Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare GENETICA

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1 Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare GENETICA a.a Pier Franco Pignatti LEZIONI N. 1 e 2 (INTRODUZIONE) Programma del corso Genetica classica, genetica molecolare, genomica, geni e malattie, test genetici

2 IL CORSO DI GENETICA OBBIETTIVI PROGRAMMA ESAME LIBRO DI TESTO MODALITA' DIDATTICHE

3 Corso integrato di Genetica e Biologia Molecolare Modulo di GENETICA Corso di Laurea Magistrale in Medicina e Chirurgia II anno di corso, I semestre Aula C Istituti Biomedici Martedi ore , Mercoledi e Giovedi ore dal 1.10 al Discipline e Docenti: Genetica Umana: Pier Franco Pignatti, Alberto Turco Genetica Molecolare: Elisabetta Trabetti, Cristina Bombieri

4 Obiettivi del corso Fornire le conoscenze di base di genetica umana allo scopo di poter comprendere i principi della trasmissione dei caratteri ereditari normali e patologici, nonché le modalità dell'insorgenza della variazione biologica ereditaria Insegnare ad applicare il metodo sperimentale allo studio dei fenomeni della vita, dimostrando di conoscere e di saper utilizzare i principi generali della genetica relativi all'analisi qualitativa e quantitativa dei fenomeni biologici, con particolare riguardo a quelli fondamentali per le scienze mediche Lo studente dovrà essere in grado di porre le domande appropriate per costruire un albero genealogico, per distinguere i diversi tipi di ereditarietà, richiedere i test genetici per la conferma (o esclusione) di una sospetta malattia genetica, e saperne interpretare i risultati, saper informare sui rischi genetici di ricorrenza nella prole, indicare possibili cause ambientali nelle malattie multifattoriali, enumerare le possibili cause e tipi di mutazione genica, descrivere brevemente le caratteristiche delle malattie genetiche più comuni, e saper ricavare la frequenza del gene malattia dalla frequenza dei malati in una popolazione.

5 Obiettivi di attività professionalizzante Il Corso è finalizzato a fornire al futuro medico le conoscenze e gli strumenti necessari per poter consigliare il paziente e la sua famiglia a fronte di una malattia ereditaria o di probabile natura genetica, sulla natura della malattia, l incidenza, la prognosi, i rischi di ricorrenza, le eventuali opzioni riproduttive disponibili, i test genetici disponibili, siano essi diagnostici, sintomatici, predittivi, pre- o postnatali

6 Programma Genetica classica: Le leggi dell ereditarietà. Caratteri dominanti, recessivi, legati al sesso, mitocondriali. Esempi di malattie mendeliane. Test genetici diagnostici, presintomatici, di screening. Preparazione e interpretazione di alberi genealogici. Citogenetica generale. Citogenetica medica. Genetica molecolare: L organizzazione del genoma umano. La mutazione e la riparazione. I polimorfismi del DNA. La mappatura dei geni. L identificazione di mutazioni. L analisi di linkage. Le malattie da espansione di triplette. Genetica biochimica. Ereditarietà multifattoriale: Predisposizione genetica alle malattie complesse. Studi di associazione genomica (GWAS). Farmacogenetica. Genetica dei tumori. Test di suscettibilità genetica. Genetica di popolazione: Frequenze alleliche e genotipiche. Determinazione delle frequenze geniche. La legge di Hardy-Weinberg. Fattori di disturbo dell equilibrio di H-W. Genetica clinica: La consulenza genetica. Determinazione dei rischi genetici. Consulenza pre e postnatale. Diagnostica prenatale e preimpianto. Prevenzione e trattamento delle malattie genetiche. Terapia genica. Medicina rigenerativa. Le cellule staminali. Problematiche bioetiche. Esercitazioni - Attività guidata di genetica classica - Attività guidata di genetica di popolazione - Calcolo dei rischi genetici

7 Esame L esame finale si svolge mediante prova scritta (quiz a scelta multipla) seguita, per chi supera lo scritto, da prova orale

8 Testo consigliato III edizione 2014

9 Ricevimento Studenti Tutti i giorni in orario di lavoro, o previo appuntamento: pierfranco.pignatti@univr.it tel alberto.turco@univr.it tel elisabetta.trabetti@univr.it tel cristina.bombieri@univr.it tel Segreteria : tel Sezione di Biologia e Genetica Dipartimento di Scienze della Vita e della Riproduzione Istituti Biomedici Blocco B Scala 3 Piano I

10 Materiale didattico I file PDF con le presentazioni verranno messi nel sito: Selezionare: Genetica A.A. 2014/2015 (Sono disponibili nello stesso sito tutte le lezioni del corso 2013/14) NOTA: La distribuzione in internet di questo materiale è intesa per uso strettamente personale. Qualsiasi altro uso (riproduzione in copie multiple, allestimento e commercializzazione di dispense) è espressamente vietato

11 GENETICA UNA SINTESI STORICA E UNA VISIONE ATTUALE DELLA GENETICA UMANA E MEDICA

12 GENETICA: definizione Una definizione da Wikipedia: «La genetica è la scienza che studia i geni, l'ereditarietà e la variabilità degli organismi» Il termine deriva dal greco antico γενετικός ghenetikós, «relativo alla nascita», dal termine γένεσις ghénesis, «genesi, origine» Noi ci occuperemo in particolare di genetica umana e genetica medica

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14 SVILUPPO STORICO DELLA GENETICA Classica Molecolare Genomica (con particolare riguardo alla Genetica Umana e Medica)

15 GENETICA CLASSICA date essenziali 1865 Mendel: fattori, leggi 1900 Correns, Tschermak, DeVries: riscoperta del mendelismo 1902 Sutton,Boveri: teoria cromosomica dell ereditarietà 1905 Bateson: genetica 1909 Johannsen: gene 1910 Morgan: mappa genetica 1927 Muller: mutazione, geni, citogenetica 1941 Beadle e Tatum: un gene/un enzima

16 Genetica ed Evoluzione degli organismi La nascita della genetica è da porsi in relazione con la esigenza posta dall evoluzionismo (Darwin, 1859) di indagare i meccanismi, allora ignoti, della ereditarietà biologica e della origine della variazione Montalenti, 1967

17 GENETICA MOLECOLARE date essenziali 1944 Avery, MacLeod, McCarthy: DNA (batt.) 1952 Hershey, Chase: DNA mat. eredit. (fagi) 1953 Watson, Crick: la struttura del DNA Niremberg: decifrazione del codice genetico 1978 Kan, Dozy: la prima diagnosi con il DNA 1982 Il primo prodotto della ingegneria genetica sul mercato 1983 Kary Mullis: la prima idea della PCR

18 GENETICA MOLECOLARE Il dogma centrale Tutti i viventi hanno lo stesso sistema di deposito, trasmissione e manifestazione della informazione ereditaria Scienza che studia le modalità di conservazione, modificazione e utilizzazione della informazione ereditaria DNA RNA Proteine F.Crick, 1958

19 Struttura del genoma umano LIVELLO NUMERO DIMENSIONI (bp) Genoma 1 c. 3x10 9 aploide Cromosomi 23 coppie Da 247x10 6 (cr.1) a 50x10 6 (cr.21) Gene c Da 100 a 2x10 6 Multiple evidence strands suggest that there may be as few as 19,000 human protein-coding genes. This suggestion is based on features such as weak conservation, a lack of protein features, or ambiguous annotations from major databases, all of which correlated with low peptide detection (Ezkurdia I et al, 2014)

20 MEDICINA GENOMICA date essenziali 2003 Sequenza del genoma umano pubblicazione conclusiva del progetto genoma umano (HGP) 2007 Studi di associazione genomica per 7 malattie comuni (GWAS) : nuovi loci 2007 Sequenza di un genoma umano diploide (WGS) : genomica personale 2011 Progetto genomi umani: conclusione fase pilota 2012 Progetto ENCODE : elementi funzionali del genoma umano 2014 Progetto genomi (UK10K) : primi dati

21 The Wellcome Trust Case Control Consortium Genome-wide association study of 14,000 cases of seven common diseases and 3,000 shared controls Nature 447, (7 June 2007)

22 La regolazione del genoma L informazione primaria contenuta nella sequenza è regolata da diversi eventi molecolari e cellulari. La regolazione dell espressione genica può portare alla attivazione (in verde) o al silenziamento (in rosso) di regioni genomiche Misteli T, 2013

23 Una definizione operativa di gene (progetto ENCODE, encyclopedia of DNA elements)) «Una regione di sequenza genomica localizzata, corrispondente a una unità di ereditarietà, associata a regioni di regolazione, regioni trascritte o altre regioni di sequenza funzionale» Pearson H, 2006

24 The growth of ENCODE and modencode data sets Gli elementi di regolazione sono frequentemente associati a malattie Muerdter F e A Stark )

25 Evoluzione del concetto di gene SVILUPPO STORICO ANALISI CARATTERISTICA Genetica classica fenotipica determina un carattere Genetica molecolare strutturale è costituito da nucleotidi Genomica funzionale è espresso e regolato

26 Il costo del sequenziamento del genoma Rispetto al costo di circa 3 miliardi di dollari della collaborazione pubblicoprivato che ha sequenziato il primo genoma umano, i costi del WGS nel 2013 sono già inferiori a 3.500$ (E.Topol, ). Illumina President and CEO Jay Flatley said today that the firm's technology can now produce a human genome for under $1,000, claiming to be the first to achieve this long sought-after goal (GenomeWeb Daily News, January 14, 2014)

27 Il futuro della medicina genomica Green ED, Guyer MS, NHGRI, Nature 2011

28 Genomica e bioinformatica Gene-analysis firms reach for the cloud Online bioinformatics companies rush to provide genomics platforms and software for hospitals Hayden EC, Nature

29 GENETICA E CARATTERI

30 E' nel mio DNA Google ( ): circa risultati Es: Petrangeli: La liberta' di stampa è nel mio dna Il Giornale di Rieti Andrea Bocelli: Il silenzio è nel mio DNA Chiara Muti: La musica è nel mio dna Giovanni Trapattoni: La Juventus è un po' nel mio DNA Anonimo: La pazzia è nel mio DNA Facebook Cucina-D/La Repubblica: La dieta è scritta nel DNA Il mio Dna è davvero mio? La Myriad è l'azienda che, nel 1990, ha decodificato per la prima volta il

31 La gamma dei caratteri umani L insieme dei fattori che determinano un carattere può essere rappresentato da un punto localizzato in una determinata posizione all interno del triangolo Strachan e Read, Genetica umana molecolare, UTET 2001

32 Frequenza approssimativa della malattie genetiche (%) MALATTIE < 25 anni > 25 anni TOTALE Monogeniche 0,36 1,64 2 Cromosomiche 0,18 0,2 0,38 Multifattoriali 4, ,64 Malattie genetiche classiche Malattie complesse Emery e Rimoin, Principles and Practice of Medical Genetics, Churchill Livingstone Elsevier 2007

33 TEST GENETICI NON MEDICI paternità, medico legali, popolazionistici, Diagnostici Presintomatici Screening neonatale MEDICI Per l identificazione dei portatori sani Farmacogenetici CARATTERI MENDELIANI SEMPLICI Predittivi o di predisposizione o di suscettibilità genetiche CARATTERI COMPLESSI

34 Un test genetico commerciale per determinare la discendenza individuale

35 Caratteristiche dei test genetici per caratteri semplici e complessi MALATTIE MENDELIANE MALATTIE COMPLESSE Ambiente e stile di vita NO Predittivo Implicazioni per i parenti SI Responsabilità del medico Sensibile e specifico Controllo esterno di qualità Ambiente e stile di vita SI Scarsamente predittivo Implicazioni per parenti NO Diretto al consumatore Economicamente vantaggioso CQ può esserci o no Modificato da: Strachan e Read, Genetica Molecolare Umana, Zanichelli 2012

36 L offerta di test genetici Javitt G, Nature, 12 agosto (NCBI,NLM,NIH) Statistics Updated September 17, 2014: 37,868 Tests 3,989 Disorders 4,584 Genes 647 Laboratories 1,064 Clinics

37 ORPHANET è un servizio di informazioni sulle malattie rare e i farmaci orfani con accesso libero. Fornisce un elenco aggiornato delle sedi alle quali ci si può rivolgere per richiedere diagnosi e test genetici in Italia e in Europa Malattia rara : prevalenza < 0,05% cioè < 1/2000

38 WGS (Whole Genome Sequencing) Clinicians need to prepare for the onslaught of wholegenome sequencing data, the National Institutes of Health Director Francis Collins said at a personalized medicine symposium. Collins says that single-gene tests will be replaced by whole-genome sequencing within a handful of years. He also said that there needs to be a database where clinicians can easily look up what's known about a gene and its mutations, particularly in the context of cancer risk. October 30, 2013

39 WES (Whole Exome Sequencing) We report our experience with whole-exome sequencing in 115 patients Most patients were children (78.9%). The most common indications for testing were birth defects (24.3%) and developmental delay (25.2%) We identified four new candidate human disease genes and possibly expanded the disease phenotypes associated with five different genes. Establishing a diagnosis led to discontinuation of additional planned testing in all patients, screening for additional manifestations in eight, altered management in fourteen, novel therapy in two, identification of other familial mutation carriers in five, and reproductive planning in six. Conclusion: Our results show that whole-exome sequencing is feasible, has clinical usefulness, and allows timely medical interventions, informed reproductive choices, and avoidance of additional testing. Iglesias A et al, 2014s

40 Clinical Genome and Exome Sequencing (CGES) In this exploratory study of 12 volunteer adults, the use of WGS was associated with incomplete coverage of inherited disease genes, low reproducibility of detection of genetic variation with the highest potential clinical effects, and uncertainty about clinically reportable findings. In certain cases, WGS will identify clinically actionable genetic variants warranting early medical intervention. These issues should be considered when determining the role of WGS in clinical medicine (Dewey FE et al. JAMA ) Genome sequencing identifies major causes of severe intellectual disability (Gilissen C et al. Nature ) Sequencing of the genome or exome for clinical applications, hereafter referred to as clinical genome and exome sequencing (CGES), has now entered medical practice (Biesecker LG e RC Green, N Engl J Med, )

41 Sequenziamento di genomi nel Sistema Sanitario Nazionale della Gran Bretagna UK unveils investment in 100,000 genomes project to integrate genomic medicine into the National Health Service Genomes of patients with cancer and rare diseases Genomics England, a company owned by the Department of Health The Wellcome Trust will sponsor the sequencing hub Illumina is key partner The Medical Research Council will provide computing services (Aug 1, 2014)

42 As Genomics Increases the Complexity of Diagnostic Tests, the Role of Genetic Counselors Expands The National Institute of Health's Genetic Testing Registry (GTR) currently lists more than 13,000 tests for about 3,700 conditions, compared to about 2,500 diseases for which genetic testing was available in early According to the GTR, 25 laboratories worldwide currently offer genetic tests based on either whole-exome sequencing or whole-genome sequencing. Genetic counselors have always helped patients navigate genetic testing, explaining to patients ahead of time what the test might reveal, and after results are in what it all means for them and their families. The advent of new genomic tests has both expanded and changed their roles, shaping their discussions with patients and creating new employment opportunities outside the clinical arena. December 18, 2013

43 Physicians' Genomics Knowledge, Basic Skills Still Barrier to Adoption, Study Finds The problem isn't only that primary care physicians lack genetics education, according to the study, but also that they don't have the basic skills how to take a family history, apply the relevant treatment guidelines, or pick the right test to deliver molecularly guided precision care. A team led by Natalie Mikat-Stevens from the American Academy of Pediatrics searched the literature for papers published from 2001 to 2012 in which physicians identified challenges to incorporating genetics services in their practices. The adoption roadblocks commonly mentioned in these papers dealt with limited genetics knowledge and genetic risk assessment skills; patient anxiety worries; limited access to genetics counselors; and lack of time. Mikat-Stevens NA et al,