Research1Sviluppo di metodologie bioinformatiche per l'analisi di dati da piattaforme di sequenziamento massivo (NGS), l’annotazione di sequenze genomiche e la caratterizzazione di biomarcatori di condizioni patologiche
Le piattaforme di sequenziamento di nuova generazione (Illumina, ABI SOLiD e Roche 454) stanno rivoluzionando le ricerche nel campo della genomica, facilitando, ad esempio, sia il ri-sequenziamento che il sequenziamento de novo di interi genomi con sensibile riduzione di tempo e costi rispetto agli approcci convenzionali. Queste tecnologie sono comunemente applicate a diversi aspetti della genomica funzionale che includono l’identificazione di riarrangiamenti genomici, lo studio delle modificazioni epigenetiche, l’individuazione di polimorfirmi nucleotidici (SNP), l’analisi di interi trascrittomi, l’identificazione su larga scala di siti di interazione DNA-proteina o RNA-proteina, e gli studi metagenomici. Le nuove piattaforme di sequenziamento (NGS) possono generare enormi quantità di dati che richiedono metodologie bioinformatiche ad hoc in grado di gestire ed analizzare tali dati in modo efficiente. In questo ambito, il nostro gruppo di ricerca lavora attivamente sia all’ottimizzazione delle principali metodologie bio-computazionali per l’allineamento delle sequenze prodotte contro il genoma di riferimento che allo sviluppo di nuovi algoritmi per l’analisi ed interpretazione biologica dei risultanti allineamenti.
Gli algoritmi sviluppati dal nostro gruppo sono stati utilizzati in numerosi progetti di annotazione genomica, di analisi del profilo trascrizionale e del pattern di splicing alternativo, e nell’identificazione e caratterizzazione, anche basata su approcci sperimentali di biomarcatori di specifiche condizioni patologiche.
2 Banche dati specializzate di dati biomolecolari
L’analisi strutturale e funzionale di specifici insiemi di sequenze, mediante l’utilizzo di strumenti bioinformatici, richiede collezioni curate di dati, prive di ridondanza e arricchite di informazioni addizionali non presenti nelle banche dati primarie. Il nostro gruppo di ricerca ha realizzato ed è tuttora impegnato nello sviluppo e aggiornamento di alcune banche dati specializzate di largo utilizzo da parte della comunità scientifica internazionale:
UTRdb è una banca dati che colleziona sequenze non tradotte delle estremità 5’ e 3’ degli mRNA eucariotici. Questa banca dati è interfacciata alla collezione UTRsite che raccoglie elementi regolatori, testati sperimentalmente, localizzati nelle regioni non tradotte (.
ASPicDB è una banca dati che colleziona informazioni sul pattern di splicing alternativo di geni umani e di altri organismi, fornendo anche informazioni sulla specificità dell’espressione di specifiche isoforme trascrizionali a livello di tessuto e condizione patologica.
3Studio dell'RNA Editing nella sclerosi laterale amiotrofica
L’RNA editing è un fenomeno molecolare post-trascrizionale che si verifica in una grande varietà di organismi mediante inserzione/delezione o sostituzione di specifici nucleotidi. Nell’uomo, l’editing per sostituzione A-I, in cui specifiche adenosine (A) in pre-mRNA sono modificate ad inosina (I), è l’evento più frequente. L’RNA editing può modulare l’espressione genica e lo splicing alternativo contribuendo all’espansione del trascrittoma e proteoma eucariotico. Alterazioni dell’editing, inoltre, sono state associate a diverse patologie umane come epilessia, schizofrenia, cancro e sclerosi laterale amiotrofica (SLA). In particolare, il deficit dell’editing A-I a carico di una specifica posizione della subunità 2 del recettore per il glutammato (GRIA2) sembra essere implicato nel processo di degenerazione dei motoneuroni in pazienti affetti da SLA. Al fine di investigare il grado di coinvolgimento dell’editing nelle patologie neurodegenerative come la SLA, i siti soggetti a tali variazioni post-trascrizionali saranno identificati medianti analisi comparata di dati di sequenziamento massivo del trascrittoma provenienti da pazienti affetti da SLA e relativi controlli.
4Identificazione di agenti infettivi associati alla Sclerosi Multipla mediante sequenziamento su larga scala del trascrittoma
La sclerosi multipla (SM) è la più diffusa malattia demielinizzante del sistema nervoso centrale. Mostra una natura multifattoriale con componenti ereditari e non. Per quanto riguarda la componente non ereditaria, numerose evidenze sostengono un coinvolgimento del virus di Epstein Barr (EBV) nella malattia, dal momento che oltre il 99% dei pazienti SM presenta un’infezione da EBV. Tale osservazione è anche supportata dalle caratteristiche epidemiologiche della SM come l'alto tasso di discordanza nei gemelli monozigoti. Inoltre, non si può escludere che altri fattori non trasmissibili, come ad esempio agenti infettivi ancora non identificati, possano essere coinvolti nella patogenesi della SM. In questo contesto, mediante una piattaforma di next-generation sequencing, è stata avviata un’analisi su larga scala del trascrittoma di tessuti cerebrali post-mortem di pazienti affetti da MS e controlli, con l'obiettivo di identificare specie microbiche note o nuove, eventualmente presenti e per studiarne l’associazione con l'insorgenza e la progressione della SM.
5Analisi metagenomica di campioni clinici e ambientali
Il fulcro concettuale della Metagenomica sta nel rappresentare un qualunque ambiente biologico come singola entità genetica che costituisce, appunto, il suo metagenoma. A quest’ultimo contribuiscono, teoricamente, i genomi di tutti gli organismi residenti che interagiscono tra loro in una fitta e dinamica rete metabolica. L’approccio metagenomico prevede l’estrazione diretta e l’analisi, spesso supportata dalle piattaforme di sequenziamento massivo e di indagine bioinformatica avanzata, di tutto il materiale genetico presente in un determinato campione ambientale. Ciò rende tale approccio particolarmente fertile nello studio delle comunità microbiche in quanto permette di superare le barriere dei metodi classici basati sull’isolamento e la messa in coltura della singola specie. Infatti, la caratterizzazione tassonomica e genetico-funzionale del microbioma ambientale rappresenta l’obiettivo primario degli studi di metagenomica svolti nei nostri laboratori, in particolare su campioni agroalimentari, come quelli provenienti dalla filiera vitivinicola, clinici, come l’intestino umano, e naturali, come il sedimento antartico.