRATEGIE per AUMENTARE la SPECIFICITA PCR CLASSICA TOUCHDOWN PCR Den. iniziale 3-5 min 94 C 1 ciclo Den. iniziale 3-5 min 94 C 1 ciclo Den. 30 sec 94 C Ann. 30 sec T m (-5 C) All. 1 min/kb 72 C 30 cicli Den. 30 sec 94 C Ann. 30 sec T m (+5 C) -1 C/ciclo All. 1 min/kb 72 C 10 cicli All. finale 7 min 72 C 1 ciclo Den. 30 sec 94 C Ann. 30 sec T m (-5 C) All. 1 min/kb 72 C 20 cicli Mantenimento 4 C All. finale 7 min 72 C 1 ciclo Mantenimento 4 C

14 STRATEGIE per AUMENTARE la SPECIFICITA HOT START Perché realizzare una PCR hot start? Durante l allestimento della reazione di PCR o durante il riscaldamento iniziale del campione si possono verificare situazioni di appaiamento non specifico fra primers e stampo. Fra 40 e 50 C la Taq polimerasi ha un efficiente attività polimerasica e può estendere i primers non correttamente appaiati. La PCR hot start previene la formazione di questi prodotti non specifici in quanto un componente chiave della miscela di reazione (enzima o MgCl 2 ) viene aggiunto dopo lo step di denaturazione iniziale. NOVITA : Enzimi Hot start Gocce di cera NESTED PRIMER PCR Procedura: L amplificazione è realizzata con un set di primers Il prodotto è riamplificato con un set di primers interni ai precedenti I a PCR pr. nested II a PCR pr. nested 3 I prodotti non specifici amplificati nella I a PCR non saranno amplificati nella II a 3 5

15 EF su gel di agarosio Principio Le molecole di DNA sono cariche negativamente e migrano in un campo elettrico verso il polo positivo con velocità inversamente proporzionali alle loro dimensioni (in paia di basi= pb). Concentrazione di agarosio ( %) Viene scelta in funzione della grandezza delle molecole da separare: alte concentrazioni sono utilizzate per piccoli frammenti di DNA e viceversa. Visualizzazione bande Mediante etidio bromuro (intercalante degli a. nucleici, emette fluorescenza arancio-rossa quando illuminato con luce ultravioletta). Valutazione risultati La grandezza dei frammenti di DNA viene valutata per confronto con marker di peso molecolare (frammenti di DNA a lunghezza nota) che vengono fatti correre sullo stesso gel. 15

16 Migrazione del DNA su gel Le molecole lineari di dsdna migrano a velocità inversamente proporzionali al logaritmo in base 10 del numero di paia di basi. Fattori che influenzano la migrazione Peso molecolare Concentrazione di agarosio Conformazione DNA Voltaggio applicato Intercalanti Tampone di elettroforesi

17 - mw mw + Amplificati 1-3: 143 pb 4-5: 375 pb 7-9: 2000 pb Condizioni sperimentali Gel: 2% agarosio Tampone: tris, EDTA, borato, ph V, 30 min Colorazione:etidio bromuro 17

18 Digestione con enzimi di restrizione RFLP - Gli enzimi di restrizione sono endonucleasi di origine batterica in grado di riconoscere specifiche sequenze di 4-8 nucleotidi e di tagliare in quelle posizioni il DNA. Mutazioni che aboliscono un sito di taglio Mutazioni che creano un nuovo sito di taglio - Mutazioni che modificano un sito di restrizione possono essere riconosciute direttamente mediante elettroforesi dopo digestione con l enzima di restrizione appropriato. 18

19 Sistema di restrizione-modificazione Negli anni 50 si notò che una preparazione di batteriofagi fatta crescere in un determinato ceppo di E.coli non era in grado di infettare con efficienza le cellule di E.coli di un altro ceppo. Nel 1965 Arber scoprì che il DNA del fago preparato ad es. nel ceppo C di E.coli era rapidamente degradato dopo il suo ingresso nel ceppo K. Il ceppo K restringe (inibisce) la crescita di fagi prodotti in E.coli di ceppo C. L analisi di un DNA di fago capace di resistere alla degradazione, rivelò, una decina di anni più tardi, la presenza di alcune basi metilate al suo interno. La degradazione del DNA del fago è dovuta all esistenza di un sistema di restrizione/modificazione controllato dalla cellula ospite per proteggersi dall introduzione di sequenze di DNA esogeno

20 Enzimi di restrizione Il primo enzima di restrizione fu isolato nel 1968 dal ceppo K di E. coli, ma il sito di taglio non fu identificato. Nel 1970, Smith et al. isolarono un enzima di restrizione dal ceppo Rd del batterio Haemophilus influenziae che fu chiamato HindII, che riconosce la sequenza a 6 pb: 5 - GT(T/C) (G/A)AC CA(A/G) (C/T)TG -5 L enzima non era in grado di tagliare il genoma di H. influenziae ma era capace di tagliare in oltre 40 punti il genoma del fago T7. Nel 1972 fu isolato un altro enzima di restrizione dal ceppo RY13 di E. coli, chiamato EcoRI, che riconosce la sequenza a 6 pb: 5 - GAATTC CTTAAG -5 Da allora sono stati isolati più di 900 enzimi di restrizione da circa 230 specie batteriche

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28 I globuli rossi (o eritrociti o emazie) sono il componente principale del sangue. sono corpiccioli rotondi, di grandezza microscopica, tutti eguali, ripieni di una sostanza liquida: l emoglobina, che dà il colore rosso al sangue e che ha il compito di portare l ossigeno a tutte le cellule. La molecola emoglobinica è composta da 4 catene globiniche diverse tra loro per l ordinamento delle molecole di aminoacidi che le compongono. si distinguono: catene a (alfa), b (beta), d (delta), g (gamma). Famiglia dei geni della globina nell uomo e altri primati

29 LE EMOGLOBINE UMANE NORMALI VI SONO TRE TIPI DI EMOGLOBINA UMANA NORMALE: L Hb A CHE È PROPRIA DELL INDIVIDUO DOPO LA NASCITA, COSTITUISCE IL 98% DI TUTTA L EMOGLOBINA ED È COMPOSTA DA 2 CATENE GLOBINICHE a E 2 b; L Hb A 2, CHE È ANCH ESSA PRESENTE SOLO DOPO LA NASCITA, È COMPOSTA DA 2 CATENE a E 2 d, E COSTITUISCE IL RESTANTE 2%; L EMOGLOBINA FETALE (Hb F) CHE È PROPRIA DEL PERIODO DELLA VITA INTRAUTERINA ED È FORMATA DA 2 CATENE a E 2 g.

30 Diagnosi di Hb S: b6 Glu Val 180 pb 201 pb 256 pb 381 pb 88 pb 256 pb b A b S mutazione: codon b6 A - amplificato: 725 pb - enzima restrizione: Cvn I - abolizione sito di taglio T mw mw: marker di peso molecolare AA: soggetto normale AS: eterozigote per la mutazione SS: omozigote per la mutazione 30 Boehm,1989

31 Rivelazione del gene dell anemia falciforme mediante la tecnica degli RFLP applicata ai prodotti di PCR a) Amplificazione mediante PCR della porzione del gene della globina b contenente il tratto mutato. b) Digestione dei prodotti di PCR con l enzima CvnI. c) Pattern elettroforetico: AA condizione omozigotica per il gene wt; AS condizione eterozigotica; SS condizione omozigotica per il gene CCTGAGGAG (wt) CCTGTGGAG (mutante) CvnI riconosce la sequenza CCTNAGG. L endonucleasi di restrizione mostra 3 siti di taglio sulla sequenza wt e 2 sulla sequenza mutata (anemia falciforme).

32 Diagnosi della variante Mediterranea della G6PD - Mutazione: nt 563 C T - Amplificato: 547 pb - Enzima: Mbo II - Creazione di un sito di taglio Normale 377, 119, 26, 25 Frammenti dopo digestione (pb) Mutato omozigote 277, 119, 100, 26, 25 Mutato eterozigote 377, 277, 119, 100, 26, 25 32

33 Amplificazione allele-specifica ARMS (Amplification Refractory Mutation System) - Reazione di PCR nella quale vengono utilizzati separatamentemente primers complementari alla sequenza normale od a quella mutata. A: primer normale B: primer mutato Normale: amplificato solo con A Mutato omo: amplificato solo con B Mutato etero: amplificato con A e B - La presenza degli amplificati viene evidenziata mediante elettroforesi su gel di agarosio e colorazione con bromuro di etidio. 33

34 Advantages Rapid, reliable and non-isotopic. Single tube multiplexing is possible with the more recent fluorescent ARMS. Disadvantages The original format did not distinguish between homozygotes and heterozygotes, except for the F508del mutation. However, fluorescent ARMS can distinguish between homozygotes and heterozygotes. Questa metodica identifica sostituzioni nucleotidiche e piccole delezioni o inserzioni. La tecnica consiste nell'amplificazione del DNA mediante PCR utilizzando oligonucleotidi complementari alla sequenza normale e mutata. Si eseguono pertanto due amplificazioni per campione, una con primers normali ed un'altra con primers mutati. In presenza di mutazioni allo stato omozigote l' amplificazione avverrà solo con con primers mutati e viceversa. I soggetti eterozigoti per la mutazione amplificheranno il loro DNA in entrambe le condizioni. Advantages 34

35 Una variante a questa tecnica è rappresentata dalla ARMS multipla che utilizza più primers mutati in un unica reazione. Questa tecnica consente di studiare un soggetto per più mutazioni ed è utilizzata correntemente per l'analisi molecolare della talassemia e della fibrosi cistica.

36 PCR allele-specifica (SSP-PCR) reazioni di PCR allele-specifica (SSP-PCR) in cui, per ogni reazione, vengono utilizzati un primer Forward (F) e due Reverse (R1 e Rtag) marcati utilizzando il fluorocromo 6-FAM, specifici per i 2 alleli della variante da identificare. Tutti i primers Rtag, che differiscono dal primer R1 solo per la base da discriminare all estremità 3, vengono disegnati legando alla sua specifica sequenza una coda nucleotidica per aumentare le dimensioni dell amplicone e permettere di discriminare i due alleli nella corsa elettroforetica.

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40 Genotyping by SNaPshot Multiplex Genotyping method based on a single-base extension, that is, each probe binds to complementary DNA template in the presence of fluorescently labeled ddntps and AmpliTaq DNA Polymerase. Polymerase extends probe by one base, adding one ddntp to 3 end. Separation of nucleotide peaks occurs on ABI instrument.

41 ELECTROPHEROGRAM OF FOUR MULTIPLEXED SNPs IN ABCG2-- SHOWING HOMOZYGOTES BLUE=G GREEN=A RED=T BLACK=C ORANGE =STD STD 35T/T 40G/G 45G/G 50T/T STD BLUE=G GREEN=A RED=T BLACK=C ORANGE =STD STD 35C/C 40A/A 45A/A 50C/C STD Note: Because of influence of dye on mobility shift of the DNA fragments, reported sizes differ by about 5 bases from actual sizes of probes. 5

42 ELECTROPHEROGRAM OF FOUR MULTIPLEXED SNPs IN ABCG2 -- SHOWING HETEROZYGOTES BLUE=G GREEN=A RED=T BLACK=C ORANGE =STD STD C T G A G A C T STD BLUE=G GREEN=A RED=T BLACK=C ORANGE =STD STD C T G A G A C T STD 6

43 ThromboFil Genotipizzazione molecolare del Fattore V di Leiden, Fattore II, MTHFR C677T, MTHFR A1298C attraverso Multiplex PCR / elettroforesi capillare Mutazione Gene Localizzazione Variazione Nucleotidica Variazione Aminoacidica G1691A Fattore V Esone 10 G-1691 A Arg-506 Glu G20210A Fattore II 3' UTR G A 3' Splice Mut. C677T MTHFR Esone 4 C-677 T Ala Val A1298C MTHFR Esone 8 A-1298 C Glu Ala

44 Ibridazione con oligonucleotidi allele-specifici ASO probe (allele-specific oligonucleotide probe) - La presenza di una mutazione viene riconosciuta facendo reagire il DNA amplificato con sonde oligonucleotidiche complementari alla sequenza mutata o normale (separatamente). - Solo in presenza del 100% di omologia tra le sequenze si avrà l ibridazione della sonda con il DNA. La tecnica viene realizzata mediante: 1. Dot blot 2. Reverse dot blot 44

45 Dot blot Amplificazione DNA Denaturazione Immobilizzazione DNA su filtro nylon/cellulosa + Oligonucleotidi di sintesi marcati ( 32 P) complementari sequenza normale e mutata Ibridazione con la sequenza complementare di DNA Esposizione filtro a lastra radiografica autoradiografia Se la rezione di ibridazione è avvenuta si avrà la comparsa di una macchia 1 macchia con oligo mutato: omozigote per la mutazione 1 macchia con oligo normale: normale 2 macchie con oligo normale e mutato: eterozigote per la mutazione 45

46 Esempio di analisi mediante dot blot Diagnosi prenatale per b-talassemia major ASO ASO Madre Padre Controllo negativo Controllo positio Figlia Feto (Portatore eterozigote) Cimentato con oligo mutato Cimentato con oligo normale Boehm,

47 2. Reverse dot blot (RDB) Esempio di test per la rivelazione di mutazioni b-talassemiche Oligonucleotidi complementari alle sequenze normali (N) e mutate (M) per 8 diverse mutazioni per la b-talassemia, sono immobilizzati su pozzetti di una micropiastra. Amplificazione DNA con primers biotinilati Denaturazione 47

48 Schema della reazione (nel caso di un campione normale) Oligonucleotidi allele-specifici immobilizzati nei pozzetti Ibridazione con DNA biotinilato del campione. Lavaggio Aggiunta coniugato SA-HRP. Lavaggio Aggiunta del substrato H 2 O 2 e TMB Lettura a 450 nm SA-HRP: streptavidina-perossidasi TMB: tetrametilbenzidina 48

49 Risultati La rivelazione dell avvenuta ibridazione attraverso una reazione enzimatico-colorimetrica (colore giallo), indica quali sequenze (nomali o mutate) sono presenti nel campione. 49

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56 REAL-TIME PCR quantificazione dell espressione genica identificazione del prodotto di amplificazione specifico rispetto a prodotti aspecifici analisi simultanea di due campioni nella stessa reazione individuazione di mutazioni puntiformi

57 AMOUNT OF DNA AMOUNT OF DNA Log[DNA] PCR quantitativa Real-Time Resa teorica della PCR: 2 n Il prodotto (P) incrementa esponenzialmente con il numero di cicli di PCR (n) Il prodotto di PCR dipende da T, numero di copie di template di partenza P=(2) n T fase esponenziale PCR CYCLE NUMBER plateau plateau fase esponenziale PCR CYCLE NUMBER Resa effettiva: effetto plateau Il processo di duplicazione non procede all infinito, esso è limitato da: Quantità dei primers Attività della Taq polimerasi Reannealing dei filamenti Raggiunto il plateau non si osserva più un incremento nei prodotti

58 PCR product Il plateau non dipende dal numero iniziale di molecole stampo T Anche se la quantità iniziale di template è la medesima, il plateau è raggiunto in tempi diversi ed in cicli diversi Cycle Utilizzare i dati ottenuti durante la fase esponenziale in cui il prodotto di PCR è proporzionale al template iniziale. Questo è reso possibile mediante il rilevamento di una fluorescenza che è proporzionale al prodotto di PCR. La fluorescenza, durante ogni ciclo di amplificazione, può essere rilevata utilizzando uno strumento quantitativo e dei marcatori fluorescenti il cui accumulo segue la stessa cinetica della reazione di PCR.

59 La Real-Time misura l'amplificazione in tempo reale durante la fase esponenziale della PCR, quando cioè l'efficienza di amplificazione è influenzata minimamente dalle variabili di reazione, permettendo di ottenere risultati molto più accurati rispetto alla PCR tradizionale "end point. 1. halogen tungsten lamp 2a. excitation filters 2a. excitation filters 4. sample plate 2b. emission filters 3. intensifier 5. ccd detector Il segnale di fluorescenza può essere generato da: 1) coloranti fluorescenti che si intercalano nel DNA a doppio filamento; 2) da sonde fluorescenti sequenza-specifiche. Incremento di fluorescenza Curva di amplificazione Cicli di PCR

60 Nella Real-Time PCR, i primi cicli, in cui non è misurabile la variazione nel segnale della fluorescenza, definiscono un importante parametro: la linea base (baseline) della curva. Linea di base Ct Linea soglia Un aumento della fluorescenza oltre la linea base indica il rilevamento del prodotto di PCR in fase di accumulo. Un secondo parametro importante è la linea-soglia: tale linea, parallela alla linea di base, deve tagliare le curve dei campioni nella loro fase di crescita esponenziale. La curva di amplificazione di ogni campione taglia la linea-soglia in un punto, chiamato ciclo-soglia (threshold cycle) definibile come il numero del ciclo (o frazione di questo numero) in cui la curva di amplificazione del campione in fase esponenziale taglia la linea-soglia.

61 Il diagramma del logaritmo delle quantità iniziali di DNA nei confronti dei valori di ciclo-soglia è una retta. Ciò significa che, se nella reazione erano presenti campioni a quantità nota di DNA, standards ( ), dai quali viene ricavata una retta di riferimento, diventa possibile calcolare la quantità di DNA iniziale presente in campioni oggetto di studio ( ). S1 S2

62 SYBR GRENN All inizio dell amplificazione le molecole di colorante non sono legate e producono una fluorescenza molto debole. Infatti il SYBR GRENN legato al dsdna, se eccitato, fluoresce con un intensità 100 volte maggiore di quando è libero in soluzione. Dopo l annealing dei primers, si legano poche molecole fluorescenti alla doppia elica. Il colorante si lega al solco minore del DNA. Durante l elongazione le molecole di colorante si legano al DNA neosintetizzato. Se la reazione è monitorata continuamente si ha un aumento di fluorescenza in realtime.

63 Il fatto che SYBR GREEN si leghi al dsdna senza specificità di sequenza fa si che si debba verificare che il segnale ottenuto non sia dovuto a prodotti aspecifici o dimeri di primers. Per questo motivo alla fine dell amplificazione si fa una curva di melting o di dissociazione. La curva di melting consiste in una rampa di temperatura che parte al di sotto del punto di melting dei prodotti di amplificazione e gradualmente aumenta fino ad oltrepassare la Tm degli stessi. Ciò permette di distinguere i vari prodotti di PCR sulla base della temperatura relativa di dissociazione, che dipende dalla lunghezza della sequenza e dal contenuto in G/C. Quando i 2 filamenti si separano la fluorescenza decresce velocemente. Il software rielabora le variazioni di fluorescenza, Relative Fluorescence Units, (RFU) in funzione del tempo (T) secondo la seguente (-d(rfu)/dt) espressione: Il picco rappresenta la melting temperature (Tm). prodotti specifici prodotti aspecifici

64 Analisi infezione Citomegalovirus Diagnosi tradizionale: I metodi tradizionali per la rilevazione e l identi ficazione del CMV comprendono analisi sierologiche per il rilevamento di anticorpi, isolamento del virus mediante colture cellulari e microscopia elettronica. Diagnosi molecolare: oggi si possono ottenere risultati rapidi e con un a maggiore sensibilità mediante tecniche di amplificazione del DNA che permettono il rilevamento qualitativo del virus direttamente da campioni di plasma e urine. Mediante l amplificazione del DNA in Real Time è possibile inoltre determinare il titolo virale all interno dell organismo permettendo di monitorare la persistenza dell infezione, ad esempio durante una terapia, e il rischio di complicazioni dell infezione stessa.

65 PCR VANTAGGI: Costi ridotti Amplificazione specifica DNA virale SVANTAGGI: Tempi relativamenti lunghi (4 ore) Limite di risoluzione a 1*10 3 copie

66 RT-PCR CMV + > 1-10 copie/ CMV + < 1-10 copie/ l l CMV - Negative Control VANTAGGI: Tempistica analisi 1,5 ore Alta risoluzione Consente quantificazione virale SVANTAGGI: Tecnica costosa

67 Donor (reporter) Acceptor (quencher) Un alternativa più specifica dei coloranti fluorescenti (SYBER GRENN) sono le sonde sequenza-specifiche marcate con uno o più fluorofori; in questo caso il segnale fluorescente è prodotto solo se nella reazione è presente il bersaglio specifico (amplicone). Le più diffuse sono: 1) Sonde di idrolisi (o sonde Taqman) 2) Molecular beacons 3) Sonde di ibridizzazione 4) Scorpions Le sonde sequenza-specifiche basano la loro funzione sul FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Il FRET è un trasferimento di energia distanza-dipendente tra due fluorofori adiacenti che avviene se: - le molecole di colorante fluorescente accettore e donatore sono vicine - lo spettro di assorbimento dell accettore si sovrappone allo spettro di emissione del donatore

68 Zona di sovrapposizione dello spettro di emissione del donatore con lo spettro di assorbimento dell accettore Esistono due tipi principali di FRET: FRET che porta all emissione di fluorescenza (il segnale fluorescente emesso dal donatore (reporter) eccitato è assorbito dal accettore (quencher) che lo riemette sotto forma di segnale fluorescente. Sonde di ibridizzazione. FRET che porta al quenching fluorescente (il segnale fluorescente emesso dal donatore (reporter) eccitato è assorbito dall accettore (quencher) che lo riemette sotto forma di vibrazioni, calore o bassa fluorescenza. Sonde Taqman, molecular beacons e scorpions.

69 SONDE di IBRIDAZIONE Prodotto di amplificazione Oligo 1 Fluoresceina Oligo 2 LC Red 640 Due sonde oligonucleotidiche sequenza-specifiche, marcate con coloranti diversi, ibridizzano con la sequenza bersaglio sul filamento di DNA amplificato in un arrangiamento testa-coda che consente l emissione della fluorescenza. DENATURAZIONE Non viene rilevata fluorescenza: il colorante donatore è eccitato dalla sorgente ed emette energia in grado di eccitare l accettore solo se la distanza fra i due è pari a 1-5 nucleotidi Colorante donatore Colorante accettore Trasferimento Eccitazione Emissione 1-5 nucleotidi ANNEALING Viene registrata la massima fluorescenza L AUMENTO DELLA FLUORESCENZA E REGISTRATO A 640 nm

70 -df/dt Fluorescenza ANALISI di MUTAZIONI PUNTIFORMI Sfrutta differenze nella T m di Sonde di Ibridazione perfettamente legate al DNA bersaglio o il cui legame è destabilizzato dalla presenza di basi non appaiate. Sonda 1 marcata con Fluoresceina Sonda 2 marcata con LC Red 640 gene selvatico omozigote wildtype omozigote mutante eterozigote La Sonda 1 si ibridizza alla parte della sequenza bersaglio mutata La Sonda 2 si ibridizza alla parte della sequenza bersaglio non mutata Temperatura gene mutato Al termine della PCR si analizza la curva di melting: se è presente una mutazione, la T m dell ibrido sarà più bassa che in assenza di mutazione Temperatura

71 MULTIPLEX PCR Consente l analisi simultanea di due campioni nella stessa reazione STRATEGIA: Due coppie di Sonde di Ibridazione, ciascuna specifica per un prodotto di amplificazione, vengono marcate con un diverso colorante accettore che emette la fluorescenza a differenti lunghezze d onda. Fluorecseina LC Red 640 Fluorecseina LC Red 705 Canale nm Canale nm Il segnale emesso viene letto simultaneamente attraverso due canali di rilevamento fluorimetrico. Eccitazione Trasferimento Emissione

72 Sonde Taqman Le sonde di idrolisi o sonde Taqman sono costituite da oligonucleotidi marcati in 5' con un fluoroforo reporter (donatore) e in 3', o internamente, con un quencher (accettore); vengono disegnate in modo che si leghino ad una sequenza specifica del bersaglio compresa tra i primers forward e reverse. Le sonde intatte non emettono fluorescenza perché la vicinanza del quencher al reporter induce una soppressione della fluorescenza del reporter a causa del FRET. Nella fase di estensione dei primers, la sonda Taqman, complementare alla sequenza dell'amplicone, si lega al prodotto PCR e, quando viene raggiunta dalla polimerasi, subisce l'idrolisi da parte dello stesso enzima (attività 5 3 esonucleolitica). A questo punto, il fluoroforo (dye), allontanato dal quencher, se eccitato, emette fluorescenza. No fluorescenza Emissione di fluorescenza

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75 Fattore V Di Laiden Fluorescenza in FAM Fluorescenza in Joe

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77 Molecular Beacons Sono una variante delle sonde Taqman. Hanno una struttura a forcina con le sequenze dello stelo che sono complementari tra loro e la sequenza dell ansa che è complementare ad una sequenza specifica presente sul DNA bersaglio. Alle estremità i due bracci hanno un fluoroforo e un quencher estremamente vicini. Quando la Molecular Beacon si lega alla sequenza bersaglio lo stem si apre facendo aumentare la distanza tra fluoroforo e quencher; in questo modo non c è più trasferimento di energia dall una all altro e si ha un aumento della fluorescenza. Emissione di fluorescenza

78 Methods of mutation scanning (when we do not know where is our mutation)

79 Methods of mutation scanning (when we do not know where is our mutation) Sequencing (Maxam Gilbert,Sanger, Pyro, NGS); Single-strand conformational analysis; Detecting mismatches or heteroduplex DNA molecules (DGGE, DHPLC); Detecting of deletions (MLPA);

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81 Single strand conformation polymorphism SSCP E basato sulla differenza di mobilità elettroforetica tra DNA mutato a singolo filamento rispetto a quello non mutato Sostituzione di un solo nucleotide Diversa conformazione 3D di ssdna Diversa mobilità elettroforetica 81

82 Amplificazione del DNA (PCR) Denaturazione DNA amplificato DNA a singolo filamento Elettroforesi su gel di acrilammide colorazione con sali di argento Bande in posizione anomale Norm Omo Etero 82

83 SSCP A: normale B: eterozigote 83

84 . SSCP for detection of point mutations in the LDL receptor gene. We have performed analyses of single- strand conformation polymorphisms (SSCP) of the promoter region and the translated parts of the 18 exons of the low-density Iipoprotein receptor (LDLR) gene. DNA from 20 unrelated familial hypercholesterolemla (FH) patients was studied. Four different running conditions were used for the nondenaturing gel electrophoresis to systematically evaluate how differences in the running conditions affect the sensitivity of the assay.

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86 Denaturing gradient gel electrophoresis DGGE E basata sul differente comportamento di denaturazione del DNA mutato rispetto a quello normale DNA Presenza di una mutazione Alterazione delle caratteristiche di denaturazione del dsdna Diversa mobilità elettroforetica su gel denaturante 86

87 -La temperatura di denaturazione (Tm, o la concentrazione di denaturante ad essa equivalente) dipende dalla composizione nucleotidica ed è peculiare per ogni frammento di DNA. Frammento di DNA a doppia elica Dominio 1 Tm maggiore Aumento della concentrazione di denaturante Frammento parzialmente denaturato Dominio 2 Tm minore - A basse concentrazioni di denaturante il DNA migra come molecola a doppia elica in funzione delle sue dimensioni - Raggiunta la zona del gel a concentrazione di denaturante uguale al suo Tm, il DNA assume una conformazione ramificata (parziale apertura della doppia elica) e rallenta la sua velocità di migrazione. - La presenza di una mutazione può alterare il Tm del frammento di DNA e di conseguenza la sua mobilità. La variazione nella Tm può essere valutata su gel con gradiente di denaturante. 87

88 DGGE Amplificazione del DNA (PCR) Elettroforesi su gel di acrilammide denaturante gradiente di urea/formamide Il DNA mutato ha caratteristiche di denaturazione differenti rispetto al normale e può essere distinto sulla base della sua diversa mobilità Norm Omo Etero 88

89 Formazione di molecole eteroduplici Viene effettuata per aumentare il potere di risoluzione della DGGE quando la migrazione del DNA mutato è simile a quello del normale - L amplificato viene denaturato e poi sottoposto ad un lento processo di riappaiamento. Queste condizioni favoriscono la formazione di eteroduplici. Mutazione eterozigote Molecole omoduplici Dovute all appaiamento tra i due filamenti normali e tra i due filamenti mutati Molecole eteroduplici Dovute all appaiamento di un filamento normale con uno mutato Normale od omozigote: formazione di un unica molecola omoduplex Eterozigote: formazione di 4 molecole 2 omoduplex (riappaiamento dei 2 filamenti normali e mutati) 2 eteroduplex (formati dalle due combinazioni possibili tra due filamenti normali e due mutati) 89

90 - Gli eteroduplex migrano sempre più lentamente dei corrispondenti omoduplex in quanto il misappaiamento in essi contenuto determina un effetto destabilizzante nella molecola che si aprirà più facilmente qualora sottoposta a denaturazione Urea bassa conc. Urea alta conc AA: normale Aa: eterozigote per la mutazione aa: omozigote 90

91 DGGE A: eterozigote per la mutazione B: normale 91

92

93 HPLC 93

94 RP-HPLC E basato sul principio della ripartizione in fase inversa e separa i Frammenti di DNA sulla base delle loro dimensioni. Colonna C18: fase stazionaria a base polimerica (stirenedivenilbenzene) derivatizzata con catene alchiliche a 18 atomi di carbonio. Ha caratteristiche idrofobiche. Fase mobile: contiene solvente organico (acetonitrile) e un accoppiante ionico (TEAA, trietilammonioacetato). Eluizione: mediante gradiente di acetonitrile. L acetonitrile rompe il legame TEAA-DNA consentendone l eluizione. I frammenti più corti (minor numero di legami DNA-TEAA) vengono eluiti prima rispetto ai frammenti più lunghi che richiedono, per essere eluiti, una maggiore percentuale di acetonitrile nella fase mobile. 94

95 Interazione tra fase stazionaria e DNA La fase stazionaria (C18) è neutra ed idrofobica. L agente accoppiante (TEAA) è una molecola bifunzionale con un estremità idrofobica ed una polare con carica positiva. C18 TEAA Il TEA si lega al DNA (carico negativamente) facendo da ponte e favorendo l interazione DNA-C18. 95

96 Separazione di frammenti di DNA di diverse dimensioni 80 pb 587 pb 96

97 HPLC denaturante (DHPLC) La separazione viene effettuata in condizioni parzialmente denaturanti, cioè termostatando la colonna ad una determinata temperatura (temp di quasi denaturazione). In presenza di una mutazione la denaturazione e l eluizione del frammento sarà diversa rispetto al non mutato. Alla temp di quasi denaturazione gli eteroduplici mostrano una parziale denaturazione in corrispondenza del misappaiamento mentre gli omoduplici, alla stessa temperatura, sono ancora nella forma di doppia elica. Gli eteroduplici hanno un comportamento cromatografico diverso rispetto all omoduplice non mutato e generalmente vengono eluiti più rapidamente. La presenza di una mutazione si evidenzia con la comparsa nel cromatogramma di picchi supplementari rispetto al normale. 97

98 mvolts 12.5 Eteroduplici Omoduplici o C 53 o C 54 o C 55 o C 56 o C 57 o C 58 o C Minuti Cromatogrammi di un campione eterozigote per una mutazione ottenuti a diverse temperature. Si nota la differente risoluzione degli eteroduplici in base alla temperatura. Minutes 98

99 Profili di eluizione in presenza di mutazioni wt wt 99

100 DGGE - CP: controllo positivo - wt: campione normale - C, N, O: campioni eterozigoti per la mutazione DHPLC 100

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103 MLPA Probe design Synthetic oligo M13 derived oligo bp bp 1 A 1 B 2 A 2 B 3 A 3 B 45 A 45 B Primer X Target Specific Stuffer Sequence Primer Y sequence Each probe consists of two parts: one synthetic oligonucleotide and one phage M13 derived single-stranded DNA fragment For each probe there is a target specific sequence that can be ligated when correctly hybridized to its target. All probes have the same PCR primer sequences at their ends. The nonhybridizing stuffer sequence of each probe has a different length and sequence enabling separation by electrophoresis

104 MLPA Reaction #1 First, genomic DNA is completely denatured by heat The MLPA probe mix is added and allowed to hybridize to their respective target overnight

105 MLPA Reaction #2 The hybridized probes are ligated with the thermo-stable Ligase-65

106 MLPA Reaction #3 Only perfectly hybridized probes are ligated

107 MLPA Reaction #4 A universal primer pair is used to amplify all ligated probes Finally the probes are separated by sequence type electrophoresis

108 Separation and quantification by capillary electrophoresis Each peak is the amplification product of a specific probe. Samples are compared to a control sample. A difference in relative peak height or peak area indicates a copy number change of the probe target sequence

109 MLPA and Neuromuscular Disorders Several types of inherited neuromuscular disorder are due to deletions or duplications of specific genes. Among these, Dystrophinopaties (Duchenne Muscular Dystrophy, DMD, and Becker Muscular Dystrophy, BMD), Spinal Muscular Atrophy (SMA), Charcot Marie Thoot (CMT) disease and Hereditary Neuropathy with liability to Pressure Palsies (HNPP) represent a large portion of all mendelian neuromuscular disease for which genetic testing is routinely carried out for diagnostic purposes, for the identification of healthy carriers and for the evaluation of the recurrence risk. For this reason, MLPA assay represents a powerful tool for the study of these different conditions.

110 Current applications on MLPA Detection of aneuploidy of chromosomes 13, 18, 21, X and Y Detection of large chromosomal deletions or duplications: DiGeorge syndrome, Williams syndrome, Spinal Muscular Atrophy (SMA), subtelomeric regions etc Detection of gains and losses of genes in cancer tissues: Her2-neu (ERBB2), TP53, MYC etc Detection of deletions / duplications of single genes and exons: RHD, BRCA1 and 2, MSH2, MLH1, VHL, SHOX, MECP2, APC and NF2 etc Copy number of all CFTR exons Copy number of all 79 DMD exons in 2 MLPA reactions MS-MLPA kits (PWS/AS) Mediterranean Fever Tumor genetics

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114 Use of the MLPA Assay in the Molecular Diagnosis of Gene, Copy Number Alterations in Human Genetic DiseasesInt. J. Mol. Sci. 2012, 13, ;

115 DNA Sequencing

116 DNA sequencing Determination of nucleotide sequence Two similar methods: 1. Maxam and Gilbert method 2. Sanger method They depend on the production of a mixture of oligonucleotides labeled either radioactively or fluorescein, with one common end and differing in length by a single nucleotide at the other end This mixture of oligonucleotides is separated by high resolution electrophoresis on polyacrilamide gels and the position of the bands determined

117 Maxam-Gilbert Walter Gilbert Harvard physicist Knew James Watson Became intrigued with the biological side Became a biophysicist Allan Maxam

118 Maxam-Gilbert sequencing - modifications

119 Maxam and Gilbert Method Chemical degradation of purified fragments (chemical degradation) The single stranded DNA fragment to be sequenced is end-labeled by treatment with alkaline phosphatase to remove the 5 phosphate It is then followed by reaction with P-labeled ATP in the presence of polynucleotide kinase, which attaches P labeled to the 5 terminal The labeled DNA fragment is then divided into four aliquots, each of which is treated with a reagent which modifies a specific base 1. Aliquot A + dimethyl sulphate, which methylates guanine residue 2. Aliquot B + formic acid, which modifies adenine and guanine residues 3. Aliquot C + Hydrazine, which modifies thymine + cytosine residues 4. Aliquot D + Hydrazine + 5 mol/l NaCl, which makes the reaction specific for cytosine The four are incubated with piperidine which cleaves the sugar phosphate backbone of DNA next to the residue that has been modified

120 Maxam-Gilbert Technique Principle Chemical Degradation of Pyrimidines Pyrimidines (C, T) are damaged by hydrazine Piperidine cleaves the backbone 2 M NaCl inhibits the reaction with T

121 Maxam-Gilbert sequencing - summary

122 Advantages/disadvantages Maxam-Gilbert sequencing Requires lots of purified DNA, and many intermediate purification steps Relatively short readings Automation not available (sequencers) Remaining use for footprinting (partial protection against DNA modification when proteins bind to specific regions, and that produce holes in the sequence ladder) In contrast, the Sanger sequencing methodology requires little if any DNA purification, no restriction digests, and no labeling of the DNA sequencing template

123 Fred Sanger, 1958 Was originally a protein chemist Made his first mark in sequencing proteins Made his second mark in sequencing RNA 1980 dideoxy sequencing Sanger Method

124 Sanger Method in-vitro DNA synthesis using terminators, use of dideoxinucleotides that do not permit chain elongation after their integration DNA synthesis using deoxy- and dideoxynucleotides that results in termination of synthesis at specific nucleotides Requires a primer, DNA polymerase, a template, a mixture of nucleotides, and detection system Incorporation of di-deoxynucleotides into growing strand terminates synthesis Synthesized strand sizes are determined for each dideoxynucleotide by using gel or capillary electrophoresis Enzymatic methods

125 Dideoxynucleotide PPP O 5 CH2 O BASE 3 no hydroxyl group at 3 end prevents strand extension

126 3 CCGTAC 5 primer 5 3 dntp ddatp ddttp ddctp ddgtp GGCA GGCAT A T C G GGC G GG GGCATG

127 Sanger Method Sequencing Gel

128

129 Dalla cycle sequencing all elettroforetogramma...

130 Le emissioni fluorescenti vengono captate da un rilevatore e le informazioni vengono integrate e trasformate in picchi di colore diverso, con aree proporzionali all intensità di emissione.

131 Sequenziamento automatico Terminatori BigDye Sistemi a trasferimento di energia a singola molecola, costituiti da accettore e donatore legati da un linker Vantaggi: Segnale omogeneo, basso rumore di fondo, luminosità maggiore, facilità interpretativa per A e G attigue D A

132 Mutazione di un singolo nucleotide

133 Mutazioni per inserzione o delezione di nucleotidi in eterozigosi

134 Pyrosequencing

135 Principle of Pyrosequencing Addition of dntps is performed one at a time. thio triphosphate (datp-alphas) is used as a substitute for the natural (datp), as natural datp is not good for luciferase