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Neurobiologia

Le attività di ricerca sono focalizzate sullo studio della morfologia, fisiologia, genetica, immunologia, patologia e farmacologia del sistema nervoso a livello molecolare, cellulare e di sistema e sull’individuazione di targets biologici per lo sviluppo di strategie innovative per contrastare le patologie neurodegenerative.

Ambiti e principali linee di ricerca:

NEUROFARMACOLOGIA - Responsabili: Prof.ssa Daniela Curti, Prof.ssa Maurizia Dossena, Prof.ssa Ornella Pastoris, Prof. Roberto F. Villa

Collaboratori: Sara Arnica (borsista), A. Buzzella (borsista), Barbara Balestra (tecnico laureato), Daniela Buonocore (assegnista), Federica Ferrari (frequentatore volontario), Silvia Molino (dottorando), Manuela Verri (tecnico laureato).

(i) Studio del ruolo del recettore sigma-1 (S1R), sue isoforme e stato di oligomerizzazione nei meccanismi di morte motoneuronale
I recettori S1R sono ubiquitari, ma particolarmente presenti nei motoneuroni dove sono localizzati sulle membrane del reticolo endoplasmatico (RE) associate ai mitocondri ed in cisterne del RE presenti alle densità post-snaptiche delle terminazioni C. Il ruolo fisiologico e di potenziale bersaglio terapeutico dell’enigmatico recettore S1R verrà studiato in modelli cellulari ed animali di patologie motoneuronali, come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA), in linfociti e campioni umani autoptici di pazienti affetti dalla patologia, al fine di sviluppare tools molecolari alla base di nuove strategie per contrastare la SLA.
Referente: D. Curti
Collaborazioni: M. Peviani (Harvard Medical School, Boston); C. Bendotti (IRCCS M. Negri, Milano); S. Collina (Dip. Scienze del Farmaco, UNIPV); M. Zorzetto, (IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); M. Ceroni IRCCS C. Mondino e UNIPV.

(ii) Valutazione di marker metabolici e dello stato di insulino-resistenza nelle demenze
Parametri ematici e del liquido cefalorachidiano indicativi di alterazione del metabolismo energetico cerebrale, muscolare ed epatico (profilo aminoacidico, delle acilcarnitine e metabolomico), e dello stato di insulino-resistenza vengono valutati in pazienti affetti da demenza. I dati forniranno una base per interventi terapeutici e per la riabilitazione nutrizionale e/o neurologica.
Referente: M. Dossena
Collaborazioni: A. Costa (IRCCS “C. Mondino”, Pavia); A. Navarra (IRCCS, S. Maugeri Pavia, Servizio di Medicina di Laboratorio); M. Daglia (Dip. Scienze del Farmaco, UNIPV); L. Mannina (Dip. Chimica e Tecnologie del Farmaco, Università Sapienza di Roma); B. Solerte (Dip. Medicina Interna e Terapia Medica – IDR S. Margherita, Pavia).

(iii) Correlazione tra stress ossidativo e citotossicità nella progressione dell’Anoressia Nervosa (AN): nuovi approcci biochimici e morfologici
Determinazione della citotossicità indotta da lipoproteine alterate e da ormoni presenti in quantità/attività modificata nel sangue di pazienti con disturbi alimentari su linee cellulari neurali. Valutazione dei meccanismi molecolari di danno a carico del SNC.
Referenti: M. Dossena, MG Bottone
Collaborazionii: U. Balottin (IRCCS C. Mondino, Pavia)

(iv) Neurobiopatologia e neurofarmacologia gastrointestinale
Caratterizzazione delle vie neuronali e dei recettori coinvolti nell’insorgenza e regolazione della propulsione intestinale in condizioni sia fisiologiche che nella malattia di Parkinson. Viene studiato sia l’aspetto funzionale, valutando il controllo neuronale e la sua modulazione da parte di neurotrasmettitori della motilità intestinale, sia l’aspetto molecolare mediante la valutazione dell’attivazione gliale e della composizione del microbiota intestinale.
Referente: O. Pastoris
Collaborazioni: F. Blandini (Laboratorio di Neurochimica Funzionale, IRCCS Istituto Neurologico “C. Mondino”, Pavia ).

(v) Proteomica Funzionale e Metabolomica dei processi enzimatici bioenergetici
L’argomento fondamentale di ricerca riguarda la valutazione delle interazioni molecolari dei farmaci con i recettori pre- e post- sinaptici e della loro capacità di interagire, in vivo, sulla Bioenergetica Cerebrale, per lo studio della Fisiopatologia, Farmacologia e Terapia delle principali Patologie del Sistema Nervoso Centrale di interesse neurologico e psichiatrico, secondo la classificazione dell’Organizzazione Mondiale della Sanità.
Referente R.F.Villa.
Le collaborazioni nazionali ed internazionali ed i risultati della ricerca scientifica svolta, sono indicati rispettivamente nel Curriculum Vitae ed Elenco delle Pubblicazioni del Prof. Villa, cui si rimanda.

NEUROFISIOLOGIA CELLULARE ED INTEGRATA - Responsabili: Prof. Mauro Toselli, Prof. Gerardo Biella, Prof.ssa Paola Rossi, Prof. Franco Tanzi, Prof.ssa Laura Botta, Prof. Francesco Moccia

Collaboratori:Elisabetta Cesana (borsista postdoc), Claudia Maniezzi (dottoranda), Luigi Salvioli (dottorando), Francesca Talpo (borsista postdoc)

(i) Azioni dell’ossitocina nel sistema nervoso centrale
L’ossitocina, ormone sintetizzato a livello ipotalamico, agisce sia a livello periferico che centrale regolando diverse funzioni comportamentali. Recentemente è stata ipotizzata una correlazione tra il sistema ossitoninergico e l’autismo. I recettori per l’ossitocina sono ampiamente distribuiti nell’ippocampo, e diversi studi elettrofisiologici sono stati eseguiti su roditori per identificare i circuiti ippocampali ossitocinergici e per comprendere i meccanismi modulatori esercitati dal neuropeptide in quest’area. Ne è emerso che l’ossitocina facilita la trasmissione inibitoria nell’area CA1 dell’ippocampo, aumentando la frequenza di scarica di una classe di interneuroni GABAergici connessi sinapticamente alle cellule piramidali. Tuttavia, il meccanismo attraverso cui l’ossitocina aumenta la frequenza di scarica dei neuroni inibitori non è stato ancora identificato, né è noto come tale aumento si ripercuota sull’eccitabilità dei neuroni piramidali. Inoltre non sono noti i meccanismi attraverso cui l’ossitocina è in grado di migliorare la sintomatologia della malattia autistica. Il nostro studio è focalizzato sulla caratterizzazione della neuromodulazione operata dall’ossitocina sull’ippocampo di topo, cercando di colmare le lacune nelle conoscenze attuali.
Referenti: M. Toselli, G. Biella
Collaborazioni: B. Chini, Istituto di Neuroscienze – CNR, Milano; M. Parenti, Dip. Medicina Sperimentale Università di Milano Bicocca, Milano.

(ii) Analisi dell’attività sinaptica in modelli animali di Malattia di Huntington (HD)
HD è una patologia neurodegenerativa causata da una mutazione autosomica dominante nel gene IT-15 che codifica per la proteina huntingtina (Htt). Il ruolo di Htt è tuttora sconosciuto. La proteina è ubiquitaria, essenziale per l’embriogenesi, lo sviluppo e la sopravvivenza neuronale, ed è coinvolta anche nell’attività sinaptica. L’espansione della tripletta CAG nell’esone 1 del gene IT-15 (> 36 ripetizioni) genera una forma mutata dell’Htt (mHtt) che è tossica per i neuroni e causa ampia perdita di neuroni cerebrali, specialmente a livello corticale e striatale. mHtt determina, oltre alla morte neuronale nell’ultimo stadio della malattia, anche alterazioni progressive nella morfologia, eccitabilità, e proprietà sinaptiche dei neuroni piramidali corticali (CPNs) e dei neuroni spinosi medi (MSNs). Pertanto, i primi sintomi comportamentali e cognitivi dell’HD precedono la morte neuronale piuttosto che esserne una conseguenza. Il disaccoppiamento della connettività e della plasticità a livello delle sinapsi CPN/MSN e l’eccitotossicità, principalmente mediata da alterazioni dei recettori NMDA, sembrano cruciali nella patogenesi e nella progressione dell’HD. Utilizzando approcci multidisciplinari (comportamentali, elettrofisiologici etc.), intendiamo analizzare il progressivo disaccoppiamento delle sinapsi corticostriatali eccitatorie in modelli murini knock-in di HD, sia nello stadio pre-sintomatico sia negli stadi sintomatici della malattia.
Referenti: M. Toselli, G. Biella

(iii) Valutazione funzionale di neuroni spinosi medi dello striato differenziati da cellule staminali embrionali e riprogrammate da fibroblasti di pazienti con la malattia di Huntington
Questo progetto di ricerca si incentra sulla caratterizzazione funzionale di una classe specifica di neuroni striatali, i neuroni spinosi medi (MSN). Tramite uno specifico protocollo di differenziamento da cellule staminali embrionali umane (hES, linea H9), si otterrano colture 2D o 3D di MSN. In alcune linee esposte anche ad una sovra-espressione indotta di fattori quali GSX2 e EBF1 per migliorarne la resa e la qualità. Inoltre, nota la devastante degenerazione dei MSN nella malattia di Huntington, il nostro interesse si è rivolto anche alla caratterizzazione elettrofisiologica di neuroni striatali differenziati a partire da staminali pluripotenti indotte (hiPS), derivate da fibroblasti di soggetti sani e malati. In questo modo, è possibile modellizzare in vitro la malattia di Huntington e fornire un contributo rilevante alla comprensione dei molteplici e ancora sconosciuti meccanismi molecolari alla base della neurodegenerazione. Inoltre le indagini fisiologiche contribuiranno a consolidare il protocollo di differenziamento cellulare, al fine di generare in vitro MSN autentici ed utilizzabili nella terapia cellulare, che ad oggi sembra essere un’ottima candidata per la cura delle malattie neurodegenerative.
Referenti: M. Toselli, G. Biella
Collaborazioni: E. Cattaneo, Dip. Bioscienze, UNIMI, Milano; M. Onorati , Dept. Neurobiology, Yale School of Medicine, New Haven, Connecticut, USA.

(iv) Meccanismi e neuromodulazione dell’eccitabilità di membrana nei neuroni delle cortecce paraippocampali e dei neuroni della corteccia peririnale
Le cortecce paraippocampali (PHCs) stabiliscono interazioni sinaptiche bidirezionali con l’ippocampo che sono di fondamentale importanza per le funzioni di memoria e di orientamento spaziale proprie del sistema di memoria del lobo temporale mediale. Questo progetto è focalizzato sullo studio dei meccanismi che governano le proprietà eccitabili intrinseche dei neuroni delle PHCs, delle loro implicazioni funzionali per quanto riguarda le comunicazioni fra la regione paraippocampale e l’ippocampo, e dei sistemi neuromodulatori che li controllano. In particolare vengono studiati: 1) i meccanismi intrinseci di membrana che determinano le specifiche proprietà di scarica dei neuroni della corteccia entorinale mediale (mEC); 2) la risonanza di membrana, i sottostanti meccanismi, e le relative implicazioni funzionali, nei neuroni della mEC e della corteccia peririnale (PRC); 3) i meccanismi di regolazione tramite i quali la PRC è in grado di operare la sua caratteristica funzione di selezione dei segnali in ingresso diretti verso l’ippocampo attraverso la mEC, per intervento di un complesso network intrinseco, che coinvolge sia le cellule piramidali di proiezione, sia numerose classi di interneuroni GABAergici che generano un’inibizione locale sui neuroni piramidali; 4) se e in che modo numerosi sistemi neuromodulatori fisiologici, come quelli che fanno capo all’acetilcolina, alla dopamina, alla noradrenalina, etc.) influenzino le sopra menzionate proprietà dei singoli neuroni e dei circuiti locali.
Referenti: M. Toselli, G. Biella

(v) Ruolo dei segnali di Ca2+ endoteliali nell’accoppiamento neurovascolare
L’accoppiamento neurovascolare è il meccanismo mediante il quale il flusso sanguigno cerebrale aumenta o diminuisce in risposta a corrispondenti variazioni dell’attività neurale. L’ipotesi più accreditata attribuisce esclusivamente ai neuroni e agli astrociti la capacità di rilasciare mediatori vasoattivi in risposta all’attività sinaptica. Questo progetto di ricerca sta esaminando per la prima volta la capacità dell’endotelio cerebrale di rilevare direttamente il rilascio sinaptico di neurotrasmettitori. La nostra attenzione si sta focalizzando sulla sensibilità delle cellule bEND.5, un modello ampiamente validato per lo studio dell’endotelio cerebrale, ai neurotrasmettitori glutammato e acetilcolina e al neuropeptide catestatina. Nello specifico, il presente progetto si propone di: 1) studiare i meccanismi responsabili della genesi delle oscillazioni intracellulari di Ca2+ che insorgono in seguito a stimolazione con i tre agonisti sopra citati; 2) verificare se e come tali oscillazioni di Ca2+ inducano la sintesi di monossido d’azoto (NO), il principale agente vasodilatatore del cervello; e 3) indagare se l’NO rilasciato dalle cellule endoteliali cerebrali possa agire non solo sul tono vasale, ma anche sull’attività sinaptica.
Referente: F. Moccia
Collaborazioni: T. Angelone, Università della Calabria, Cosenza; E. D’Angelo, Dip. Scienze del Cervello e del Sistema Nervoso, UNIPV; S. Dragoni, University College London, London; G. Guerra, Università del Molise, Campobasso; D. Lim, Università del Piemonte Orientale, Novara.

(vi) Studio degli effetti dell’integrazione orale con il fungo medicinal Hericium erinaceus (Lion’s mane) sulla neurogenesi e sulle funzioni cognitive in topi wild-type
Hericium (Bull.) Pers. è un fungo medicinale in grado di modulare il sistema immunitario e di migliorare le funzioni cognitive nell’uomo. Sono stati condotti negli ultimo 10 anni numerosi studi in vitro e in vivo per studiarne gli effetti dopo somministrazione orale. Sull’uomo, in particolare, i dati presenti nella letteratura scientifica descrivonono un effetto neuroprotettivo sull’ictus ed effetti di parziale recupero cognitivo in patologie neurodegenerative, quali la demenza e l’Alzheimer. In un modello murino di topo indotto farmacologicamente allo sviluppo di Alzheimer, l’integrazione alimentare con H. erinaceus previene la compromissione della memoria spaziale a breve termine e della memoria di riconoscimento visiva. Non esistono dati di letteratura relativi ad animali wild-type.
Questa linea di ricerca studia gli effetti della somministrazione orale del micoterapico in topi wild-type. Si affrontano, in particolare, due aspetti: la capacità di migliorare alcune performance cognitive legate alla memoria e gli effetti sulla neurogenesi a livello ippocampale.
Vengono utilizzate metodiche di patch-clamp in fettine ippocampali e studi di comportamento animale in vivo.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; A. Gregori, MycoMedica d.o.o., Kranjska Gora, Slovenia; G. Orrù, Dip. Scienze Chirurgiche, Università di Cagliari; M.L. Guglielminetti, M.Rodolfi ed E. Savino, Dip. della Terra e dell’Ambiente, UNIPV.

(vii) Studio delle modificazioni plastiche fenotipiche e della rete neurale olfattiva in uova ed embrioni di girini sottoposti a segnali di predazione
La plasticità fenotipica è la capacità degli organismi di modificare il proprio fenotipo in relazione a cambiamenti ambientali. In particolare, viene studiata l’interazione predatore-preda sottoponendo le uova e le larve di girini a diversi segnali chimici prodotti da differenti predatori (specifici, aspecifici, autoctono e non autoctoni) e studiando le conseguenti variazioni fenotipiche e le modifiche di risposta delle cellule mitrali del sistema olfattivo. Vengono studiati i meccanismi fisiologici alla base di tali variazioni nel tentativo di comprendere come le informazioni contenute nei segnali prodotti dai predatori (cairomoni) vengano codificati ai vari livelli del sistema sensoriale delle prede.
Lo studio prevede l’utilizzo della metodica di patch-clamp sul sistema olfattivo (cellule mitrali) dei girini in vivo e la registrazione delle modifiche di comportamento dei girini.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: P. Galeotti e A. Gazzola, Dip. della Terra e dell’Ambiente, UNIPV; F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; D. Rubolini, Dip. Bioscienze, Università di Milano.

(viii) Espressione delle correnti di potassio inward-rectifier nel verme e negli emisferi cerebellari di topo
Le correnti di potassio inward rectifier accoppiate alle G-proteine (GIRK) svolgono un ruolo cruciale durante la migrazione e la maturazione delle cellule dei granuli cerebellari nel verme cerebellare. A dimostrazione di ciò il modello di topo weaver, che presenta una mutazione puntiforme spontanea di un canale GIRK2, presenta profonde alterazioni motorie con un quadro di grave atassia cerebellare. Negli emisferi cerebellari, tuttavia, l’ontogenesi delle correnti durante la migrazione e il differenziamento dei granuli cerebellari, presenta un quadro completamente differente. Questa linea di ricerca analizza le differenze regionali nello sviluppo ontogenetico delle correnti voltaggio-dipendenti.
Lo studio prevede l’utilizzo della metodica di patch-clamp in fettine di cervelletto di topo e misure di immunoistochimica con anticorpi specifici.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: U. Gerber e F. Brandalise, Brain Research Institute, University of Zurich; R. Lujan, Instituto de Investigaciónen Discapacidades Neurológicas (IDINE), Dept. Ciencias Médicas, Facultad de Medicina, Universidad Castilla-La Mancha, Albacete, Spain.

NEUROMORFOLOGIA E NEUROGENETICA - Responsabili: Prof.ssa Maria Grazia Bottone, Prof. Sergio Comincini, Prof.ssa Rosanna Nano

Collaboratori: Violetta Insolia (dottoranda), Irene Masiello (dottoranda).

(i) Studio dello sviluppo del sistema nervoso centrale di topi con deficienza di prolidasi: alterazioni neuroarchitetturali ed istochimiche
Il gene prolidasi (PEPD) codifica per l’unica imminodipeptidase Mn(II) dipendente, responsabile dell’idrolisi di dipeptidi contenenti prolina o idrossiprolina al C-terminale. Mutazioni di PEPD causano la deficienza di prolidasi (PD), una malattia rara, autosomica recessive caratterizzata da ridotta o assente attività prolidasica ed un ampio spettro di fenotipi: manifestazioni dermatologiche, suscettibilità ad infezioni respiratorie ricorrenti e diversi gradi di ritardo mentale. La correlazione tra PD ed alterazioni neuroarchitetturali ed istochimiche a carico del cervelletto, ippocampo e corteccia cerebrale, viene studiata in un modello murino di PD: dark-like mutant (dal). In particolare nei tre diversi genotipi murini (wt, dal/+ e dal/dal) saranno valutati disorganizzazione della membrana basale delle meningi, alterazioni nei processi di migrazione e differenziamento neuronale, sbilanciamento del rapporto tra proliferazione e morte cellulare, compromissione dei principali sistemi di neurotrasmissione, neurodegenerazione ed angiogenesi. Lo studio viene condotto con tecniche morfologiche, istochimiche e microscopiche e con Western Blotting per un’analisi quantitativa.
Referente: M.G. Bottone
Collaborazioni: M. Biggioggera (Dip. Biologia e Biotecnologie L. Spallanzani UNIPV; A. Forlino (Dip. Medicina Molecolare, UNIPV).

(ii) Sviluppo di protocolli preclinici antitumorali negli astrocitomi umani

Finanziamenti: FAR; ATEC/Skytec srl; Fondazione Celeghin (2018-2020)

Principali tecniche impiegate: colture cellulari e trasfezione; isolamento, caratterizzazione e modificazione di esosomi; immunoblotting, immunofluorescenza; Real-time PCR; citofluorimetria a flusso; saggi funzionali Identificazione di biomarkers di ausilio alla diagnosi istopatologica e importanti nella stratificazione dei pazienti (molecular subtyping) e per, in generale, approcci di medina personalizzata; whole exome sequencing, RNAseq; isolamento, caratterizzazione e modificazione di vescicole esosomiali

Sviluppo di protocolli preclinici per indurre processi di morte cellulare programmata mediante attivazione del processo autofagico. Studi a carattere di medicina traslazionale con sviluppo di protocolli sperimentali preclinici terapeutici adiuvanti al trattamento con chemoterapici o con radioterapia. Attualmente si sta cercando di sviluppare un sistema carrier basato sull`impiego di esosomi tumorali allogenici arricchiti con molecole in grado di interferire favorevolmente con i processi di morte cellulare programmata in cellule staminali di glioblastoma umano.

Referente: S. Comincini
Collaborazioni: T. Florio (Dip. Medicina Interna e Specialità Mediche, Università di Genova; G. Fossati (ITALFARMACO spa, Milano); M. Biggiogera, F. Moccia, G.F. Guidetti, Dip. Biologia e Biotecnologie, UNIPV).

(iii) Studi di neurogenetica comportamentale
La ricerca è indirizzata all’identificazione di nuovi determinanti genetici legati al disturbo neurologico della prosopagnosia, un deficit percettivo acquisito o congenito del sistema nervoso centrale. Gli individui affetti non sono in grado di riconoscere i volti delle persone, anche dei familiari stessi e sono incapaci di eseguire con successo giudizi tipo simile/dissimile, quando vengono loro presentate immagini di volti diversi Referente: S. Comincini
Collaborazioni: Z. Cattaneo (Dip. Psicologia, Università Bicocca di Milano).

(iv) Studio sperimentale di nuovi traccianti radioisotopici nei tumori gliali maligni e studio delle cellule del sistema nervoso centrale in condizioni normali e patologiche
La diagnostica differenziale tra recidiva tumorale (gliomi e metastasi cerebrali) e fenomeni di radionecrosi (RN), riveste un ruolo importante sia da un punto di vista prognostico che terapeutico. Nonostante i considerevoli progressi tecnologici delle attuali metodiche di imaging (PET-TC, RM,..) non è ancora possibile una diagnosi accurata per distinguere aree in attiva proliferazione neoplastica da aree di tipo necrotico o di neuro-infiammazione. La nostra ricerca attuale riguarda lo studio dell’uptake in vitro di nuovi radiofarmaci (18F-FCH, 18F- FET) specifici per distinguere gliomi a basso ed alto grado. Come modello sperimentale vengono utilizzate varie linee umane di glioblastoma (T98G, U251, U87) nel tentativo di mimare la situazione in vivo.
Referente: R. Nano
Collaborazioni: L. Lodola, M. Persico, F. Buroni (S.C. Medicina Nucleare, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); F. Corbella, F. Pasi (S.C. Radioterapia Oncologica, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia); A. Facoetti, C. Aprile (Fondazione CNAO, Pavia); Giombelli E. (Divisione Neurochirurgia, Ospedale di Parma); A. Messina (Div. Neurochirurgia, Ospedale di Sondalo); E. Benericetti (Div. Neurochirurgia, Maria Cecilia Hospital GVM, Cotignola, BO).

ECLT – European Centre for Law Science and New Technologies

L’ECLT (European Centre for Law Science and New Technologies) è un centro di ricerca interdipartimentale dell’Università degli Studi di Pavia, nato nel 2004 dalla collaborazione di accademici scienziati e giuristi.

http://www.unipv-lawtech.eu/home.html

Il centro è diretto dal 2006 dalla Prof.ssa Silvia Garagna del nostro Dipartimento.


Atti relativi alle procedure di acquisto ECLT

Farmacologia e Tossicologia

Responsabili:Daniela Curti, Maurizia Dossena, Ornella Pastoris, Roberto Federico Villa
Collaboratori:Sara Arnica, Alice Buzzella, Barbara Balestra, Daniela Buonocore, Federica Ferrari, Silvia Molino, Manuela Verri.

Linee di ricerca principali:

NEUROFARMACOLOGIA. Referenti: Prof. Daniela Curti, Prof. Maurizia Dossena, Prof. Ornella Pastoris, Prof. Roberto Federico Villa
FARMACOBIOCHIMICA E TOSSICOLOGIA - Referente: O. Pastoris
(i) Identificazione di nuovi farmaci antitumorali.
Disegno razionale e valutazione dell’efficacia in vitro ed in vivo di molecole di nuova sintesi, attive sui recettori Sigma- 1 e Sigma- 2 monomerici e dimerici al fine di identificare ed ottimizzare molecole ad attività antitumorale.
Collaborazioni: S. Collina e M. Paolillo (Dip. Scienze del Farmaco, UNIPV)
referente: D. Curti

(ii) Prevenzione della neuropatia periferica causata da oxaliplatino.
Studio di fase II randomizzato mirato alla prevenzione della neuropatia periferica causata da oxaliplatino, antineoplastico usato nella terapia standard in pazienti affetti da carcinoma del colon-retto. Valutazione dell’efficacia della supplementazione dei pazienti con superossido dismutasi e vitamina E nel ridurre le complicanze neurologiche a carico del sistema nervoso periferico. Parallelamente al monitoraggio nel tempo dello stato ossidativo dei pazienti reclutati, verrà tracciato il profilo biochimico utilizzando indagini di tipo metabolomico, in modo da individuare le molecole realmente coinvolte nel processo di induzione e conseguente sviluppo di neuropatia periferica.
Collaborazioni: S. Brugnatelli (S.C. Oncologia, Fondazione I.R.C.C.S. Policlinico San Matteo, Pavia); J.A. Rufián Henares (Dept. Nutrition and Bromatology, University of Granada, Spain
Referente: M. Dossena

(iii) Valutazioni in vitro della tossicità, delle proprietà antiossidanti, antiradicaliche antinfiammatorie, immunomodulanti e della biodisponibilità di bioactive compounds estratti da frutta, vegetali e microalghe.
In particolare vengono studiati: 1) il contenuto di naringenina, naringina ed altri polifenoli nell’estratto di scorza, bianco, polpa e succo di pompelmo; 2) composti estratti da scarti ortofrutticoli e microalghe come Scenedesmus e Aphanizomenon flos-aquae (chiamata anche Alga Klamath, AFA). Quest’ultima è un cianobatterio della classe delle Cyanophyceae, caratterizzata da un profilo nutrizionale unico e dal contenere in specifiche molecole immunomodulanti, antinfiammatorie e antiossidanti.
Collaborazioni: J. Á. Rufián Henares (Dept. Nutrition and Bromatology, University of Granada, Spain; AOP Unolombardia sacpa e Regione Lombardia
Referente: M. Dossena

(iv) Metabolismo ed esercizio fisico.
Il metabolismo basale è l’energia minima necessaria per garantire le funzioni vitali. Durante l’esercizio fisico, il metabolismo aumenta in modo significativo e rimane elevato per diverse ore dopo la fine del training (fino a 12 ore). L’esercizio fisico influenza il metabolismo muscolare indirettamente attraverso una maggiore secrezione di ormoni anabolici con conseguente accumulo di massa muscolare. Tuttavia, gli atleti, rispetto ai sedentari, sono continuamente sottoposti a stress psicofisici che aumentano il rilascio di cortisolo, di radicali liberi e l’incidenza di danni muscolari, tendinei e legamentosi. Nel nostro studio sono esaminati: 1) spesa energetica associata a vari tipi di attività fisica; 2) concentrazioni, nella saliva e nel sangue, di markers legati all’attività fisica o sportiva (e.g. cortisolo, testosterone, ormone della crescita, citochine infiammatorie, ROS); 3) effetti di integratori alimentari e sport foods sulla performance fisica ed il recupero muscolare post-esercizio; 4) variazione della composizione corporea indotta dalla modulazione della dieta (cambiamenti nel rapporto tra macronutrienti e carico glicemico).
Collaborazioni: G. D’Antona, M. Negro (Centro di Medicina dello Sport Voghera, UNIPV); I. Fabbri (FIT e MOTOGPTM)
Referente: M. Dossena

(v) Neurobiopatologia gastrointestinale.
Caratterizzazione delle vie neuronali e dei recettori coinvolti nell’insorgenza e regolazione della propulsione intestinale in condizioni sia fisiologiche che patologiche. In particolare viene studiato sia l’aspetto funzionale valutando il controllo neuronale e la sua modulazione da parte di neurotrasmettitori nella motilità gastrintestinale, sia l’aspetto molecolare mediante lo studio del controllo dell’espressione genica con l’analisi dei miRNA, l’analisi farmacogenetica e l’influenza del microbiota intestinale nelle principali patologie gastrointestinali quali la Celiachia e la Sindrome dell’Intestino Irritabile. Vengono affrontati anche temi riguandanti la fisiopatologia del muscolo scheletrico in particolare nella Sindrome Maligna da Neurolettici.
Collaborazioni: Unità di Medicina Interna e Gastroenterologia, Dip. Medicina Interna e Terapia medica UNIPV, Fondazione IRCCS Policlinico San Matteo Unità di Medicina Interna Dip. di Scienze Mediche e Chirurgiche, Università di Bologna, Policlinico S. Orsola-Malpighi; Laboratorio di Tossicologia Clinica e Sperimentale, Centro Antiveleni – IRCCS Fondazione Salvatore Maugeri, Pavia

Nanovettori tracciabili tramite MRI/PET per studiare e modulare le risposte neuroinfiammatorie nelle patologie neurodegenerative - Referente: Prof. M. Peviani

La neuroinfiammazione e’ un marcatore specifico di patologia che si manifesta in concomitanza col danno neuronale in diverse patologie neurodegenerative. Benche’ i neuroni siano la popolazione cellulare primariamente affetta da queste malattie, diverse evidenze suggeriscono che le risposte neuroinfiammatorie possano partecipare attivamente alla patologia e influenzino il processo neurodegenerativo.

Il nostro laboratorio impiega tecniche di analisi trascrittomica e funzionale a singola cellula e innovative piattaforme selettive (basate su nanoparticelle polimeriche tracciabili tramite MRI/PET o su vettori virali AAV ricombinanti) con l’obiettivo di ottenere una migliore comprensione delle complesse risposte gliali durante il processo neurodegenerativo e per sviluppare approcci farmacologici o di trasduzione genica innovativi, in grado di modificare specifici sottotipi cellulari in modo selettivo.

Collaboratori: Hildegard Buning (Hannover Medical School, Hannover); Nilo Riva (Istituto San Raffaele, Milano); Danilo Pellin (Dana-Farber/Boston Children’s Cancer and Blood Disorders Center, Boston); Alessandra Biffi (Universita’ di Padova; Harvard Medical School, Boston); Letterio Salvatore Politi (Istituto Humanitas, Milano; Boston Children’s hospital); Andrea Protti (Lurie Family Imaging Center, Dana-Farber Cancer Institute, Boston); Daniela Curti (Universita’ di Pavia).

Tema Strategico di Ateneo: verso una governance del fenomeno migratorio

Il DBB partecipa al Tema Strategico di Ateneo “Verso una governance per le migrazioni internazionali: una prospettiva interdisciplinare e diacronica” con numerosi docenti che fanno capo a tre delle diciotto unità di ricerca, Genomica di Popolazioni Umane, Genomica dei Microorganismi, Genomica di Vettori di Patogeni.

Per una descrizione completa del progetto si veda la pagina web dedicata ⇒

Biologia cellulare e biochimica del sistema vascolare e respiratorio

Biochimica delle piastrine - Responsabile: Prof. Mauro Torti, Prof. Gianni Guidetti, Prof. Ilaria Canobbio
Laboratorio di Biochimica delle piastrine
Dipartimento di Biologia e Biotecnologie – Laboratori di Biochimica
Cascina Cravino (I piano) – via Bassi 21, 27100 Pavia, Italy

Gruppo di ricerca: Mauro Torti (professore ordinario), Ilaria Canobbio (professore associato), Gianni Guidetti (ricercatore), Caterina Visconte (postdoc), Jessica Canino (dottoranda), Mauro Vismara (dottorando),

Nel nostro laboratorio vengono studiati gli eventi biochimici coinvolti nell’attivazione delle piastrine al fine di chiarirne i meccanismi di controllo. Le piastrine svolgono un ruolo cruciale nell’emostasi, nella trombosi e in numerosi fenomeni fisiopatologici, tra cui i processi infiammatori, le malattie neurodegenerative e la metastasi dei tumori. Lo studio del coinvolgimento delle piastrine in questi eventi rappresenta una promettente area di ricerca in grado di aprire nuovi scenari in ambito biomedico.

Studio dei meccanismi di trasduzione del segnale nelle piastrine nel contesto dell’emostasi e della trombosi

La conoscenza approfondita dei meccanismi di trasduzione del segnale che mediano l’attivazione piastrinica è essenziale per identificare nuovi bersagli farmacologici per le patologie trombotiche, le quali rappresentano la principale causa di mortalità ed invalidità nei Paesi industrializzati. In questo contesto, il nostro gruppo di ricerca si occupa di investigare i seguenti aspetti fondamentali:

  • ruolo delle tirosin chinasi (Src, Syk, Pyk2, FAK) e dei processi di fosforilazione in tirosina nell’adesione, attivazione ed aggregazione piastrinica
  • contributo delle diverse isoforme dell’enzima fosfatidilinositolo 3-chinasi (PI3K) nell’attivazione piastrinica e caratterizzazione della regolazione di questi enzimi
  • processi di trasduzione del segnale innescati dall’adesione piastrinica mediata da integrine, recettori accoppiati a proteine G e recettori contenenti domini ITAM

meccanismi dell’attivazione piastrinica indotta da nanoparticelle di origine ambientale o sviluppate per applicazioni industriali e biomediche.

Analisi del metabolismo e della funzione della proteina precursore di amiloide (APP) e del peptide Ab amiloide nelle piastrine: una connessione tra emostasi, trombosi e malattia di Alzheimer.

La malattia di Alzheimer è correlata all’accumulo di peptidi amiloidi nel cervello e nei vasi cerebrali. I peptidi amiloidi derivano dal metabolismo della proteina precursore di amiloide (APP). Le piastrine esprimono APP e, quando attivate, rilasciano nel plasma peptidi Ab amiloidi. Nel nostro laboratorio ci occupiamo di:

  • studiare l’effetto dell’accumulo dei peptidi amiloidi nella circolazione periferica. Abbiamo dimostrato che i peptidi amiloidi sono in grado di attivare le piastrine e di promuovere uno stato di infiammazione cronica. Stiamo ora investigando il ruolo dei peptidi amiloidi nella formazione dei ROS nelle piastrine.
  • in collaborazione con il prof. Pula, dell’Università di Exeter (UK) ci stiamo occupando di definire l’effetto dei peptidi sull’attivazione delle cellule del sistema immunitario, in particolare neutrofili, e sulle cellule endoteliali.
  • studiare il ruolo della proteina precursore di amiloide APP nella fisiopatologia delle piastrine, nell’emostasi e nella trombosi.

Studio del ruolo delle piastrine e delle microparticelle rilasciate dalle piastrine nella metastasi.

La metastasi è fortemente influenzata dalle interazioni che possono avere luogo tra le cellule tumorali e l’organismo ospite. In questo contesto è stato dimostrato che le piastrine sono componenti essenziali del processo metastatico e che la loro deplezione, in pazienti trombocitopenici o in modelli animali, limita la diffusione del tumore. Questo suggerisce che anche il controllo farmacologico dell’attivazione delle piastrine possa rappresentare un’arma terapeutica per bloccare o contenere la diffusione metastatica.

L’obiettivo del nostro studio è la comprensione degli aspetti molecolari alla base del contributo delle piastrine nella metastasi. In particolare, la nostra attenzione è focalizzata sul ruolo delle microparticelle rilasciate dalle piastrine (platelet-derived microparticles, PMPs). Le PMPs sono vescicole rilasciate dalle piastrine in seguito ad attivazione e rappresentano importanti trasportatori di segnali biologici in grado di modulare l’attività di cellule bersaglio. Con questa linea di ricerca ci proponiamo di:

  • analizzare la capacità della PMPs di alterare il potenziale metastatico delle cellule tumorali
  • studiare i meccanismi molecolari alla base dell’attività prometastatica delle PMPs
  • effettuare un’analisi comparativa dell’effetto di diversi trattamenti farmacologici sull’attività prometastatica delle piastrine e delle PMPs
  • valutare gli effetti prometastatici delle PMPs in vivo in modelli animali.

Principali collaborazioni del gruppo di ricerca

  • Mitsuhiko Okigaki (Department of Cardiovascular Medicine,Kyoto Prefectural University of Medicine, Kyoto, Japan )
  • Emilio Hirsch (MBC, Università di Torino)
  • Maria Enrica Tira (Dipartimento di Biologia e Biotecnologie, Università degli Studi di Pavia)
  • Giampaolo Minetti (Dipartimento di Biologia e Biotecnologie, Università degli Studi di Pavia)
  • Carlo Balduini, Patrizia Noris, Alessandro Pecci (Clinica Medica, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia)
  • Barbara Oliviero, Stefania Mantovani (Malattie Infettive, IRCCS Policlinico San Matteo, Pavia)
  • Giordano Pula (Institute of Biomedical & Clinical Science, University of Exeter Medical School, Exeter, UK)
  • Luciaanna Stivala, Ornella Cazzalini, Paola Perucca (Dipartimento di Medicina Molecolare, Università degli Studi di Pavia)
  • Satya P. Kunapuli (Departments of Physiology and Pharmacology and Sol Sherry Thrombosis Research Center, Temple University, School of Medicine, Philadelphia, Pennsylvania
  • Federico Galvagni, Maurizio Orlandini (Dipartimento di Biotecnologie, Chimica e Farmacia, Università di Siena)

Principali tecniche e metodiche utilizzate dal gruppo di ricerca

Purificazione e analisi di cellule del sangue (piastrine e neutrofili). Isolamento e caratterizzazione di microparticelle e microvescicole piastriniche. Metodi biochimici per l’analisi delle proteine (elettroforesi, western blotting, immunoblotting, analisi in chemiluminescenza, spettrofotometria, spettrofluorimetria, citofluorimetria). Saggi di adesione cellulare in condizioni statiche e di flusso. Microscopia ottica (contrasto di fase e fluorescenza). Tecniche di biologia molecolare, estrazione DNA e RNA, PCR.

Purificazione di proteine (espressione in ospiti batterici, cromatografia a scambio ionico, cromatografia di affinità, gel filtrazione, HPLC, FPLC). Manipolazione di colture cellulari, mantenimento, trasfezione, analisi di migrazione, proliferazione, rilascio di metalloproteasi. Utilizzo di modelli animali (Mus musculus) geneticamente modificati (Pyk2KO, PI3KbKD, APPKO).

Biochimica del globulo rosso - Responsabile: Prof. Giampaolo Minetti
Collaboratori: Dr Cesare Achilli, Post-doc; Dr Annarita Ciana, Post-Doc; Anjali Gaur, Dottoranda del progetto RELEVANCE, Marie Skłodowska-Curie Innovative Training Networks, Horizon 2020.

Biochimica dei globuli rossi

La linea di ricerca principale del gruppo verte sullo studio delle membrane biologiche con particolare riferimento al modello classico di membrana cellulare, quella dell’eritrocita umano. L’interesse è nello studio delle proprietà biochimiche degli eritrociti normali, patologici, invecchiati in vivo e di quelli conservati a fini trasfusionali. Inoltre sono studiati gli eritrociti prodotti in condizioni estreme (alpinismo, microgravità) destinati ad essere eliminati secondo il meccanismo della cosiddetta neocitolisi. Quali metodi di analisi biochimici e biofisici delle componenti proteiche e lipidiche della membrana eritrocitaria sono utilizzati l’elettroforesi, il western blotting la microscopia in fluorescenza, la risonanza paramagnetica elettronica e analoghi di acidi grassi e “click chemistry” per lo studio dell’acilazione delle proteine di membrana. L’attività ha lo scopo di meglio caratterizzare la struttura e la funzione dei diversi domini di membrana, quali il membranoscheletro, i “raft” di membrana, le vescicole di membrana e le loro interazioni. Una tecnica di separazione ad alta risoluzione è impiegata in laboratorio per la separazione e la caratterizzazione di eritrociti umani di diversa età cellulare.

Metionina solfossido reduttasi

Un altro ambito di ricerca coltivato nel laboratorio è quello degli enzimi Metionina solfossido reduttasi (Msr). L’ossidazione dei residui di metionina nelle proteine spesso risulta nella perdita di attività biologica della proteina interessata. Gli enzimi Msr sono importanti sistemi di riparo di questo danno, perché riducono la metionina solfossido a metionina. La ricerca è originata dall’osservazione che l’attività Msr di neutrofili umani è principalmente efficace verso uno dei due diastereoisomeri della L-Metionina solfossido. Il sospetto che due diverse classi di enzimi Msr con opposta stereospecificità possa esistere in natura è stato confermato da molteplici studi nella letteratura successiva. Nel corso di quello studio abbiamo sviluppato e proposto un metodo di analisi dell’attività Msr che è stato adottato in seguito da molti gruppi di ricerca. I neutrofili sono cellule del sistema immunitario innato che fagocitano patogeni invasori e li neutralizzano utilizzando specie reattive dell’ossigeno (ROS). I ROS possono indurre auto-ossidazione delle strutture stesse del neutrofilo. Le Msr sono espresse a livelli elevati nei neutrofili, probabilmente perché rappresentano un efficace sistema di protezione o di riparo del danno ossidativo delle metionine, in particolare l’isoforma MsrB1 che è uno dei pochi selenoenzimi espressi nell’uomo e che è attivamente studiata in questa linea di ricerca.

Le cellule del sangue nello studio tossicologico dei nanomateriali

Una nuova linea di ricerca riguarda l’utilizzo di cellule del sangue come strumenti d’indagine delle proprietà tossicologiche delle nanoparticelle.

Proteomica/metabolomica nello studio di malattie gravi di origine differente - Responsabile: Prof. Paolo Iadarola
Vedi punto 4 della tematica di ricerca“Basi molecolari delle patologie umane”

Biologia molecolare, Citogenetica, Epigenomica

Responsabili
Elena Giulotto: Biologia Molecolare e Cellulare
Elena Raimondi: Citogenetica Molecolare
Solomon Nergadze: Epigenomica e Bioinformatica

Collaboratori
Eleonora Cappelletti (dottoranda), Marco Corbo (dottorando), Riccardo Gamba (dottorando), Francesco Gozzo (dottorando), Lela Khoriauli (assegnista), Francesca Piras (assegnista), Annalisa Roberti (dottoranda), Marco Santagostino (assegnista)

Metodi di studio
Le competenze complementari dei docenti responsabili consentono di affrontare le problematiche scientifiche descritte attraverso diversi approcci sperimentali fra cui un ampio spettro di metodiche cellulari, biomolecolari (comprese tecniche di Next Generation sequencing), citogenetiche (compresa l’analisi di singole molecole di cromatina) e bioinformatiche.

Linee di ricerca
I progetti di ricerca riguardano i meccanismi molecolari coinvolti nel mantenimento dell’integrità del genoma dei mammiferi che svolgono un ruolo fondamentale nella cancerogenesi e nell’evoluzione. Le principali strutture necessarie per il mantenimento dell’integrità strutturale e funzionale dei cromosomi sono i centromeri ed i telomeri.

Il centromero e la sua natura epigenetica
I centromeri sono essenziali per la separazione dei cromosomi durante la divisione cellulare. Sono strutture enigmatiche perché, al contrario di quanto avviene per altri loci genetici, la funzione dei centromeri non è determinata dalla sequenza di DNA, ma da fattori epigenetici. In particolare, la cromatina centromerica è peculiare per la presenza dell’istone H3 modificato, CENP-A, e di numerose proteine che costituiscono il complesso denominato CCAN (Constitutive Centromere Associated Network). Inoltre, la centrocromatina è caratterizzata da modificazioni istoniche, il cui ruolo nella funzione del centromero è controverso.

I centromeri dei mammiferi sono tipicamente associati a DNA altamente ripetuto (DNA satellite); questo tipo di organizzazione ha ostacolato l’analisi molecolare dettagliata della cromatina centromerica.

Il sistema modello degli equidi
Il nostro gruppo di ricerca ha dimostrato per la prima volta l’esistenza in natura di centromeri privi di DNA ripetuto stabili e funzionali (Wade et al Science 2009). Questi centromeri sono presenti in numerosi cromosomi del genere Equus (cavalli, asini e zebre); essi costituiscono un sistema modello innovativo per lo studio del controllo epigenetico della funzione centromerica e del suo ruolo nell’evoluzione dei cariotipi (Piras et al PLoS Genetics 2010; Purgato et al Chromosoma 2015).
E’ noto che alterazioni della segregazione cromosomica sono responsabili dell’ insorgenza di anomalie del numero cromosomico osservate nella maggior parte dei tumori.
Il sistema Equidi offre pertanto l’opportunità di investigare i meccanismi coinvolti nell’instabilità cromosomica associata allo sviluppo e progressione di molte forme di cancro.
L’assenza di DNA ripetuto al centromero di molti cromosomi equini ci offre la possibilità di studiare l’architettura della cromatina centromerica e, in particolare, del ruolo della metilazione del DNA, della trascrizione e delle modificazioni istoniche.

Collaborazioni: Kevin Sullivan (University of Galway, Ireland), Aurora Ruiz-Herrera (Universitat Autonoma de Barcelona, Spain), Giulio Pavesi (Università di Milano), Mariano Rocchi (Università di Bari), Doug Antczak (Cornell University, Ithaca New York), The Horse Genome Project, The Horse FAANG Project.

Il telomero e la sua trascrizione
I telomeri sono strutture nucleoproteiche localizzate alle estremità dei cromosomi lineari. Nei mammiferi il DNA telomerico, costituito dalla ripetizione in tandem dell’esanucleotide TTAGGG, è legato da un complesso multiproteico denominato “shelterin”. I telomeri proteggono la terminazione dei cromosomi dalla degradazione e dalla fusione con altri telomeri. Il malfunzionamento dei telomeri causa riarrangiamenti cromosomici che possono portare alla tumorigenesi. Telomeri troppo corti sono indistinguibili da rotture accidentali del DNA e causano instabilità genomica. Il nostro gruppo ha contribuito alla dimostrazione che i telomeri sono trascritti in molecole di RNA non codificante chiamate TElomeric Repeat-containing RNA (TERRA) (Azzalin et al. Science 2007). Abbiamo poi dimostrato che la trascrizione dei telomeri è finemente regolata (Nergadze et al. RNA 2009) ed è probabilmente coinvolta nel mantenimento dell’integrità dei telomeri.

Trascritti telomerici nei tumori
E’ stato dimostrato che la deregolazione della trascrizione dell’RNA telomerico è deleteria per il metabolismo dei telomeri e porta a instabilità genomica. Difetti nella regolazione dell’espressione dell’RNA telomerico potrebbero pertanto contribuire alla cancerogenesi e alla progressione tumorale. Il nostro gruppo si propone di studiare lo stato trascrizionale dei telomeri in cellule normali e tumorali. L’analisi dell’espressione dei telomeri in tessuti ottenuti da pazienti affetti da diversi tipi di tumore ci permetterà di studiare il legame tra la deregolazione della trascrizione dell’RNA telomerico, la cancerogenesi e la progressione tumorale.

Telomeri interstiziali
I telomeri interstiziali sono sequenze costituite da ripetizioni telomeriche localizzate a siti interni dei cromosomi. I nostri lavori hanno dimostrato che, nei mammiferi, i telomeri interstiziali sono stati inseriti nel corso dell’evoluzione durante la riparazione di rotture a doppio filamento ad opera della telomerasi o attraverso la cattura di molecole di DNA telomerico a doppio filamento (Nergadze et al Genome Res. 2004; Nergadze et al Genome Biol. 2007). Abbiamo recentemente dimostrato che alcuni telomeri interstiziali svolgono un ruolo nella regolazione dell’espressione genica. Il nostro gruppo si propone di analizzare l’evoluzione e la funzione dei telomeri interstiziali utilizzando metodiche molecolari, citogenetiche e bioinformatiche.

Instabilità telomerica indotta da radiazioni ionizzanti
Le radiazioni ionizzanti causano gravi lesioni alla doppia elica di DNA, dovute alla formazione di radicali liberi e a stress ossidativo. E’ noto che i telomeri sono particolarmente suscettibili ai danni indotti dalle radiazioni ionizzanti che provocano un’accelerazione del loro accorciamento.
Il nostro gruppo di ricerca si propone di identificare i fattori coinvolti nel metabolismo telomerico con particolare attenzione alla regolazione della trascrizione in risposta ai danni causati dall’esposizione a radiazioni ionizzanti.

Collaborazioni: Claus Azzalin (ETH Zurich, Switzerland), Camillo Porta (IRCCS San Matteo, Pavia), Giovanni Barosi e Vittorio Rosti (IRCCS San Matteo, Pavia), Aurora Ruiz-Herrera (Universitat Autonoma de Barcelona, Spain), Andrea Ottolenghi (Università di Pavia)

Produzione di proteine ricombinanti in cellule umane
La produzione di proteine umane ricombinanti è estremamente rilevante in diversi campi applicativi (produzione di farmaci, diagnostica) e di ricerca (studi biochimici e strutturali). Proteine ricombinanti possono essere prodotte impiegando sistemi di espressione procariotici o eucariotici. I sistemi di espressione procariotici vengono comunemente usati per la produzione su larga scala di alcuni farmaci di natura proteica, come l’insulina. Altre molecole, come per esempio l’eritropoietina, richiedono invece modificazioni post-traduzionali che possono avvenire correttamente solo in cellule di mammifero.
Abbiamo sviluppato un sistema vettore-cellula ospite che consente un’elevata efficienza produttiva rispetto ai sistemi di cellule di mammifero tradizionalmente impiegati. Con questo sistema siamo in grado di ottenere centinaia di copie di geni esogeni in linee cellulari umane con conseguente iperespressione della proteina codificata. Il sistema consente di aumentare l’efficienza produttiva rispetto ai sistemi tradizionali diminuendo quindi i costi di produzione. L’adozione di un sistema di produzione in cellule umane apre nuove prospettive per migliorare l’efficacia terapeutica dei farmaci proteici destinati all’uomo e diminuirne gli effetti collaterali. Sono in corso progetti per la costruzione di linee cellulari umane produttive di specifiche proteine di interesse farmacologico e diagnostico.

Collaborazioni: Mark Pepys (University College London), Federico Forneris (Università di Pavia), Vittorio Bellotti e Sofia Giorgetti (Università di Pavia)

Fisiologia

La Fisiologia copre un’enorme estensione di ambiti di ricerca relativi alle basi e ai meccanismi delle funzioni cellulari e sistemiche normali, con approcci tipicamente caratterizzati dall’applicazione dei più alti livelli possibili di esattezza quantitativa.

I fisiologi del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie “L. Spallanzani” sono soprattutto attivi negli ambiti della Neurofisiologia, della Fisiologia cellulare e molecolare e della Fisiologia cardiovascolare, oltre ad alcuni altri ambiti applicativi.

Responsabili: Prof. Mauro Toselli, Prof. Gerardo Biella, Prof.ssa Paola Rossi, Prof. Franco Tanzi, Prof.ssa Laura Botta, Prof. Francesco Moccia.
Collaboratori: Elisabetta Cesana (borsista postdoc), Claudia Maniezzi (dottoranda), Luigi Salvioli (dottorando),  Francesca Talpo (borsista postdoc).

Ambiti e principali linee di ricerca:

NEUROFISIOLOGIA - Referenti: Prof. Mauro Toselli, Prof. Gerardo Biella, Prof.ssa Paola Rossi, Prof. Franco Tanzi, Prof.ssa Laura Botta, Prof. Francesco Moccia
FISIOLOGIA CELLULARE E MOLECOLARE - Referente: Prof. F. Moccia
(i) Ruoli dei canali ionici nei processi tumorali
Da lungo tempo, è stato dimostrato che i canali ionici, e in particolare i canali ionici permeabili al Ca2+, sono coinvolti nella genesi dei cancer hallmark descritti da Hanahan e Weinberg, ad esempio la proliferazione incontrollata, la resistenza all’apoptosi, e metastasi. Il presente progetto di ricerca si propone di studiare il ruolo dei segnali di Ca2+ nei processi di proliferazione, resistenza all’apoptosi e migrazione in linee cellulari primarie stabilite da pazienti affetti da due diversi tipi di neoplasie, quali il carcinoma cellulare renale e il carcinoma colorettale. La nostra attenzione è, in particolare, focalizzata sulla famiglia dei canali Orai1-3 e sulla famiglia dei canali TRPC1-7.
Referente: F. Moccia
Collaborazioni: U. Laforenza, Dipartimento di Medicina Molecolare, UNIPV; D. Montagna, P. Pedrazzoli, C. Porta, IRCCS Policlinico S. Matteo, Pavia
FISIOLOGIA CARDIOVASCOLARE - Referente: Prof. F. Moccia
(i) Il ruolo dei segnali di Ca2+ nella vasculogenesi fisiologica e patologica. Studi recenti hanno dimostrato che il progesso di vasculogenesi, ovvero la formazione di vasi sanguigni de novo a partire da cellule progenitrici endoteliali (EPC) abbia luogo non solo durante lo sviluppo embionale, ma anche in concomitanza con lo switch angiogenico dei tumori solidi. Il nostro gruppo ha dimostrato per la prima volta l’importanza dei segnali di Ca2+ nell’attivazione delle EPC sane e di origine tumorale (carcinoma cellulare renale, emangioma infantile e mielofibrosi idiopatica. Il presente progetto di ricerca si propone, quindi, di: 1) continuare l’indagine sul macchinario del Ca2+ delle EPC sane per comprenderne meglio i meccanismi fisiologici di base; 2) verificare se i segnali di Ca2+ siano riarrangiati anche nelle EPC isolate da pazienti affette da carcinoma mammario; 3) indagare se e come il rimodellamento dei segnali di Ca2+ sia responsabile della resistenza delle EPC derivanti da carcinoma cellulare renale e carcinoma mammario ai farmaci chemioterapici e antiangiogenici; 3) investigare i meccanismi molecolari medianti i quali il microambiente tumorale altera il Ca2+ toolkit delle EPC. Tale progetto beneficia dell’interazione con l’IRCCS Policlinico San Matteo, che ci garantisce la continua disponibilità di EPC isolate da pazienti e da donatori sani di controllo.
Referente: F. Moccia
Collaborazioni: A. Balduini, U. Laforenza, Dipartimento di Medicina Molecolare, UNIPV; D. Lim, Università del Piemonte Orientale, Novara; G. Guerra, Università del Molise, Campobasso; M. Della Porta, Humanitas Research University, Rozzano; M. Massa, P. Pedrazzoli, C. Porta, V. Rosti, IRCCS Policlinico S. Matteo, Pavia; L. Munaron, Università di Torino
ALTRE RICERCHE APPLICATIVE - Referente: Prof. P. Rossi
(i) Attività antimicrobica e antiossidante di Pistacia Lentiscus e Lentinula edodes su biofilm linguali nell’uomo
Questo progetto di ricerca valuta la capacità antiossidante e antimicrobica su biofilm linguali nell’uomo di estratti di componenti vegetali e componenti fungine. Tra le piante si stanno studiando le proprietà dell’olio di Pistacia Lentiscus, pianta mediterranea, e tra i funghi si caratterizzano le proprietà di un estratto acquoso di Lentinula edodes. Con l’espansione del fenomeno della antibiotico-resistenza la ricerca di nuove strategie antibatteriche desta un grande interesse in ambito clinico.
L’attività prevede l’isolamento di biofilm linguali e la misura dello stress ossidativo con misure spettrofotometriche.
Referente: P. Rossi
Collaborazioni: G. Orrù, Dipartimento di Scienze Chirurgiche, Università di Cagliari; E. Savino, Dipartimento della Terra e dell’Ambiente, Università di Pavia

Genetica, Genomica e Biotecnologie Microbiche

Responsabili: Prof. Cinzia Calvio, Prof. Davide Sassera, Prof. Claudio Seppi

Collaboratori: Luca Longanesi (assegnista), Francesco Comandatore (assegnista), Stefano Gaiarsa (dottorando), Leone De Marco (dottorando), Emanuela Clementi (tecnico)

Linee di ricerca

MIGLIORAMENTO DELLA PRODUZIONE DI gamma-PGA IN Bacillus subtilis - C. Calvio, C. Seppi
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In collaborazione con P. Mustarelli del Dip. di Chimica e P. Magni Dip. di Ingegneria Industriale e dell’Informazione (Universita’ di Pavia) e con G. Mazzini (IGM-CNR, Pavia)

La spinta verso l’utilizzo di materie prime sicure, ottenute da fonti rinnovabili, è alla base dell’interesse sempre maggiore per i biopolimeri naturali. Il γ-PGA è un polimero prodotto da batteri principalmente del genere Bacillus, anionico, formato da migliaia di residui di acido glutammico, che grazie alla sua assoluta non tossicità, l’idrosolubilità e la biodegradabilità, trova applicazione in numerosi campi bioetcologici: come flocculante nella rimozione di metalli pesanti nel trattamento di liquidi reflui, come crioprotettivo, umettante e addensante nell’industria cosmetica ed alimentare, come colla biologica, carrier di farmaci e vaccini e come materiale di supporto per la rigenerazione tissutale nell’industria biomedica. Per il suo pieno sfruttamento industriale occorre innanzitutto ridurre drasticamente i costi di produzione, aumentando la produttività batterica e migliorando le condizioni di fermentazione. Nel nostro laboratorio è stato ottenuto un ceppo produttore derivato dal ceppo di laboratorio ampiamente caratterizzato di B. subtilis 168 (Osera et al., 2009). La disponibilità di un ceppo ben noto, sul quale è possibile applicare tecniche di ingegneria genetica, offre la possibilità di applicare strategie di miglioramento genetico e di razionalizzazione delle condizioni di coltura basate sulla genetica e fisiologia dell’organismo. Introducendo alcune mutazioni nei pathway metabolici della biosintesi del polimero, abbiamo ottenuto ceppi che accumulano questo prodotto in maniera elevata e costante (Scoffone et al. 2013). Ora la sfida è “spingere” il ceppo produttore ad usare come nutrimento scarti organici di settori agroindustriali.

Per abbattere i costi di produzione del γ-PGA il nostro obiettivo è utilizzare sia una biomassa a disponibilità illimitata come la paglia di riso, attualmente sotto utilizzata, che il glicerolo grezzo, co-prodotto durante la sintesi del biodiesel. Il successo di questo progetto avrà quindi effetti positivi non solo sulla produzione del γ-PGA ma contribuirà alla valorizzazione economica della filiera del riso e della produzione del biodiesel e concorrerà all’espansione della bio-economia. Questa linea di ricerca ed è attualmente sostenuta da due linee di finanziamento della FONDAZIONE CARIPLO.

IDROLASI gamma-PGA-SPECIFICHE COME AGENTI ANTIBATTERICI - C. Calvio, C. Seppi
In collaborazione con C. Morelli del Dip. di Chimica (Universita’ Statale di Milano), A. Pastore del Dip. di Medicina Molecolare (Universita’ di Pavia)

Sono stati identificati e caratterizzati quattro nuovi geni in B. subtilis che codificano per γ-PGA idrolasi. E’ stato scoperto che questi geni, di origine fagica, si sono diffusi in numerose specie batteriche attraverso trasferimento genico orizzontale (Mamberti et al., 2015). Abbiamo inoltre identificato i geni per la biosintesi del PGA in numerose altre specie di microorganismi, tra cui alcuni patogeni, e stiamo ora analizzando il ruolo del polimero come fattore di virulenza in alcune di queste specie e il possibile utilizzo delle γ-PGA idrolasi come agenti antibatterici.

RUOLO BIOLOGICO DI SwrA, PROTEINA REGOLATRICE DI Bacillus subtilis A FUNZIONE SCONOSCIUTA - C. Calvio
In Bacillus subtilis il sistema a due componenti DegS-DegU è un regolatore centrale che controlla l’espressione di più di cento geni coinvolti nella transizione dalla fase di crescita esponenziale a quella stazionaria, coordina il differenziamento delle singole cellule nelle comunità multicellulari e, in batteri patogeni come Listeria monocytogenes o Bacillus anthracis, è coinvolto nella virulenza. E’ stato osservato che il livello di fosforilazione di DegU regola in maniera complessa la motilità di B. subtilis. Anche SwrA, che non appartiene ad alcune classe proteica nota, è coinvolta nella regolazione della mobilità. Abbiamo dimostrato, utilizzando sia dati genetici in vivo, mediante la costruzione di mutanti e l’analisi dell’espressione di geni bersaglio di DegU, sia informazioni molecolari, attraverso la produzione delle proteine in forma ricombinante da utilizzare per saggi in vitro, che l’interazione funzionale tra DegU ed SwrA è conseguenza di un’interazione molecolare tra le due proteine (Mordini et al., 2013). Stiamo ora analizzando l’effetto di SwrA su altri pathways genetici controllati da DegU ed altre peculiarità molecolari che sembrano caratterizzare il locus swrA
EPIDEMIOLOGIA GENOMICA E GENOMICA COMPARATIVA DI PATOGENI NOSOCOMIALI - D.Sassera
In collaborazione con P. Marone (IRCCS Policlinico S. Matteo di Pavia), S. Brisse (Institut Pasteur, Parigi), E. Feil (University of Bath)

Questa linea di ricerca è incentrata sul sequenziamento whole-genome di numeri elevati di ceppi di batteri patogeni nosocomiali. I genomi così generati vengono analizzati con strumenti bioinformatici, anche sviluppati ad hoc, per l’analisi genomica comparativa e di epidemiologia genomica. L’analisi genomica di patogeni nosocomiali permette di valutare la variabilità genomica, individuare la presenza e la mobilità degli elementi di virulenza e di resistenza agli antibiotici, descrivere eventi di ricombinazione e in generale di variazioni dell’architettura genomica. Questo approccio porta a ricadute applicative, quali la possibilità di ricostruire eventi epidemici e di individuare pattern di trasmissione, di caratterizzare ceppi di interesse in base alla resistenza e virulenza, e di avvicinarsi all’obbiettivo della diagnostica genomica in microbiologia

RUOLO DELLA SIMBIOSI IN PARASSITI - D.Sassera
In collaborazione con C. Bandi (Universita’ degli Studi di Milano), B. Makepeace (University of Liverpool), O. Plantard (INRA, Nantes), G. Favia e I. Ricci (Universita’ di Camerino)

Microorganismi simbionti sono diffusi in molti organismi, ove assumono i ruoli più disparati, dal parassitismo al mutualismo obbligato. Nell’ambito di questa linea di ricerca, utilizziamo un approccio fortemente interdisciplinare per individuare nuove simbiosi e comprendere il ruolo dei simbionti nella biologia degli ospiti. Integrando metodiche di microscopia ottica ed elettronica, di biologia molecolare, di genomica e di trascrittomica stiamo attualmente lavorando su diversi microorganismi:

Midichloria mitochondrii: batterio dell’ordine Rickettsiales, simbionte della zecca Ixodes ricinus, presenta la caratteristica unica di localizzarsi all’interno dei mitocondri delle cellule ospiti. Stiamo attualmente lavorando per comprendere il ruolo del batterio nella fisiologia della zecca, attraverso un approccio integrato di microscopia elettronica, trascrittomica e proteomica. In parallelo stiamo ricercando batteri filogeneticamente vicini a M. mitochondrii in altri ospiti con tecniche di genomica.

Lieviti simbionti: ceppi di lieviti possono avere un ruolo di simbionti in diverse specie di artropodi, anche vettori di importanti patologie. Con un progetto multidisciplinare che combina microscopia elettronica e genomica comparativa stiamo investigando la presenza e il ruolo di lieviti delle specie Wickeramomyces anomalus e Meyerozyma guilliermondii in zanzare e flebotomi.

TRASCRITTOMICA DI ARTROPODI VETTORI - D. Sassera
In collaborazione con S. Epis (Universita’ degli Studi di Milano), S. Urbanelli e D. Porretta (Universita’ di Roma La Sapienza), G. Favia e I. Ricci (Universita’ di Camerino)

L’utilizzo della metodica RNA-seq permette la valutazione delle variazioni di espressione genica a livello di intero trascrittoma. In questa linea di ricerca si investigano tali variazioni in artropodi vettori di patologie di grande interesse medico, zanzare e zecche, in risposta a stimoli specifici, quali la presenza di molecole insetticide, o nel corso del ciclo vitale. L’obiettivo è comprendere aspetti fondamentali della biologia di questi vettori, e specifiche risposte a trattamenti, per il disegno di strategie innovative di controllo.

Biologia cellulare e dello sviluppo

Il differenziamento cellulare è fortemente influenzato dalle condizioni nelle quali esso avviene, dipendendo dalle interazioni tra genoma e ambiente. La ricerca svolta dai quattro gruppi è finalizzata alla comprensione dei meccanismi citologici e molecolari coinvolti nella determinazione delle alterazioni indotte da agenti chimici o fisici su specifici processi differenziativi.

Biologia dello sviluppo e delle cellule staminali - Prof. Silvia Garagna, Prof. Valeria Merico, Prof. Carlo Alberto Redi, Prof. Maurizio Zuccotti
Collaboratori: Paola Rebuzzini (borsista), Federica Cavalera (dottoranda, Universita’ di Parma), Mario Zanoni (tecnico)

Biologia della Riproduzione

L’obiettivo principale della ricerca e’ rivolto alla comprensione dei fattori coinvolti nel differenziamento di spermatozoi e di cellule uovo, utilizzando il topo come principale modello animale. Questi processi differenziativi sono studiati sia in condizioni fisiologiche che in condizioni in cui la gametogenesi (sia maschile che femminile) è alterata per cause cromosomiche (come ad esempio la presenza di eterozigosità cromosomiche) o per cause ambientali (ad es. inquinanti ambientali come i pesticidi).

In ambito femminile, la ricerca si focalizza sull’identificazione di marcatori della maturazione del follicolo ovarico nelle sue due componenti, cellula uovo e cellule follicolari, sia in vivo che durante la sua crescita in un sistema di coltura in 2 e 3D. In ambito maschile, la ricerca si focalizza sui meccanismi cellulari e molecolari che intervengono nell’alterare la progressione della meiosi ed il differenziamento dello spermatozoo. Questi studi sono affrontati anche dal punto di vista evoluzionistico. In quest’ottica, sia la gametogenesi maschile che femminile sono studiate anche nell’armadillo, un mammifero appartenente al superordine degli Xenarthra, tra i mammiferi più primitivi.

Collaborazioni:

  • J. Adjaye, Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlino, and Institute for Stem Cell Research and Regenerative Medicine, Medical Faculty, Heinrich Heine University, Düsseldorf, Germany.
  • R. Bellazzi, Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Universita’ di Pavia.
  • P.L. Fassina, Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Universita’ di Pavia.
  • Irina Solovei, Department Biology II, Ludwig-Maximilians University, Monaco, Germania.
  • R. Fernandez-Donoso, Dipartimento di Biologia, Universita’ del Cile, Santiago, Cile.
  • M.S. Merani, Centro de Investigaciones en Reproducción (CIR), Buenos Aires, Argentina.
  • J Page, Departamento de Biologia, Facultad de Ciencias, Universidad Autonoma de Madrid, Spagna.
  • J. Searle, Department of Ecology and Evolution, Corson Hall, Cornell University, Ithaca, NY, USA.
  • M. Zuccotti, Dipartimento di Scienze Biomediche, Biotecnologiche e Traslazionali, Università degli Studi di Parma, Parma, Italy.

Biologia delle Cellule staminali” open=”no” style=”default” icon=”folder-2″ anchor=”” class=””] Per comprendere il contributo dell’ambiente ai processi differenziativi studiamo il differenziamento di cellule staminali pluripotenti, le cellule embrionali staminali, in cardiomiociti. Le malattie cardiovascolari di origine ambientale sono un’emergenza sanitaria evidenziata dall’Organizzazione Mondiale della Sanità. Recenti studi hanno evidenziato un effetto di alcuni xenobionti, quali la diossina o l’arsenico, nell’alterare il differenziamento dei cardiomiociti e conseguentemente la loro funzione. Impiegando marcatori citologici e molecolari oltreché strumenti caratteristici della systems biology, siamo in grado di monitorare le diverse tappe di questo tipo di differenziamento con l’obiettivo di identificare le vie di segnalazione che vengono alterate dalla presenza di contaminanti (chimici: ad es. diossina, PCBs, arsenico; fisici: radiazioni ionizzanti).

Collaborazioni:

  • R. Bellazzi, Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Universita’ di Pavia.
  • P.L. Fassina, Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Universita’ di Pavia.
  • P. Magni, Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell’Informazione, Universita’ di Pavia.
  • J. Adjaye, Max Planck Institute for Molecular Genetics, Berlino, and Institute for Stem Cell Research and Regenerative Medicine, Medical Faculty, Heinrich Heine University, Düsseldorf, Germany.
  • J. Arechaga, Laboratory of Stem Cell, Development and Cancer, Department of Cell Biology & Histology, Faculty of Medicine & Dentistry, University of the Basque Country (UPV/EHU), Leioa, Vizcaya, Spain.
  • E. Cebral, Laboratorio de Reproducción y Fisiopatología Materno-Embrionaria, Instituto de Fisiología, Biología Molecular y Neurociencias, Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental, Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, Universidad de Buenos Aires, Buenos Aires, Argentina.
  • M. Zuccotti, Dipartimento di Scienze Biomediche, Biotecnologiche e Traslazionali, Università degli Studi di Parma, Parma, Italy.

L’attivita’ di ricerca e’ documentata da 140 pubblicazioni su riviste internazionali e in libri a diffusione internazionale.

Modulazione della trascrizione - Prof. Marco Biggiogera
Collaboratori: Irene Masiello

Vengono studiati a livello ultrastrutturale i meccanismi alla base del controllo e della modulazione della trascrizione, con particolare riguardo all’azione di molecole attive (farmaci, agenti ipometabolizzanti) e ai meccanismi di controllo epigenetici (metilazione di DNA ed RNA e modificazioni istoniche posttraduzionali). Sistemi cellulari in coltura e modelli tissutali offrono esempi fisiologici per lo studio dei meccanismi di trascrizione e splicing mediante tecniche immunocitochimiche e di ibridazione a microscopia elettronica. L’induzione di ipometabolismo reversibile in questi sistemi, inoltre, pone le basi per uno studio volto a controllare il metabolismo a livello di organi quali il fegato in prospettiva di un allungamento del periodo di sopravvivenza dell’organo espiantato prima del trapianto.

Collaborazioni: Dr. Ansgar Bruning, Dept. of OB/GYN, Molecular Biology Laboratory, University Hospital Munich; Prof. Manuela Malatesta, Dipartimento di Neuroscienze, Biomedicina e Movimento, Università di Verona, Dr. Hiroshi Kimura, Graduate School of Bioscience and Biotechnology, Tokyo Institute of Technology

Biologia cellulare in situ - Prof. Maria Grazia Bottone, Prof. Marco Biggiogera
Studio in vivo e in vitro degli effetti citotossici del cisplatino e di nuovi composti del platino: studio morfologico immunoistochimico e molecolare dei processi di proliferazione e morte cellulare

Collaboratori: Violetta Insolia, Valentina Astesana, Beatrice Ferrari

L’azione del cisplatino e di nuovi composti, il [Pt (O, O’ – acac) (γ-acac) (DMS)] e il Pt(IV)-bis(carboxylato), viene valutata in vitro su linee cellulari da tumori di origine neurale e in vivo sullo sviluppo post natale di aree del Sistema Nervoso Centrale nel ratto (ippocampo e cervelletto). La tossicita’ del trattamento si identifica con l’attivazione da parte delle cellule di processi di morte cellulare con conseguente alterazione del ciclo cellulare e di componenti cellulari quali gli organuli citoplasmatici.

Nello studio vengono utilizzate tecniche immunocitochimiche e microscopiche, tecniche di western blotting e citometriche.

Collaborazioni: Prof. FP. Fanizzi, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Biologie ed Ambientali (DiSTeBA) dell’Università del Salento, Lecce; Prof. Domenico Osella, Dipartimento di Scienze e Tecnologie Avanzate, Università del Piemonte Orientale “Amedeo Avogadro”, Alessandria.

Studio istologico ed istochimico in situ della citotossicita' di farmaci antitumorali veicolati localmente su gel di fibrina o nanoparticelle - Prof. Vittorio Bertone

Le ricerche riguardano principalmente argomenti di biologia cellulare, con particolare riferimento agli aspetti differenziativi (plasticità morfo-fenotipica) e citocinetici in sistemi cellulari in vivo e in vitro (proliferazione epoliploidizzazione cellulare, morte apoptotica), relativi a differenti tessuti e organi di Vertebrati e dell’Uomo, con particolare riferimento al parenchima epatico. Gli studi sono condotti in condizioni normali (cicli biologici degli eterotermi), sperimentali (esposizione a xenobiotici, a farmaci, a radiazioni e a stress da ipossia e perfusione d’organo) e patologiche (trasformazione e invasione neoplastica), analizzando parallelamente anche i meccanismi di degenerazione cellulare su base apoptotica e autofagocitica. Le metodologie di ricerca prevalentemente utilizzate sono di tipo cito-istochimico utilizzando microscopia in campo chiaro e in fluorescenza, con visualizzazione in situ di specifiche attività di proteine enzimatiche, marcatura immunoistochimica in situ di differenti molecole e morfometria mediante analisi di immagine digitale.

Microbiologia molecolare

Responsabili: Proff. Giovanna Riccardi, Edda De Rossi, Maria Rosalia Pasca, Laurent Chiarelli, Silvia Buroni, Giulia Barbieri

Collaboratori:
Viola Camilla Scoffone (assegnista), José Camilla Sammartino (dottoranda), Gabriele Trespidi (dottorando).

Identificazione del bersaglio cellulare di nuovi farmaci antitubercolari - Responsabile: Prof. Giovanna Riccardi, Prof. Maria Rosalia Pasca
Collaboratori: Dr. Laurent Chiarelli, Dr. José Camilla Sammartino

Mycobacterium tuberculosis, l’agente eziologico della tubercolosi, (TB) è responsabile ogni anno di circa 1.5 milioni di morti in tutto il mondo. La nascita e la diffusione di ceppi resistenti a farmaci antitubercolari attualmente in commercio e definiti come “MultiDrug-Resistant” (MDR), “Extensively Drug-Resistant” (XDR) e “Totally Drug-Resistant” (TDR), rappresentano un serio pericolo per la salute pubblica, in particolare per i pazienti immuno-compromessi. Le conoscenze derivate dai progetti di studio sul genoma offrono ora la possibilità di identificare geni “target”, che potranno essere utilizzati per sviluppare un intervento terapeutico efficace in grado di combattere la crescente minaccia dei microrganismi resistenti. All’interno del progetto “More Medicines for Tuberculosis-MM4TB”, finanziato dalla Commissione Europea (VII FP), il nostro Laboratorio sta caratterizzando i bersagli cellulari di composti naturali e di sintesi, già dimostrati essere attivi contro M. tuberculosis in modelli di TB attiva o latente. Tra queste molecole, stiamo studiando il meccanismo di attivazione del profarmaco TP053 (Albesa-Giove D et al., 2014, ACS Chem. Biol.) ed il suo possibile bersaglio cellulare. Abbiamo identificato il meccanismo di inattivazione di un derivato della chinossalina, il Ty38c (Neres J et al., 2014, ACS Chem Biol.), che ha come bersaglio cellulare l’enzima DprE1, identificato nel precedente progetto “New Medicines for Tuberculosis-MM4TB” (VI FP) come bersaglio dei Benzotiaziononi (BTZ). Un derivato dei BTZ è appena entrato nei “Trials” clinici sull’uomo. Infine, l’enzima CTP sintetasi (PyrG) è stato identificato come il bersaglio cellulare comune a due diversi profarmaci (Mori G et al., 2015, Chem. Biol.) ed è considerato un nuovo bersaglio vulnerabile di M. tuberculosis.

Collaboratori: Cole ST (EPFL, Lausanne, Switzerland), Makarov V (Bakh Institute of Biochemistry, Russian Academy of Science, Moscow, Russia), Baltas M (CNRS, Toulouse, Francia), Mikusova K (Comenius University in Bratislava, Department of Biochemistry, Bratislava, Slovacchia), Guerin M (Biophysics Unit, University of the Basque Country, Bilbao, Basque Country, Spagna), Marengo E (Università del Piemonte Orientale, Alessandria, Italia).

Nuovi farmaci attivi contro Burkholderia cenocepacia (FFC 2015) - Responsabile: Prof. Giovanna Riccardi
Collaboratori: Dr. Silvia Buroni, Dr. Laurent Chiarelli, Dr. Viola Camilla Scoffone, Dr. Gabriele Trespidi.

Burkholderia cenocepacia è un batterio Gram-negativo che infetta le vie respiratorie di pazienti affetti da Fibrosi Cistica (FC). La sua eradicazione è complicata dalla resistenza intrinseca a parecchi antibiotici. Quindi, lo sviluppo di nuovi composti è prioritario per il trattamento di queste infezioni polmonari. Stiamo quindi seguendo due vie:

  1. Sintesi di nuovi composti attivi contro cenocepacia. Recentemente, abbiamo scoperto che il composto benzotiadiazolico 10126109 è molto attivo e abbiamo identificato un meccanismo di resistenza, basato sulla sua estrusione da parte di una pompa di efflusso RND. Il composto è efficace anche contro altre specie del Burkholderia cepacia complex, isolati clinici ed altri batteri sia Gram-negativi che -positivi. Abbiamo, inoltre, identificato il meccanismo d’azione e valutato la tossicità su cellule epiteliali FC. Successivamente saranno sintetizzati nuovi derivati del 10126109 allo scopo di ottenere molecole più attive. Inoltre, saranno sviluppate delle formulazioni inalabili da somministrare a un modello murino per valutarne l’efficacia in vivo.
  2. Caratterizzazione di enzimi coinvolti del sistema di comunicazione cellulare quorum sensing, quali possibili bersagli di composti contro la virulenza, che possano rappresentare nuovi approcci terapeutici. I due enzimi CepI e DfsA sono stati ottenuti in forma ricombinante e del secondo enzima è stata risolta la struttura tridimensionale. La messa a punto di un saggio di attività di questi enzimi ha consentito lo screening di possibili inibitori, attraverso i quali sono state identificate alcune molecole attive in vitro contro CepI, che sono in grado di diminuire fortemente la virulenza del batterio in vivo, in un modello di elegans.

Collaborazioni: Makarov V (Bakh Institute of Biochemistry, Russian Academy of Science, Moscow, Russia), Cardona S (University of Manitoba, Winnipeg, Canada), Coenye T (University of Gent, Belgium), Ungaro F (Università di Napoli Federico II), Bragonzi A (Ospedale San Raffaele, Milano), Drevinek P (Motol Hospital, Prague, Czech Republic).

Identificazione e caratterizzazione di batteri endofiti delle leguminose per applicazioni in agricoltura e per la ricerca di nuovi antimicrobici - Responsabile: Prof. Edda De Rossi

I batteri endofiti sono strettamente associati a piante e semi, promuovendone la crescita/germinazione in ambienti sfavorevoli e svolgendo un’azione di contenimento nei confronti di agenti patogeni. Attualmente esiste un forte interesse nel loro utilizzo come fonte rinnovabile e sostenibile di nuovi antibiotici, come alternativa a ridotto impatto ambientale agli agrofarmaci di sintesi e come agenti di biorisanamento per il recupero di terreni contaminati da metalli pesanti.

Le leguminose si sono rivelate un’interessante fonte di endofiti, recentemente rintracciati per la prima volta nei noduli radicali. Anche il seme ospita una comunità di endofiti che non solo esercitano un’azione di stimolo della germinazione proteggendo la giovane plantula dallo stress ambientale e dalle malattie, ma contribuiscono a preservare la qualità del seme durante periodi prolungati di stoccaggio.

Alcuni endofiti isolati dalle piante contribuiscono a controllare lo sviluppo di microrganismi patogeni nelle piante e/o negli animali; questi batteri e in particolare le sostanze prodotte possono essere utili anche nel trattare infezioni batteriche umane. A causa della rapida diffusione di nuovi ceppi resistenti agli antibiotici, la ricerca di nuove molecole realizzata attraverso il drug design e la chimica combinatoriale è diventata una drammatica priorità. Anche la ricerca di molecole naturali con attività antimicrobica ha ripreso interesse, per i bassi costi di produzione e per la loro variabilità strutturale. La biodiversità dei batteri endofiti e la peculiarità del loro stile di vita si riflette in una gamma di metaboliti il cui potenziale applicativo è tuttora fortemente sottostimato.

Questo progetto, attivato molto recentemente, si propone di caratterizzare batteri endofiti in genotipi commerciali di leguminose foraggere appartenenti ai generi Medicago e Trifolium, per individuare ceppi che possano promuovere la germinazione del seme, contribuire al biorisanamento di suoli contaminati da metalli pesanti e siano produttori di nuove molecole naturali con attività antibatterica.

Collaborazioni: Prof.ssa Alma Balestrazzi (Dip. di Biologia e Biotecnologie, Pavia)

Studio della proteina di membrana MmpL3 quale bersaglio cellulare di derivati pirrolici con attivita' antitubercolare - Responsabile: Prof. Edda De Rossi

I derivati pirrolici sono molto attivi contro M. tuberculosis, micobatteri atipici come M. avium, isolati clinici di M. tuberculosis multiresistenti e bacilli intracellulari e perciò sono considerati promettenti agenti antituberculari. L’obiettivo di questa linea di ricerca è stato l’identificazione e la caratterizzazione del bersaglio cellulare del composto ”lead” BM212. Mediante l’isolamento e la caratterizzazione di mutanti di M. tuberculosis, M. bovis e M. smegmatis resistenti a BM212 è stato dimostrato che il bersaglio è la proteina di membrana MmpL3, trasportatore di un precursore della sintesi degli acidi micolici, componenti della parete cellulare. Recentemente, altri ricercatori hanno identificato diverse classi di inibitori della funzione di MmpL3 confermando che questa proteina è di fatto un nuovo bersaglio terapeutico per combattere la tubercolosi. La caratterizzazione della proteina MmpL3 è il punto di partenza sia per studi di “molecular modeling” sia per progettare nuovi e più efficaci inibitori.

Nuovi farmaci contro Mycobacterium abscessus e altri micobatteri non tubercolari - Responsabile: Prof.ssa Maria Rosalia Pasca
Collaboratori: Prof. Laurent Chiarelli, Dr. José Camilla Sammartino

I Micobatteri non tubercolari (NTM) stanno emergendo come patogeni importanti nelle infezioni polmonari che colpiscono i pazienti affetti da fibrosi cistica (FC) con una stimata prevalenza di circa il 9%; i ceppi di Mycobacterium abscessus sono i più diffusi in Europa. I trattamenti contro M. abscessus sono ulteriormente complicati dalla diffusione di isolati con resistenza indotta ai macrolidi. In questi casi, la resezione chirurgica del tessuto polmonare infetto in pazienti selezionati può essere di aiuto. Inoltre, la eradicazione non riuscita di M. abscessus è considerata una controindicazione per il trapianto di polmone e associata a fallimento del trattamento e all’aumento della mortalità.
Di conseguenza, sono necessari urgentemente nuovi farmaci più attivi in particolare contro M. abscessus. Approfittando della nostra esperienza nella ricerca sulla tubercolosi, in questo progetto, vorremmo trasferire tutte le nostre conoscenze nella nuova interessante linea di ricerca sugli NTM, perseguendo i seguenti obiettivi:

  • Screening di numerosi composti (più di 500) sintetizzati dal nostro collaboratore Dr. V. Makarov contro la crescita di M. abscessus.
  • Valutazione della sensibilità di altre specie di NTM e di isolati clinici ai composti selezionati.
  • Caratterizzazione del meccanismo di azione/resistenza dei composti selezionati.

Collaborazione: Makarov V. (Bakh Institute of Biochemistry, Russian Academy of Science, Mosca, Russia).

Studio della regolazione del metabolismo e della virulenza in Streptococcus agalactiae (Streptococcus di Gruppo B) - Responsabile: Giulia Barbieri
Il batterio Streptococcus agalactiae è una delle principali cause di infezioni neonatali invasive che si verificano nel primo trimestre di vita. Poiché questo batterio Gram-positivo vive come commensale nel tratto gastro-intestinale ed urogenitale del 30% degli individui sani, esso può essere trasmesso verticalmente da una madre che ne è portatrice al figlio durante la gravidanza o al momento del parto. Sebbene la somministrazione di antibiotico durante il parto a donne portatrici di GBS abbia ridotto l’incidenza delle infezioni acquisite verticalmente, tuttavia questo tipo di strategia non ha contribuito a ridurre l’incidenza di infezioni trasmesse orizzontalmente dopo la nascita. Queste compaiono tra i 7 e i 90 giorni di vita, si manifestano principalmente associate a meningite, causano mortalità nel 10% dei casi e sono responsabili gravi conseguenze a lungo termine nel 30% dei sopravvissuti.

Il progetto “Exploring the role of the transcriptional regulator CodY in the pathogenesis of neonatal Group B streptococcal meningitis”, finanziato con 250.000 euro da Fondazione Cariplo, si propone di studiare i meccanismi molecolari alla base della virulenza di Streptococcus agalactiae. In particolare, lo studio ha come oggetto l’analisi del ruolo del regolatore trascrizionale CodY. Nei batteri Gram-positivi, questa proteina è responsabile del controllo del metabolismo in funzione dello stato nutrizionale della cellula. In tutti i batteri patogeni in cui è stato descritto, CodY è inoltre responsabile della coordinazione del metabolismo con l’espressione dei geni legati alla virulenza.

Partendo dall’idea che la regolazione del metabolismo e l’espressione coordinata di geni metabolici e di virulenza sia importante per la patogenesi di Streptococcus agalactiae, l’obiettivo di questo progetto è studiare per la prima volta il ruolo di CodY nella regolazione genica e nella virulenza di Streptococcus agalactiae.

Collaboratori: Giampiero Pietrocola (Dipartimento di Medicina Molecolare, UniPV), Carmelo Biondo (Dipartimento di Patologia Umana dell’adulto e dell’età evolutiva, Università degli Studi di Messina)

Ulteriori informazioni: https://www.youtube.com/watch?v=uuxoTThhVU0&list=PLI2uNVw5doXLWPtl3tJNhp_kp3oRQ6KWJ

Genomica e biotecnologie degli insetti di importanza agraria e sanitaria

Responsabili: Proff. Mariangela Bonizzoni, Ludvik Gomulski,  Lino Ometto, Giuliano Gasperi (Professore a contratto), Anna Malacrida (Professore a contratto)

Collaboratori: Francesca Scolari (RTD-A), Paolo Gabrieli (assegnista), Patrizia Chiari (tecnico), Liliana Marcorio (tecnico), Alessandro Di Cosimo (dottorando), Grazia Savini (dottorando).

SOMMARIO e PRINCIPALI LINEE DI RICERCA
Il cambiamento climatico e demografico, l’aumento di scambi commerciali, l’urbanizzazione e gli spostamenti umani hanno facilitato la diffusione di specie d’insetti invasivi, ad alto impatto economico e sanitario, come per esempio la zanzara tigre, che e’ vettore di molti virus patogeni all’uomo, e le mosche della frutta, che sono pesti agricole.
I rischi dovuti all’invasione di queste specie d’insetti sono aggravati dalla mancanza di vaccini e terapie per i patogeni da loro trasmessi, come i virus Dengue, Chikungunya e Zika, e dall’insorgenza di fenomeni di resistenza agli insetticidi, che attualmente rappresentano lo strumento piu’ usato per il loro controllo.
Il gruppo di ricerca si occupa della genomica, trascrittomica, proteomica e metabolomica e della genetica di popolazione ed evoluzionistica d’insetti d’interesse agrario e sanitario allo scopo di capirne e prevenirne l’ulteriore diffusione e sviluppare innovativi sistemi di controllo che siano ecosostenibili. Utilizziamo inoltre approcci di transgenesi e genetica inversa sia per lo studio dei meccanismi sottesi alla riproduzione degli insetti che per migliorare attuali metodi genetici di controllo.

Le specie di insetti attualmente in studio sono:
Vettori di patogeni:

  • zanzare: Aedes albopictus e Aedes aegypti, vettori di virus quali Zika, Dengue e Chikungunya.
  • mosche tsetse: Glossina spp (Diptera, Glossinidae), vettori di Trypanosoma che causa la tripanosomiasi africana umana o malattia del sonno e la tripanosomiasi africana animale o Nagana.

Pesti agricole:

L’attivita’ del laboratorio si concentra sulle mosche della frutta (fruit flies, Diptera, Tephritidae), di origine africana e/o asiatica che, essendo altamente invasive, sono state recentemente introdotte nei Paesi dell’Europa Meridionale e nelle Americhe producendo ingenti danni economici:

  • Ceratitis capitata, mosca mediterranea della frutta
  • Bactrocera oleae, mosca dell’olivo
  • Bactrocera dorsalis ss, mosca orientale della frutta
  • Anastrepha fraterculus, mosca sud-americana della frutta
Sequenziamento ed annotazione dei genomi per identificare geni correlati con la riproduzione, l'adattamento, la chemiorecezione e l'immunita'
Questi studi sono fatti all’interno di consorzi scientifici internazionali:

  • Ceratitis capitata (progetto congiunto di Baylor College of Medicine, Human Genome Sequencing Center, US Department of Agriculture, e Università di Pavia) e l’iniziativa i5K;
  • Aedes albopictus (nell’ambito di EC-FP7 Infrastructure – INFRAVEC coordinato da Imperial College London, e un consorzio americano-cinese, coordinato da Anthony James and Xiao-Guang Chen);
  • 5 specie di Glossina (IGGI Consortium, coordinato da Yale University)

Pubblicazioni rilevanti:

Genome sequence of the tsetse fly (Glossina morsitans): vector of African trypanosomiasis. Science (2014) 344: 380-6.
Genome sequence of the Asian Tiger mosquito, Aedes albopictus, reveals insights into its biology, genetics, and evolution. Proc Natl Acad Sci USA (2015) 112: E5907-15.
A draft genome sequence of an invasive mosquito: an Italian Aedes albopictus. Pathog Glob Health (2015) 109:207-20.
Presence of extensive Wolbachia symbiont insertions discovered in the genome of its host Glossina morsitans morsitans. PLoS Negl Trop Dis. 2014 Apr 24;8(4):e2728.
The genome of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata (Wiedemann), reveals insights into the biology and adaptive evolution of a highly invasive pest species. Under review in Genome Biology.

Origine e diffusione della zanzara tigre e delle mosche della frutta
Abbiamo caratterizzato marcatori molecolari ad alta risoluzione, quali microsatelliti e SNPs, in Ae. albopictus, C. capitata e altre fruit flies e li abbiamo applicati per studiare i legami genetici tra le popolazioni ancestrali e derivate e per caratterizzarne i processi d’invasione. Abbiamo applicato anche marcatori mitocondriali, in associazione ai microsatelliti, per studiare l’origine di Ae. albopictus in California ed, in collaborazione con il prof. Torroni, per studiare la variabilita’ macrogegrafica di popolazioni ancestrali e recentemente derivate di Ae. albopictus.

Pubblicazioni rilevanti:

Relevant genetic differentiation among Brazilian populations of Anastrepha fraterculus (Diptera, Tephritidae). Zookeys. 2015 Nov 26;(540):157-73.
Molecular markers for analyses of intraspecific genetic diversity in the Asian Tiger mosquito, Aedes albopictus. Parasit Vectors. 2015 Mar 28;8:188.
The oriental fruitfly Bactrocera dorsalis s.s. in East Asia: disentangling the different forces promoting the invasion and shaping the genetic make-up of populations. Genetica. 2014 Jun;142(3):201-13.
Microsatellite markers from the ‘South American fruit fly’ Anastrepha fraterculus: a valuable tool for population genetic analysis and SIT applications. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S13.
Genetic analysis of invasive Aedes albopictus populations in Los Angeles County, California and its potential public health impact. PLoS One (2013) 8:e68586.
A new threat looming over the Mediterranean basin: emergence of viral diseases transmitted by Aedes albopictus mosquitoes. PLoS Negl Trop Dis. 2012;6(9):e1836.
The utility of microsatellite DNA markers for the evaluation of area-wide integrated pest management using SIT for the fruit fly, Bactrocera dorsalis (Hendel), control programs in Thailand. Genetica. 2011 Jan;139(1):129-40.
Uncovering the tracks of a recent and rapid invasion: the case of the fruit fly pest Bactrocera invadens (Diptera: Tephritidae) in Africa. Mol Ecol. 2009 Dec;18(23):4798-810.
Isolation and characterization of microsatellite markers in the newly discovered invasive fruit fly pest in Africa, Bactrocera invadens (Diptera: Tephritidae). Mol Ecol Resour. 2008 Nov;8(6):1509-11.
Globalization and fruitfly invasion and expansion: the medfly paradigm. Genetica. 2007 Sep;131(1):1-9.

Genomica funzionale, proteomica e metabolomica dei processi riproduttivi
Approcci di RNAseq, microarray, proteomica e di RNA interference vengono applicati per individuare i geni e le proteine che sono correlate alla maturazione sessuale e all’accoppiamento di diversi insetti.

Pubblicazioni rilevanti:

The Spermatophore in Glossina morsitans morsitans: Insights into Male Contributions to Reproduction. Sci Rep. 2016 Feb 5;6:20334.
How functional genomics will impact fruit fly pest control: the example of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S11.
Transcriptome profiling of sexual maturation and mating in the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. PLoS One. 2012;7(1):e30857.
Transcriptional profiles of mating-responsive genes from testes and male accessory glands of the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. PLoS One. 2012;7(10):e46812.
Gene discovery in an invasive tephritid model pest species, the Mediterranean fruit fly, Ceratitis capitata. BMC Genomics. 2008 May 23;9:243.

Analisi del comportamento riproduttivo mediante approcci molecolari e di transgenesi (GMOs)
Approcci molecolari, inclusi insetti transgenici, sono utilizzati per studiare le dinamiche di accoppiamento, la competizione spermatica e l’uso degli spermi nelle diverse specie. Questi studi sono basilari sia per l’implementazione di metodi di controllo eco-compatibili quali la Tecnica dell’Insetto Sterile (SIT).

Pubblicazioni rilevanti:

Polyandry in the medfly – shifts in paternity mediated by sperm stratification and mixing. BMC Genet. 2014;15 Suppl 2:S10.
Towards mosquito sterile insect technique programmes: exploring genetic, molecular, mechanical and behavioural methods of sex separation in mosquitoes. Acta Trop. 2014 Apr;132 Suppl:S178-87.
Polyandry is a common event in wild populations of the Tsetse fly Glossina fuscipes fuscipes and may impact population reduction measures. PLoS Negl Trop Dis. 2011 Jun;5(6):e1190.
Safe and fit genetically modified insects for pest control: from lab to field applications. Genetica. 2011 Jan;139(1):41-52.
Sperm storage and use in polyandrous females of the globally invasive fruitfly, Ceratitis capitata. J Insect Physiol. 2010 Nov;56(11):1542-51.
Site-specific recombination for the modification of transgenic strains of the Mediterranean fruit fly Ceratitis capitata. Proc Natl Acad Sci U S A (2009) 106:18171.
Fluorescent sperm marking to improve the fight against the pest insect Ceratitis capitata (Wiedemann; Diptera: Tephritidae). N Biotechnol. 2008 Jun;25(1):76-84.

Analisi della chemiorecezione
Vengono caratterizzati i geni, e funzionalmente analizzate le proteine codificate, che sono coinvolti nella interazione insetto-ospite e insetto-insetto, cioè geni e proteine responsabili della percezione 1) degli odori emessi dalla pianta ospite e quindi coinvolti nell’attrazione/repulsione verso insetti fitofagi; 2) degli odori emessi da un ospite vertebrato e quindi coinvolti nell’attrazione di insetti ematofagi quali zanzare e mosche tsetse; 3) degli odori (feromoni) coivolti nel processo di accoppiamento e ovideposizione. Per tali analisi, viene utilizzato un approccio integrato di genomica funzionale, proteomica, biologia strutturale, elettrofisiologia accoppiata a gas cromatografia e spettrometria di massa. Questa linea di ricerca ha notevoli risvolti a livello di sviluppo di repellenti ed attrattivi.
Approcci biochimici per lo studio dei componenti della saliva della zanzara tigre
Le femmine delle zanzare richiedono un pasto di sangue per lo sviluppo delle uova e, quando pungono un individuo infetto da un virus o parassita, esse possono acquisire il patogeno. La saliva della zanzara contiene proteine farmacologicamente importanti, con funzione di vasodilatatori, anticoagulanti e con attività anti-emostatici che facilitano l’acquisizione del sangue. Le proteine della saliva sono anche note per modulare e migliorare la trasmissione dei patogeni. In questo progetto, ci proponiamo in primo luogo di caratterizzare le componenti della saliva di Ae. albopictus e poi studieremo le funzioni biochimiche e molecolari di un sotto-insieme di queste proteine.
Trascrittomica per lo studio della resistenza agli insetticidi e sviluppo di nuovi bio-insetticidi
Vengono analizzati i meccanismi di resistenza agli insetticidi chimici, con particolare riferimento ai piretroidi. Inoltre, si sta cercando di identificare nuove molecole prodotte da batteri isolati dal suolo ed aventi azione bio-insetticida.

Pubblicazioni rilevanti:

RNA-seq analyses of changes in the Anopheles gambiae transcriptome associated with resistance to pyrethroids in Kenya: identification of candidate-resistance genes and candidate-resistance SNPs. Parasit Vectors (2015) 8:474.
Comparative transcriptome analyses of deltamethrin-resistant and -susceptible Anopheles gambiae mosquitoes from Kenya by RNA-Seq. PLoS One (2012) 7:e44607.

Evoluzione molecolare e genetica di popolazioni - Prof. Lino Ometto
L’attività di ricerca si focalizza sulle basi genetiche della biodiversità, che vengono studiate con una combinazione di approcci sperimentali e bioinformatici sia in organismi modello sia in specie non modello. L’uso di metodi della genetica di popolazione ci consente di studiare gli effetti che la selezione naturale e i fenomeni demografici hanno sull’evoluzione delle popolazioni naturali. Analisi di evoluzione molecolare ci permettono inoltre di identificare e caratterizzare le basi genetiche dell’adattamento e di tratti fenotipici delle specie di interesse.
In particolare, unendo analisi del genoma, del trascrittoma e del microbioma con studi sull’ecologia, il comportamento, la morfologia e la fisiologia, la nostra ricerca mira a comprendere i meccanismi alla base dell’evoluzione di insetti invasivi e di interesse agrario e sanitario.
COLLABORAZIONI
Nazionali

  • Università di Pavia: Andrea Mattevi, Federico Forneris, Alessandra Albertini, Antonio Torroni, Luigi Casella, Enrico Monzani, Eugenio Regazzini, Federico Bassetti, Riccardo Bellazzi, Giovanni Maga, Federico Focher, Daniele Merli, Barbara Mannucci, Antonella Lisa
  • Università di Perugia: Andrea Crisanti, Philippos Papathanos
  • Università Federico II (Napoli): Francesco Pennacchio, Giuseppe Saccone
  • Fondazione Edmund Mach
  • Istituto zooprofilattico sperimentale della Lombardia e dell’Emilia Romagna, delle Venezie, del Piemonte, Liguria e Valle d’Aosta
  • Istituto Superiore di Sanità
  • Centro Agricoltura Ambiente

Internazionali

  • FAO/IAEA (Vienna, Austria)
  • Yale School of Public Health, & Dept. of Ecology and Evolutionary Biology, New Haven, USA
  • Institut Pasteur
  • Imperial College, London
  • European Bioinformatics Institute, Hinxton, UK
  • Baylor College of Medicine, Houston, TX, USA
  • USDA, US Department of Agriculture
  • ICIPE, International Centre of Insect Physiology and Ecology
  • University of California, Irvine
  • Johns Hopkins University
  • Vanderbilt University, Nashville, Tennessee, USA
  • Southern Medical University, Guangzhou, China
  • Royal Museum for Central Africa, Tervuren, Belgium
  • Bioiberica, S.A., Barcelona, Spain
  • University of Goettingen, Germany
  • University of Giessen, Germany
  • Slovak Academy of Sciences, Bratislava, Slovakia
  • Institute of Entomology a Ceské Budejovice, Czech Republic
  • CNRS di Gif-sur-Yvette, Francia

Contratti di ricerca attivi

  • Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) (PIs Nikolai Windbichler, Malacrida & Scolari collaborators)
  • Bioiberica S.A., Barcelona, Research Contract (01/07/2015-current) (PI Scolari)
  • ERC Consolidator NIRV_HOST_INT (2016-2021) (PI Bonizzoni)
  • FAO/IAEA research CRP project # 17896 (2013-18) (PI Scolari)
  • FAO/IAEA Program of the United Nations project #17630 (2013-18) (PI Malacrida)
  • FAO/IAEA research CRP project #19049R0 (2015-2020) (PI Gomulski, Gasperi)
  • “Fight the mosquito bite” (Universitiamo Crowd-funding initiative, University of Pavia) (2015-present) (PIs Gasperi, Malacrida)
  • Fondazione Bussolera Branca (2015-17) (PIs Gasperi, Albertini)
  • NIH R21Al109263-01 (2014-17) (PI Malacrida)
  • USDA – University of Pavia – Baylor College “Consortium for genome sequencing of the Medfly, Ceratitis capitata” (2010 – present) (PI Gasperi)
  • Vectorbase-NIH Project “Comparative Genomics of 5 Glossina species” (PI Malacrida)

Biologia Strutturale

Responsabili: Proff. Andrea Mattevi, Claudia Binda, Federico Forneris, Francesca Magnani

I gruppi di Biologia Strutturale del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie focalizzano la loro attività di ricerca su un ventaglio di domande riguardanti le relazioni struttura-funzione delle proteine, i meccanismi di riconoscimento molecolare e la catalisi enzimatica. Il tema comune alle ricerche svolte nel laboratorio è lo studio di macromolecole di rilevanza biomedica, contraddistinte da particolari ed inusuali proprietà biochimico-funzionali. Il cuore dell’attività di ricerca è rappresentato dalla cristallografia ai raggi-X, impiegata per lo studio della struttura tridimensionale delle proteine investigate. All’analisi biocristallografica si aggiungono altri approcci sperimentali, quali la mutagenesi sito-specifica, lo studio della cinetica enzimatica e la chimica computazionale. Il laboratorio ha ricevuto finanziamenti da molte agenzie internazionali e industrie farmaceutiche.

Per maggiori informazioni: http://www.unipv.it/biocry

Biologia vegetale

Il gruppo di Biologia Vegetale

Presso i laboratori di “Biochimica vegetale”, “Biologia molecolare vegetale”, “Biotecnologie vegetali” del DBB, un gruppo attualmente composto da 2 professore associati e 2 professori ordinari del SSD BIO/04 Fisiologia vegetale conduce una variegata attività di ricerca sui vegetali, iniziata circa 40 anni orsono, in campo biochimico, genetico e molecolare, occupandosi sia di aspetti di base che applicativi e avvalendosi di molteplici approcci sperimentali, incluso quello transgenico. Nel corso degli anni sono stati via via utilizzati i più svariati materiali sperimentali, dalle colture di cellule vegetali in vitro, a organi o tessuti vegetali di varia origine, alle piante allevate in fitotrone o provenienti dal campo.

Gli obbiettivi generali e unificanti di tali ricerche sono sostanzialmente una maggiore conoscenza di alcuni processi di base biochimico/molecolari e fisiologici dei vegetali e delle loro implicazioni nel miglioramento genetico di diverse caratteristiche delle piante coltivate legate a: produttività/resa; qualità nutrizionali, commerciali o industriali dei prodotti vegetali; aspetti relativi alla diminuzione dell’impatto ambientale dell’agricoltura moderna.

Docenti: Alma Balestrazzi; Anca Macovei; Rino Cella; Erik Nielsen

Dottorandi: Andrea Pagano, Alessandra Bartolucci
Borsisti (post-dottorato): Enrico Doria, Eleonora Boncompagni, Matteo Faè, Susana Araujo

Biochimica vegetale - Prof. Erik Nielsen
Nel corso del 2015, le ricerche di base hanno riguardato per lo più:

  • Quantificazione di sostanze goitrogeniche (appartenenti alla famiglia dei C-glucosil flavoni) e di fitina in 150 linee pure di miglio, ricerca svolta nell’ambito di un progetto finanziato dalla fondazione Cariplo (new pearlmillet) volto a migliorare le qualità nutrizionali di questo cereale.

Le ricerche di carattere applicativo del 2015 hanno riguardato principalmente:

  • Analisi e caratterizzazione dei trigliceridi e delle xantofille prodotti e accumulati in diverse condizioni ambientali stressanti da un ceppo della microalga Scenedesmus obliquus precedentemente isolato e da microcisti della microalga Haematococcus pluvialis ricevuto da un gruppo di ricerca argentino col quale è da anni in corso una collaborazione.
  • Verifica della presenza e dei livelli di composti dotati di attività nutra/cosmoceutica in parti di scarto di piante orticole o da frutto (prodotti di prima e di quarta gamma).
  • Caratterizzazione di attività lignocellulolitiche di alcune specie di funghi che degradano il legno di pioppo (in collaborazione con il Dipartimento di Ecologia del Territorio di UNIPV)
Biochimica vegetale - Prof. Erik Nielsen
Nel corso del 2015, le ricerche di base hanno riguardato per lo più:

  • Quantificazione di sostanze goitrogeniche (appartenenti alla famiglia dei C-glucosil flavoni) e di fitina in 150 linee pure di miglio, ricerca svolta nell’ambito di un progetto finanziato dalla fondazione Cariplo (new pearlmillet) volto a migliorare le qualità nutrizionali di questo cereale.

Le ricerche di carattere applicativo del 2015 hanno riguardato principalmente:

  • Analisi e caratterizzazione dei trigliceridi e delle xantofille prodotti e accumulati in diverse condizioni ambientali stressanti da un ceppo della microalga Scenedesmus obliquus precedentemente isolato e da microcisti della microalga Haematococcus pluvialis ricevuto da un gruppo di ricerca argentino col quale è da anni in corso una collaborazione.
  • Verifica della presenza e dei livelli di composti dotati di attività nutra/cosmoceutica in parti di scarto di piante orticole o da frutto (prodotti di prima e di quarta gamma).
  • Caratterizzazione di attività lignocellulolitiche di alcune specie di funghi che degradano il legno di pioppo (in collaborazione con il Dipartimento di Ecologia del Territorio di UNIPV)
Biologia molecolare vegetale - Prof. Rino Cella
“Molecular farming”: produzione in piante transplastomiche di tabacco di enzimi ricombinanti utili per la digestione di biomasse lignocellulosiche e loro uso per la produzione di biocarburanti di seconda generazione.
Il programma di ricerca-e-sviluppo è finalizzato alla messa a punto di procedure sostenibili per la produzione di biocarburanti di seconda generazione. In particolare, utilizzando il concetto noto come “molecular farming” abbiamo prodotto piante di tabacco in grado di accumulare gli enzimi idrolitici necessari per la digestione di biomasse ligno-cellulosiche. A tal fine, è stata utilizzata la trasformazione del genoma plastidico (plastoma) che offre la possibilità di accumulare elevate quantità degli enzimi di interesse all’interno del cloroplasto. Dal punto di vista della bio-sicurezza, avendo il tabacco una eredità del plastoma di tipo materno, non si ha la dispersione del transgene per mezzo del polline. La sperimentazione è attualmente orientata a ottimizzare le condizioni mediante le quali gli enzimi ricombinanti favoriscono l’aumento e l’accelerazione della produzione di biogas mediante biodigestione anaerobica.

Analisi funzionale del meccanismo di sintesi translesione e di rimozione di basi in Arabidopsis
Quando specie reattive dell’ossigeno (ROS), formatesi durante il metabolismo cellulare, attaccano il DNA si producono modificazioni genotossiche che interferiscono con la sua corretta replicazione. La formazione di basi ossidate quali 7,8-diidro-oxo-guanine (8-oxo-G) è pericolosa per la cellula e, in certe situazioni, la loro mancata rimozione può portare a un completo blocco delle DNA polimerasi replicative. DNA polimerasi specializzate, sono in grado di superare il blocco grazie alla sintesi translesione (TLS) ma così facendo sono potenzialmente mutageniche a causa di appaiamenti anomali. Pertanto, il giusto appaiamento della base corretta contro la base modificata è di enorme rilevanza per evitare l’insorgere di mutazioni. La rimozione di basi può avvenire grazie al processo noto come Base Excision Repair (BER). Il genoma di Arabidopsis contiene i geni che codificano tutte le glicosilasi coinvolte nel BER quali uracile-DNA-glicosilasi (UDG), oxoguanina glicosilasi (OGG1) e MUTYH glicosidasi, mentre manca il gene codificante la DNA polimerasi beta (PolB). Pertanto, la sola polimerasi della famiglia X è la polimerasi lamda (PolL). Ciò pone il problema delle modalità di esecuzione della BER in Arabidopsis.

Oltre alle polimerasi eta (PolH, famiglia Y) e zeta (PolZ, famiglia B), anche PolL è in grado di fare la TLS. In realtà, in presenza di PCNA e RPA la polimersi umana è molto più efficiente della PolH. Arabidopsis possiede due geni codifcanti PCNA ma abbiamo dimostrato che solo PCNA2 interagisce con PolL durante la TLS. Ci si propone ora di valutare come AtPolL interagisca con OGG1 e MUTYH nella risposta allo stress ossidativo.

Biotecnologie vegetali - Prof. Alma Balestrazzi, Prof. Anca Macovei
Collaboratori: Dott. Susana Araujo, Dott. Andrea Pagano, Dott. Chiara Forti, Dott. Carla Gualtieri

Ruolo dei processi di riparo del DNA nella risposta della pianta agli stress abiotici. Obiettivo della ricerca: caratterizzazione molecolare di geni coinvolti nella risposta al danno genotossico (DNA Damage Response-DDR) utili a definire i profili di resistenza a stress abiotico nelle piante coltivate. L’attività di ricerca del Laboratorio di Biotecnologie Vegetali ha condotto all’isolamento e caratterizzazione molecolare di nuovi geni coinvolti nei processi di riparo del DNA in planta. Tale studio, condotto nella leguminosa modello Medicago truncatula, ha evidenziato per la prima volta in ambito vegetale la presenza della famiglia genica Tdp1 (Tirosil-DNA fosfodiesterasi) e del gene TFIIS-like. L’espressione dei geni MtTdp1a, MtTdp1b, e MtTFIIS-like è indotta da stress ossidativo/genotossico causato da esposizione a metalli pesanti e stress osmotico, confermando il ruolo svolto da questi geni nell’ambito della risposta DDR attivata in condizioni ambientali sfavorevoli. Queste nuove funzioni sono state indagate utilizzando approcci di gene silencing, RNA-Seq, e test di genotossicità (Comet Assay-Single Cell Gel Electrophoresis, DNA diffusion).

Balestrazzi Figura 1 Caratterizzazione funzionale del gene MtTdp1a in Medicago truncatula (Donà et al. 2013, J. Exp. Bot. 64: 1941-1951). A. Fenotipo indotto da Post-Transcriptional Silencing (PTS) del gene MtTdp1a. B. Accumulo di specie reattive dell’ossigeno in tessuto fogliare. CTRL, linea controllo. 1, 2a1, 2a, linee silenziate.

Profilo molecolare della qualità del seme. Obiettivo: individuazione di indicatori molecolari del vigore del seme. I meccanismi di riparo del DNA si attivano durante la fase precoce della germinazione del seme (fase di imbibizione), quando si avvia il cosiddetto “metabolismo pre-germinativo”. E’ stato predisposto un sistema costituito da semi di piante modello (Leguminose, Medicago truncatula; Solanacee, Petunia hybrida) in fase di imbibizione che consente di validare il ruolo di nuovi geni coinvolti nei meccanismi di riparo del DNA in relazione alla ripresa del metabolismo pre-germinativo. E’ stata in seguito avviata una attività di ricerca traslazionale su specie orticole di interesse commerciale e cereali svolta in collaborazione con Industrie Agro-Sementiere italiane (ATLAS srl, APSOVSEMENTI srl) e straniere (Bejo BV, Hoopmann Group), Breeders (NIRP International), e con gli Istituti CREA-SCV (S. Angelo Lodigiano, LO), CREA-FSO (Sanremo, IM), CREA-ORL (Montanaso Lombardo, LO).

Balestrazzi Figura 2

A, B. Medicago truncatula, germinazione del seme (protrusione della radichetta, germogli). C. Esempio di Comet Assay effettuato su germogli di Medicago truncatula.

Meccanismi di riparo del DNA indotti da radiazioni ionizzanti (IR) in cellule vegetali: aspetti di base e applicati (in vitro breeding). I meccanismi di riparo del DNA e la risposta antiossidante sono analizzati in cellule vegetali naturalmente radio-tolleranti (Petunia hybrida, Medicago truncatula) irraggiate con sorgenti di radiazione gamma LDR (Low Dose Rate) e HDR (High Dose Rate) allo scopo di individuare i componenti chiave della risposta LD(Low Dose)/LDR. La risposta al danno indotto da radiazioni ionizzandi può indurre differenti tipi di meccanismi di riparo del DNA, alcuni dei quali si definiscono “error-prone” poiché a seguito della rimozione delle lesioni non sono in grado di garantire la sintesi di una sequenza di DNA identica a quella pre-esistente. Questo effetto di mutagenesi indotto da enzimi del riparo di tipo “error-prone” può essere modulato in base ai parametri fisici (dose totale e “dose rate”) dell’irraggiamento e alle caratteristiche della risposta DDR (DNA Damage Response) di ciascun genotipo/varietà/cultivar. Una conoscenza più approfondita dei componenti molecolari della risposta DDR a radiazioni ionizzanti LDR e HDR è indispensabile per lo sviluppo di protocolli avanzati di miglioramento genetico (“breeding”) di piante di interesse commerciale.

Balestrazzi Figura 3

In vitro breeding. Rappresentazione schematica del processo.

COLLABORAZIONI NAZIONALI
CREA-FSO, Unità di Ricerca per la Floricoltura e le Specie Ornamentali (Sanremo-IM), Dott. Annalisa Giovannini.
CREA-SCV, Unità di Ricerca per la Selezione dei Cereali e la Valorizzazione delle Varietà Vegetali (S. Angelo Lodigiano-LO), Dott. Patrizia Vaccino.
CNR-IPSP, Bari, Dott. Paola Leonetti.

COLLABORAZIONI INTERNAZIONALI
Instituto de Tecnologia Quimica e Biologica (ITQB)-Università Nuova di Lisbona (Portogallo). Dott. Susana Araujo, Dott. Pedro Fevereiro.
Institute of Experimental Botany, Praga. Czech Academy of Science. Dott. Karel Angelis.
Institute of Plant Genetics, Poznan. Polish Academy of Science. Dott. Jorge Paiva.
ICGEB, New Delhi (India). Dott. Narendra Tuteja.
National Technical University, Atene (Grecia). Dott. Alexander Georgakilas.
National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, Gunma (Giappone). Dott. Ayako Sakamoto.

Genomica di popolazioni umane ed animali

Responsabili:Proff. Alessandro Achilli, Luca Ferretti, Anna Olivieri, Ornella Semino, Antonio Torroni

Collaboratori: Marco Rosario Capodiferro (assegnista),  Giulia Colombo (dottorando), Nicola Migliore (dottorando), Alessandro Raveane (assegnista)

SOMMARIO E LINEE DI RICERCA
strategico migrazione

Uno degli obiettivi principali del gruppo di ricerca è quello di contribuire ad una ricostruzione della storia evolutiva e delle migrazioni delle popolazioni umane (a livello micro e macro-geografico) e di alcuni animali (in particolare animali domestici o che vivono a stretto contatto con la nostra specie) basata su dati genetici e genomici, spendibile anche in diversi ambiti scientifici e culturali, da quello forense a quello storico, archeologico, linguistico, antropologico, didattico e di salute pubblica.

I sistemi genetici analizzati sono sia gli autosomi che il DNA mitocondriale (mtDNA) e la porzione maschio-specifica del cromosoma Y (MSY), che essendo a trasmissione uniparentale, non sono rimescolati dalla ricombinazione e costituiscono un archivio molecolare della storia e delle migrazioni delle femmine e dei maschi che, rispettivamente, li hanno trasmessi alle generazioni successive. Alcuni dei nostri studi hanno implicazioni importanti anche per la comprensione dello sviluppo e della progressione di alcune patologie, dei processi di invecchiamento e delle prestazione atletiche.

Linee di ricerca principali:

Origine delle popolazioni Europee e dell'area Mediterranea
La storia genetica e demografica dell’Europa e delle aree geografiche circostanti è molto complessa. Lo scopo di questa linea di ricerca è quello di indagare, attraverso l’analisi di genomi moderni e di DNA antico, quali aspetti dell’attuale variabilità delle popolazioni Europee possano essere fatti risalire alla prima colonizzazione del continente da parte dell’Uomo moderno, a espansioni post-glaciali, alla diffusione neolitica e/o a eventi più recenti di flusso genetico. Nel corso degli anni i nostri studi nell’ambito di questa tematica sono stati molto produttivi e hanno utilizzato come strumento principale di indagine i due sistemi genetici non-ricombinanti (mtDNA e MSY), che ora stiamo integrando con analisi genome-wide.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Prof. Fulvio Cruciani (Univ. La Sapienza, Roma); Dr. Martin Bodner, Prof. Walther Parson (Innsbruck Medical Univ., Austria); Dr. Francesca Gandini, Prof. Maria Pala, Prof. Martin B. Richards (Univ. of Huddersfield, UK); Prof. Vincent Macaulay (Univ. of Glasgow, UK); Prof. Andrea Novelletto (Univ. Tor Vergata, Roma); Prof. Antonio Salas (Univ. of Santiago de Compostela, Spagna); Prof. Richard Villems (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

Origine genetica delle popolazioni Italiane
L’Italia è un paese che nonostante la ridotta superficie, per ragioni geografiche, climatiche e storiche ha occupato per millenni un ruolo centrale nei flussi genici fra le antiche popolazioni. Obiettivo di questa linea di ricerca è quello di contribuire alla ricostruzione della storia genetica in tempi preistorici e storici dei primi abitanti dell’Italia, ad un elevato livello di risoluzione, su un numero di campioni molto esteso (in grado di coprire tutte le regioni d’Italia). A tal fine, si stanno conducendo analisi genome-wide combinando la ricerca di SNP rari e comuni con l’analisi di sequenza dei due sistemi genetici non-ricombinanti (MSY e mtDNA).

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica – CNR, Cagliari); Prof. Cristian Capelli (Univ. of Oxford, UK); Prof. David Caramelli (Univ. di Firenze); Prof. Cristina Cattaneo (Univ. di Milano); Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Irene Cardinali (Univ. di Perugia); Prof. Carlo Previderè (Dip. di Medicina Legale, Univ. di Pavia); Prof. Mait Metspalu (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica – CNR, Cagliari); Prof. Cristian Capelli (Univ. of Oxford, UK); Prof. David Caramelli (Univ. di Firenze); Prof. Cristina Cattaneo (Univ. di Milano); Dr. Hovirag Lancioni (Univ. di Perugia); Prof. Carlo Previdere (Dip. di Medicina Legale, Univ. di Pavia); Prof. Mait Metspalu (Estonian Biocentre, Tartu, Estonia).

Il popolamento umano della Sardegna
La popolazione della Sardegna è un “outlier genetico” nel contesto Europeo. Le prime tracce della presenza di uomini moderni in Sardegna sembrano risalire a circa 13.000 anni fa (Paleolitico superiore). Tratti genetici distintivi dei Sardi sono stati messi in evidenza con tutti i sistemi genetici e sono attribuiti ad una combinazioni di effetti del fondatore, isolamento geografico e selezione. Recentemente dati di paleogenomica basati su marcatori nucleari hanno suggerito che la popolazione moderna della Sardegna possa essere, tra tutte quelle del continente, la più vicina geneticamente ai primi agricoltori neolitici Europei. Questo scenario sembra tuttavia in contrasto con una serie di dati forniti dall’analisi dei sistemi genetici uniparentali. Su questo stiamo indagando utilizzando anche DNA antico.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Prof. Andrea Angius, Prof. Francesco Cucca, Dr. Carlo Sidore (Istituto di Ricerca Genetica e Biomedica – CNR, Cagliari); Prof. Johannes Krause (Max Planck Institute for the Science of Human History, Germania).

Il popolamento delle Americhe: una prospettiva genetica
La colonizzazione del Nuovo Mondo rappresenta uno degli argomenti antropologici più interessanti. Mentre si è raggiunto un accordo dal punto di vista archeologico, linguistico e genetico-molecolare sull’origine asiatica dei Nativi Americani, i tempi di arrivo dei primi colonizzatori, il numero di espansioni/migrazioni coinvolte nel processo e nelle successive colonizzazioni del Centro e Sud America, così come le conseguenze genetiche della formazione delle grandi civiltà mesoamericane e dell’area andina, sono state, e sono ancora, oggetto di discussione. Per chiarire questi aspetti, si stanno conducendo analisi di sequenza dei due sistemi genetici non-ricombinanti (MSY e mtDNA), a livello micro e macrogeografico, in numerose popolazioni moderne, ma anche su resti scheletrici antichi. Queste studi sono accompagnati in alcuni contesti popolazionistici da analisi genome-wide a livello nucleare.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Dr. Martin Bodner, Prof. Walther Parson (Innsbruck Medical Univ., Austria); Prof. Richard Cooke (Smithsonian Tropical Research Institute, Panama); Prof.. Ripan Malhi (Univ. of Illinois at Urbana-Champaign, US); Dr. Jorge A. Motta (Secretario Nacional de Ciencia y Tecnología e Innovación, Panama); Dr. Juan Miguel Pascale (Instituto Conmemorativo Gorgas de Estudios de la Salud, Panama); Dr. Ugo A. Perego (Genetic Genealogy Consultant, US).

Analisi comparativa di documenti storico-culturali e dati genetici: conquista, commercio, crisi e cultura nell'Istmo di Panama durante la dominazione spagnola (1513-1671) (ERC CoG 648535 - ArtEmpire)
Lo stretto Istmo di Panama ha rappresentato un nodo strategico dell’impero spagnolo e un sito fondamentale per l’inizio della globalizzazione moderna, come punto di convergenza di quattro continenti. Questo progetto combina l’analisi di documenti storici con metodiche archeologiche e archeogenetiche per evidenziare le conseguenze culturali e biologiche dell’incontro che ha avuto luogo nell’Istmo di Panama nel corso dei secoli XVI e XVII tra popoli e merci provenienti da Europa, America, Africa e Asia.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Dr. Bethany Arhan (Universidad Pablo de Olavide, Spagna); Dr. Corina Knipper (Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie, Mannheim, Germany); Dr. Juan Martin, Dr. Javier Rivera (Universidad del Norte, Colombia).

Identificazione di nuove mutazioni patologiche dell'mtDNA e ruolo dei background mitocondriali (aplogruppi) nell'espressione di malattie/fenotipi
La produzione di ATP mitocondriale mediante la fosforilazione ossidativa è essenziale per il mantenimento delle normali funzioni di organi e tessuti e mutazioni dell’mtDNA, interferendo con la sintesi di ATP, possono causare serie patologie a trasmissione materna. La ricerca di nuove mutazioni patogenetiche dell’mtDNA viene condotta in collaborazione, principalmente sulla Neuropatia Ottica di Leber (LHON). In anni recenti, un ruolo importante della variazione di sequenza “neutrale” dell’mtDNA è stato postulato anche per numerose patologie complesse e per altri fenotipi (invecchiamento, performance atletica). Per valutare anche questi aspetti, sequenziamo mitogenomi completi da numerose popolazioni umane in modo da creare un database che includa ogni aplogruppo e sottoaplogruppo mitocondriale presente nella nostra specie.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Prof. Valerio Carelli (Univ. di Bologna); Dr. Cristina Cereda (IRCCS Istituto Neurologico Nazionale C. Mondino, Pavia); Prof. Alessandra Montecucco (Istituto di Genetica Molecolare – CNR, Pavia).

Genetica del gusto
Questa linea di ricerca è svolta in collaborazione con il gruppo della Prof.ssa Guglielmina Nadia Ranzani, vedi punto 3) della tematica “Basi molecolari delle patologie umane”

La capacità di percepire i sapori è geneticamente determinata e la percezione dei sapori è il principale fattore a guidare la scelta dei cibi, causandone accettazione o rifiuto. D’altra parte, la scelta dei cibi è un fattore fondamentale in grado di modulare il rischio di patologie comuni, quali obesità, diabete, sindrome metabolica, ma anche di malattie cardiovascolari e cancro. Scopo del nostro lavoro è quello di correlare le varianti dei geni coinvolti nella percezione dei sapori e quindi nelle scelte alimentari con dieta e stato di salute, in particolare con i tumori dell’apparato digerente.

Collaboratori: Prof. Guglielmina Nadia Ranzani, DBB Università di Pavia)

Origine e diffusione della zanzara tigre (Aedes albopictus)
Negli ultimi 40 anni, la zanzara tigre Aedes albopictus, originaria dell'Asia orientale, ha colonizzato ogni continente, tranne l'Antartico. La sua diffusione ha implicazioni sanitarie importanti dato che questa specie è competente per numerosi arbovirus compresi quelli che causano la febbre del Nilo, la febbre gialla, l'encefalite di St. Louis, dengue, e l'emergente febbre Zika. Lo studio prevede la determinazione e l'analisi della variabilità del genoma mitocondriale di campioni provenienti da numerose popolazioni dell'Asia, Europa e delle Americhe. L'obiettivo è quello di identificare le fonti asiatiche ancestrali da cui derivano le popolazioni avventizie e gli eventuali vantaggi selettivi presenti e di definire rotte e tempi delle espansioni.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Dr. Paolo Gabrieli, Prof. Giuliano Gasperi, Prof. Ludvik Gomulski, Prof. Anna Malacrida (Dip. di Biologia e Biotecnologie, Univ. di Pavia).

Modi e tempi di domesticazione di alcuni mammiferi (Bos taurus, Bubalus bubalis, Ovis aeries, Capra hircus, Equus caballus)
I nostri primi studi filogeografici sull’intero mitogenoma di bovini, equini, caprini e ovini hanno fornito nuove informazioni sui processi di domesticazione. La maggior parte delle specie domestiche hanno subito un unico evento di domesticazione avvenuto nel periodo neolitico (circa 10 mila anni fa) nell’area della Mezzaluna Fertile. Al contrario, i numerosi aplogruppi riscontrati nelle razze equine moderne indicano che la domesticazione del cavallo, pur essendo avvenuta anch’essa in tempi neolitici, abbia interessato un maggior numero di popolazioni selvatiche localizzate in molteplici aree geografiche di tutta l’Eurasia. Attualmente stiamo cercando di estendere l’analisi anche al genoma nucleare (in particolare al cromosoma Y) andando nel contempo ad analizzare in dettaglio l’origine e l’evoluzione delle principali razze domestiche locali (soprattutto in Italia) per ricavare maggiori informazioni sulla storia delle popolazioni umane ed evidenziare possibili storie genetiche parallele uomo-animale.

Pubblicazioni recenti:

Collaborazioni: Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Irene Cardinali, Dr. Emiliano Lasagna, Prof. Francesca Maria Sarti, Dr. Katia Cappelli, Prof. Maurizio Silvestrelli e Prof. Emidio Albertini (Univ. di Perugia); Dr. Licia Colli e Prof. Paolo Ajmone Marsan (Univ. Cattolica del S. Cuore, Piacenza).

Origine genetica di mammiferi selvatici italiani (Sus scrofa)
Lo stesso approccio filogeografico utilizzato per analizzare le specie domestiche viene ora applicato anche per studiare la variabilità di alcune specie selvatiche molto vicine all’Uomo. In particolare tutti i cinghiali europei appartengono ad un solo aplogruppo, denominato D1, mentre quelli italiani sono gli unici che oltre al D1 presentano anche il D4. Un’analisi filogeografica basata sulle informazioni di interi mitogenomi servirà a chiarire origine e diffusione di questo aplogruppo “italiano”.

Collaborazioni: Dr. Hovirag Lancioni, Dr. Francesca Vercillo (Univ. di Perugia); Dr. Massimo Scandura (Univ. di Sassari).