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INGEGNERIA GENETICA E DINTORNI
DNA, SUE MODIFICAZIONI E CONSIDERAZIONI EVOLUTIVE
Prof. Massimiliano Della Mea
LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Evoluzione, selezione naturale ed artificiale
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
AnassimandroAnassimandro(Mileto 610 ca. - 547 ca. a.C.)
La vita si origina nelle acque e l’uomo deriva dai pesci o simili creature
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AristoteleAristotele(Stagira, Macedonia 384 - Calcide, Eubea 322 a.C.)
Le specie costituiscono una scala gerarchica immutabile e
sempre esistita. La riproduzione non
determina mai cambiamenti
nella sostanza ma
negli accidenti
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Dottrina Biblica Dottrina Biblica -- GenesiGenesiIn principio Dio creò il cielo e la terra. Ora la terra era informe e deserta e le tenebre
ricoprivano l'abisso e lo spirito di Dio aleggiava sulle acque.Dio disse: "Sia la luce!". E la luce fu. Dio vide che la luce era cosa buona e separò la luce dalle tenebre e chiamò la luce giorno e le tenebre notte. E fu sera e fu mattina: primo
giorno.Dio disse: "Sia il firmamento in mezzo alle acque per separare le acque dalle acque". Dio fece il firmamento e separò le acque, che sono sotto il firmamento, dalle acque, che son
sopra il firmamento. E così avvenne. Dio chiamò il firmamento cielo. E fu sera e fu mattina: secondo giorno.
Dio disse: "Le acque che sono sotto il cielo, si raccolgano in un solo luogo e appaia l'asciutto". E così avvenne. Dio chiamò l'asciutto terra e la massa delle acque mare. E Dio
vide che era cosa buona. E Dio disse: "La terra produca germogli, erbe che producono seme e alberi da frutto, che facciano sulla terra frutto con il seme, ciascuno secondo la
sua specie". E così avvenne: la terra produsse germogli, erbe che producono seme, ciascuna secondo la propria specie e alberi che fanno ciascuno frutto con il seme,
secondo la propria specie. Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: terzo giorno.
Dio disse: "Ci siano luci nel firmamento del cielo, per distinguere il giorno dalla notte; servano da segni per le stagioni, per i giorni e per gli anni e servano da luci nel
firmamento del cielo per illuminare la terra". E così avvenne: Dio fece le due luci grandi, la luce maggiore per regolare il giorno e la luce minore per regolare la notte, e le stelle. Dio le pose nel firmamento del cielo per illuminare la terra e per regolare giorno e notte
e per separare la luce dalle tenebre. E Dio vide che era cosa buona. E fu sera e fu mattina: quarto giorno.
Dio disse: "Le acque brulichino di esseri viventi e uccelli volino sopra la terra, davanti al firmamento del cielo". Dio creò i grandi mostri marini e tutti gli esseri viventi che
guizzano e brulicano nelle acque, secondo la loro specie, e tutti gli uccelli alati secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona. Dio li benedisse: "Siate fecondi e
moltiplicatevi e riempite le acque dei mari; gli uccelli si moltiplichino sulla terra". E fu sera e fu mattina: quinto giorno.
Dio disse: "La terra produca esseri viventi secondo la loro specie: bestiame, rettili e bestie selvatiche secondo la loro specie". E così avvenne: Dio fece le bestie selvatiche secondo la loro specie e il bestiame secondo la propria specie e tutti i rettili del suolo
secondo la loro specie. E Dio vide che era cosa buona.E Dio disse: "Facciamo l'uomo a nostra immagine, a nostra somiglianza, e domini sui pesci del mare e sugli uccelli del cielo, sul bestiame, su tutte le bestie selvatiche e su
tutti i rettili che strisciano sulla terra".Dio creò l'uomo a sua immagine;
a immagine di Dio lo creò;maschio e femmina li creò.
Dio li benedisse e disse loro:"Siate fecondi e moltiplicatevi,
riempite la terra;soggiogatela e dominate
sui pesci del maree sugli uccelli del cielo
e su ogni essere vivente,che striscia sulla terra".
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BuffonBuffon (1707-1788)
• Creazione più trasformazione
Età della Terra?
60006000ChiesaChiesa
7500075000BuffonBuffon
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GeorgesGeorges Cuvier Cuvier (1769 - 1832),
• Catastrofista
fossili antidiluvianifossili antidiluviani
D’OrbignyD’Orbigny (1802 - 1857)
Teoria delle Creazioni successive
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Louis AgassizLouis Agassiz (1807-1873)
• 50-80 estinzioni seguite da corrispondenti creazioni
Prima o poi riuscirò a farlo bene
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Jean-Baptiste de LamarckLamarck (1744 - 1829)
• Generazione spontanea
• Trasformazioni successive causate da mutazioni
ambientali.
• Mutamenti delle strutture corporee dovuti all'uso
(prima legge)
• Ereditarietà dei caratteri acquisiti (seconda legge).
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Charles Darwin Charles Darwin (1809-1882)(1809-1882)
1836: Notebooks on the Transmutation of Species1836: Notebooks on the Transmutation of Species16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
risorsepopo
lazio
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Thomas Robert Malthus (1798)Thomas Robert Malthus (1798)An Essay on the Principle of Population, An Essay on the Principle of Population,
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Basi della Teoria EvolutivaBasi della Teoria Evolutiva
• COMPETIZIONECOMPETIZIONE
• SELEZIONE NATURALESELEZIONE NATURALE
• EREDITARIETA’EREDITARIETA’
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• 1858: Teoria Evolutiva di 1858: Teoria Evolutiva di WallaceWallace
• 1859: 1859: The Origin of SpeciesThe Origin of Species
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SELEZIONE NATURALE
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SELEZIONE ARTIFICIALE MEDIANTE INCROCIO
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Come spiegare la Teoria Evolutiva?Come spiegare la Teoria Evolutiva?
• 1) Trasmissione ereditaria?
• 2) Caratteristiche ereditarie non mescolate?
• 3) Origine delle variazioni?
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
G. Mendel (1866)G. Mendel (1866)
1) Legge della dominanza1) Legge della dominanza
2) Legge della segregazione2) Legge della segregazione
3) Legge dell’assortimento indipendente3) Legge dell’assortimento indipendente
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Teoria Sintetica dell’EvoluzioneTeoria Sintetica dell’Evoluzione
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
IL DNA
• Watson e Crick (1953)• Rosalind Franklin (1920-1958)
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REPLICAZIONESEMICONSERVATIV
A DEL DNA
(Meselson e Stahl-1957)
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DOGMA CENTRALE DELLA BIOLOGIA
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GENOTIPO AMBIENTE
FENOTIPO
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AMBIENTE E FENOTIPO
i gemelli
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
oggi
domani
domani
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Oggi
Domani16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
La DNA polimerasi è un enzima impreciso
1 errore ogni
100000 basi 6000 mutazioni ogni
divisione cellulare
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
La DNA polimerasi è un enzima impreciso
1 errore ogni
100000 basi 6000 mutazioni ogni
divisione cellulare
Esistono meccanismi di riparazione
1 errore ogni
10000 basi 600 mutazioni ogni divisione cellulare
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
1 errore ogni
10000 basi 600 mutazioni ogni divisione cellulare
97% circa di DNA non codificante (JUNK DNA)
18 mutazioni su DNA codificante
vacillamento della terza base
Circa 6 mutazioni su 3 miliardi di basi, ossia lo 0.0000001%16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
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INGEGNERIA GENETICA
IL DNA RICOMBINANTE
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A G G C C A T T C G T A A A A T C5’ 3’
T C C G G T A A G C A T T T T A G
A G G C C A G T A A A A T C5’ 3’
T C C G G T C A T T T T A G
A G G C C A C G A G T A A A A T C5’ 3’
T C C G G T G C T C A T T T T A G
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16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Trasformazione BiolisticaTrasformazione Biolistica(Bio-balistica)(Bio-balistica)
???? ??
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DNA legato a microproiettili d’oro
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Particle Gun: spara i microproiettiliParticle Gun: spara i microproiettili nel campionenel campione
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Dip. BES UNIBO
GFP – Green Fluorescent Protein
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16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Dip. BES UNIBO
GFP-AtPNG1P
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Dip. BES UNIBO
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Il caso del Bacillus turingensis
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?16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
KNOCK OUT
GENE- DNA
mRNA
PROTEINA
GENE- DNA
mRNA
PROTEINA
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RNA antisenso
GENE- DNA
mRNA
PROTEINA
GENE- DNA
mRNA
PROTEINA
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A.A. thaliana AtPng1p WTthaliana AtPng1p WT 10 days 30°C10 days 30°C
A.A. thaliana KOthaliana KO 10 days 30°C10 days 30°C16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Dip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBODip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBO
Wt
KO
AtPNG1p
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Dip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBO
Dip. BES UNIBO
TOPI KNOCK OUT
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INGEGNERIA GENETICA e Homo sapiens
The Human Genome Project16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
• 1990 - 2003
• Circa il 92% di genoma mappato + altri genomi– 3 •109 coppie di basi
• Circa 25000 geni presenti (come il topo)
• 97% del DNA a funzione ignota (JUNK DNA)
• Differenti etnie uguali al 99.99%– unica derivazione molto probabile
• La maggior parte delle mutazioni è di origine maschile
The Human Genome Project
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
Genomica e post-genomicathe “omics” era
• Genoma → genomica
• Proteoma → proteomica
• Metaboloma → metabolomica
• Ecceteroma → ecceteromica
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
insulina
Diabete (iperglicemia)
normalizzazione16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
insulina16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
insulina
ATGGGAAAAATCAGCAGTCTTCCAACCCAATTATTTAAGTGCTGCTTTTGTGATTTCTTGAAGGTGAAGATGCACACCATGTCCTCCTCGCATCTCTTCTACCTGGCGCTGTGCCTGCTCACCTTCACCAGCTCTGCCACGGCTGGACCGGAGACGCTCTGCGGGGCTGAGCTGGTGGATGCTCTTCAGTTCGTGTGTGGAGACAGGGGCTTTTATTTCAACAAGCCCACAGGGTATGGCTCCAGCAGTCGGAGGGCGCCTCAGACAGGCATCGTGGATGAGTGCTGCTTCCGGAGCTGTGATCTAAGGAGGCTGGAGATGTATTGCGCACCCCTCAAGCCTGCCAAGTCAGCTCGCTCTGTCCGTGCCCAGCGCCACACCGACATGCCCAAGACCCAGAAGTATCAGCCCCCATCTACCAACAAGAACACGAAGTCTCAGAGAAGGAAAGGTTGGCCAAAGACACATCCAGGAGGGGAACAGAAGGAGGGGACAGAAGCAAGTCTGCAGATCAGAGGAAAGAAGAAAGAGCAGAGGAGGGAGATTGGAAGTAGAAATGCTGAATGCAGAGGCAAAAAAGGAAAA
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
GH (Growth Hormon)
Nanismo ipofisario
normalizzazione16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
GH (Growth Hormon)
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
-omiche e salute umana
GH (Growth Hormon)
TTC CCA ACC ATT CCC TTA TCC AGG CTT TTT GAC AAC GCT ATG CTC CGC GCC CAT CGT CTG
… … … … … … … … … … … …
…
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
CELLULE STAMINALI – STEM CELLS
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CELLULE STAMINALE OMBELICALI
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CELLULE STAMINALI ADULTE
MULTIPOTENZA
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DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO
Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5
SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO
Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5
SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO
Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5
SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO
Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5
SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.
16/12/2010 LICEO SCIENTIFICO E. FERMI BOLOGNA PROF. M. DELLA MEA
DIFFERENZIAMENTO E SDIFFERENZIAMENTO
Vol …. Vol. 1 Vol. .…Vol. 2 Vol. 3 Vol. 4 Vol. 5
SANGUE OSSA NERVI PELLE MUSCOLI ECC. ECC.
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Szabo, E. et al. : Direct conversion of human fibroblasts to multilineage blood progenitors (Nature, 2010).
Sdifferenziamentogeneticamente indotto
Staminalimultipotentidel sangue
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ALCUNI ARGOMENTI DI RIFLESSIONE
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CELLULE STAMINALI EMBRIONALI
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