Genomica

Il Laboratorio di Genomica ha un’esperienza di alto livello e lunga data nello studio del genoma attraverso sequenziamento, mappaggio e analisi di tutti i geni all’interno di una cellula, operando su larga scala mediante approcci sistematici, le cosiddette tecnologie “high-throughput”. Questi approcci Omici, basati sul sequenziamento ultramassivo (Genomica, Trascrittomica, Analisi a livello di singola cellula, Metagenomica e Bioinformatica correlata), vengono applicati per investigare i meccanismi molecolari e le interazioni coinvolte negli stati di salute e patologici. L’unità di Genomica si occupa di studi molecolari che affrontano i geni a diversi livelli, a partire dalla loro sequenza di base (analisi del polimorfismo e della mutazione) e disposizione cromosomica (analisi di aberrazione numerica e strutturale), per poi espandersi verso l’indagine della loro espressione, funzione e interazioni reciproche all’interno della complessa rete di processi molecolari che caratterizzano ogni sistema biologico (“genomica funzionale”).

TEMATICHE DI RICERCA

L’indagine molecolare di varianti causative nelle malattie genetiche rare mediante NGS, richiede, dapprima, la riduzione della complessità del DNA genomico mediante un approccio di arricchimento. L’unità di Genomica ha raggiunto un’esperienza decennale nel risequenziamento del DNA combinato ad un’analisi di cattura di regioni genomiche umane di interesse applicata in svariate patologie (Sindrome di Brugada, Sindrome di Noonan, Neurofibromatosi). Questa strategia è stata estesa anche allo studio dell’intero esoma umano, eliminando così la necessità di scegliere un subset di geni da interrogare e focalizzandosi, piuttosto, su regioni che codificano per le proteine, dove è localizzata la grande maggioranza di mutazioni correlate alla patologia. Il sequenziamento dell’intero esoma è applicato allo studio di pazienti affetti da differenti stati patologici (Iperinsulinismo Congenito Infantile, Aritmia Ventricolare Pediatrica Maligna, Sindrome di Noonan). Recentemente, inoltre, il sequenziamento a singola cellula è stato applicato alla caratterizzazione del trascrittoma in modelli di topo affetti da epilessia cronica causata da una mutazione nel gene Arx.
Un approccio molecolare basato sul risequenziamento del DNA combinato ad un arricchimento di regioni target, è stato impiegato per studiare ampie coorti di pazienti affetti da Sclerosi Laterale Amiotrofica (SLA) e da Sclerosi Multipla (SM). Un sequenziamento dell’intero genoma, associato ad un’analisi sistematica di regioni ripetute è stato applicato a 70 individui affetti da SLA. L’unità di Genomica ha applicato una strategia di risequenziamento di specifiche regioni derivate da precedenti studi di associazione genome-wide per investigare varianti causali in 588 pazienti affetti da SM e 408 controlli sani.
Lo studio della Genomica nei tumori mira a migliorare la comprensione dei meccanismi molecolari coinvolti nella tumorigenesi e ad identificare nuovi marcatori molecolari utili per applicazioni cliniche e/o terapeutiche mirate nell’ottica della realizzazione di una medicina personalizzata. Grazie alle tecnologie massive come l’NGS ed i microarrays, l’unità ha investigato i tumori umani a diversi livelli molecolari. Le analisi genomiche spaziano dalla caratterizzazione completa delle varianti a singolo nucleotide e dei complessi riarrangiamenti cromosomici tipicamente associati all’evoluzione neoplastica, al sequenziamento dell’intero trascrittoma per la valutazione dell’espressione genica di geni codificanti e non codificanti e l’identificazione di trascritti particolari, quali trascritti di fusione, geni “co-joined” e RNA circolari, fino all’analisi del contenuto in microRNA delle vescicole extracellulari circolanti rilasciate dalle cellule tumorali quale meccanismo di comunicazione a distanza.
Gli studi di associazione a livello dell’intero genoma (genome-wide association study), consentono di analizzare centinaia di migliaia di varianti genetiche germinali (polimorfismi) per identificare quelle associate a parametri di risposta farmacologica, intesa in termini di efficacia e/o tossicità. Questi studi hanno lo scopo di spiegare, almeno in parte, la variabilità interindividuale ai trattamenti farmacologici e il fine ultimo di stratificare i pazienti in base alle proprie caratteristiche costitutive, consentendo un trattamento farmacologico il più possibile personalizzato. Sono stati avviati di recente uno studio sulla farmacogenomica della terapia oppioide per il dolore da cancro (in un’ampia casistica composta da più di 2000 pazienti), e degli studi pilota riguardanti la farmacogenomica delle terapie di disassuefazione dal fumo di sigaretta e dell’immunoterapia, con immune checkpoint inhibitors, in pazienti con cancro polmonare avanzato.
La plasticità genomica avviene a diversi livelli. Il genoma cambia la propria struttura (plasticità 1D) a seguito di duplicazioni, delezioni, inserzioni, traslocazioni ed inversioni. Questa plasticità ha un doppio aspetto: se da un lato consente l’evoluzione dei genomi e la nascita di nuove funzioni geniche, dall’altro determina la comparsa di varianti patologiche che causano stati di malattia. Il genoma cambia anche la propria organizzazione ed il posizionamento dei domini cromosomici all’interno del nucleo (plasticità 3D). Questa plasticità è volta ad espletare le funzioni di definizione e mantenimento delle peculiarità tessuto specifiche che caratterizzano i diversi tipi cellulari. Molteplici tecnologie basate sul sequenziamento permettono di studiare questa plasticità, dalla caratterizzazione di varianti strutturali a livello di sequenza e lo studio delle loro conseguenze funzionali, sia nell’evoluzione del genoma umano sia nelle malattie germinali, all’analisi dell’architettura nucleare e della sua dinamicità in contesti di differenziamento.

Lo studio del microbioma intestinale umano, mediante l’analisi della composizione e della struttura tramite sequenziamento degli ampliconi del gene 16S e dell’intero genoma, viene applicato in diversi contesti:

  •         nello stato di salute (supercentenari) e in stati patologici (aGVHD dopo trapianto allogenico in pazienti pediatrici, artrite reumatoide, sindrome di Bechet, tumore gastrico, rettocolite ulcerosa, malattia di Chron, diabete di tipo 2, malattia di Parkinson, sindrome di Down, compromissione lieve-cognitiva, sindrome di Rett, fenilchetonuria, glicogenosi, epilessia, arteriosclerosi);
  •         negli studi di adattamento a diverse diete e stili di vita:confronto tra diverse popolazioni (Hadza della Tanzania / popolazioni rurali / occidentali industrializzate); confronto tra diverse abitudini alimentari (onnivori, carnivori, vegetariani, vegani, macrobiotici, chetogenici); nella caratterizzazione del microbioma intestinale in volontari sottoposti a particolari stili di vita (volo spaziale simulato sul pianeta Marte)

 

Lo studio del microbioma vaginale e rettale riguarda l’analisi della diversità batterica durante infezioni e cambiamenti associati a trattamenti con probiotici

La caratterizzazione del microbioma animale e alimentare riguarda la caratterizzazione batterica dell’intestino / rumine del bestiame (bovini ,capra) e dei relativi prodotti (latte, formaggio).

  • Investigation of the Human (Gut, Oral, Vaginal and Rectal), Animal and Environmental Microbiome
Lo studio del genoma procariotico è orientato principalmente all’identificazione di siti di legame dei fattori di trascrizione (analisi ChIP-Seq) e all’identificazione di alterazioni genomiche tra ceppi conosciuti e ceppi di recente isolamento. Una pipeline per analisi di dati RNA-seq è stata ottimizzata in base alle peculiarità degli organismi procarioti e applicata a esperimenti di time-course e confronti multipli delle condizioni di crescita in Helicobacter pylori, Pseudomonas aeruginosa e Streptomyces ambofaciens.

STAFF

Bordoni Roberta

Ricercatore

Camboni Tania

Assegnista

Cifola Ingrid

Ricercatore

Mangano Eleonora

Ricercatore

Pinatel Eva

Ricercatore

Severgnini Marco

Ricercatore