Newsletter RNBIO Luglio 2009, Anno 1, Numero 3

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Attività di proteomica svolta dalle Unità della Rete

Istituto Superiore di Sanita', Roma Marco Crescenzi (marco.crescenzi@iss.it)

Il nostro gruppo coordina e ospita la facility di proteomica dell'Istituto Superiore di Sanita' (ISS).
Negli anni, la facility ha fornito le proprie prestazioni, in chiave collaborativa, a decine di gruppi interni ed esterni all'ISS. Abbiamo condotto studi di tipologia molto diversa, fra cui identificazioni semplici di proteine, ricerca di interazioni fra proteine e analisi di miscele proteiche complesse, di modificazioni post-traduzionali e addotti. Recentemente la facility ha ottenuto lo status di Telethon Proteomics Service. In tale qualita', essa serve quindi i ricercatori finanziati da Telethon che ne richiedono il supporto. La facility e' dotata di due spettrometri di massa.
L'elaborazione dei dati grezzi avviene grazie a diversi computer.
L'unita' di calcolo piu' potente e' costituita da un cluster di elaboratori basati su Unix comprendente 8 nodi.
L'espansione delle nostre attivita' che il servizio per Telethon comporta ha ulteriormente accresciuto il numero e la varieta' delle elaborazioni bioinformatiche che quotidianamente la facility richiede.

Istituto di Scienze dell’Alimentazione, CNR - Avellino Angelo Facciano (angelo.facchiano@isa.cnr.it)

L’unità operativa dell’ISA-CNR ha proposto la costituzione dei gruppi di lavoro di Oncoproteomica e di Bioinformatica strutturale, e la sua attività si è svolta principalmente nell’ambito di questi due gruppi. L’interesse di ricerca principale dell’unità operativa riguarda lo studio, mediante strumenti bioinformatici e computazionali, delle proprietà strutturali e funzionali delle proteine, così come la realizzazione di strumenti bioinformatici per l’analisi e interpretazione di dati ottenuti mediante approcci “omici”. Ciò spiega la proposta di costituzione dei due gruppi di lavoro nell’ambito della rete. Specifiche proteine coinvolte in processi fisiologici o patologici di interesse in campo oncologico possono essere studiate, dal punto di vista strutturale e funzionale, allo scopo di comprendere i meccanismi molecolari che determinano sia la normale azione in condizioni fisiologiche, sia un malfunzionamento in casi di mutazioni o alterazioni della struttura, o in presenza di determinate condizioni che alterano le necessarie relazioni struttura-funzione. D’altra parte, le condizioni patologiche possono non essere facilmente riconducibili a una singola molecola, ma ad un insieme di fattori che possono essere tali da determinare una alterazione dell’intero profilo proteomico. In questi casi, solo dallo studio proteomico è possibile evidenziare segnali caratteristici, o insiemi di segnali, che possano da un lato rendere possibile la diagnosi dello stato patologico, dall’altro facilitare ulteriori studi orientati alla comprensione del meccanismo molecolare alla base della patologia. L’unità operativa svolge una attività di ricerca su specifiche proteine di interesse, mediante metodi di modellamento molecolare, simulazioni di dinamica molecolare, analisi strutturale e simulazioni di interazione proteina-ligando. La necessità di strumenti computazionali adeguati ci ha stimolato a verificare le prestazioni ottenibili mediante sistemi di calcolo multi-processore e software di simulazioni molecolari. Un report di tale attività, svolta in collaborazione con il CINECA, è presentato nelle successive pagine di questa Newsletter (http://www.rnbio.it/ACC/newsletter/numero-3/versione-html-newsletter-rnbio-n.3/versione-html/sitoweb).
Recentemente, è stato pubblicato uno studio condotto sugli effetti di una mutazione puntiforme della proteina BRAF, coinvolta nel carcinome della tiroide, svolto in collaborazione con un gruppo di ricerca dell’Università del Texas M. D. Anderson Cancer Center (Human Pathology, 2009 Jun; 40(6): 827-833). In un’altra ricerca, realizzata in collaborazione con diversi centri di ricerca italiani, è stato studiato il ruolo del recettore alfa del PDGF nella crescita del melanoma cutaneo (Neoplasia, 2009 Aug; 11(8):732-742).
In altri studi, l’unità operativa è impegnata nello sviluppo di strumenti bioinformatici e strategie per l’analisi dei dati sperimentali, in particolare per dati ottenuti con studi proteomici. Sono in fase di sviluppo degli strumenti bioinformatici di ausilio nella gestione e analisi dei dati di spettrometria di massa, finalizzati all’analisi di singoli spettri che possono essere confrontati allo scopo di evidenziare segnali comuni e/o segnali caratteristici per le diverse condizioni sperimentali a cui si riferiscono i campioni analizzati. E’ in corso di pubblicazione uno studio che ha definito un nuovo protocollo per la classificazione di spettri di massa SELDI di sieri, applicato al data set di pazienti affetti da cancro dell’ovaio generato dai laboratori della George Mason University diretti dai proff. Liotta e Petricoin, e utilizzati come data set di riferimento in numerosi studi di classificazione.

Istituto Europeo di Oncologia, Milano
F. Ciccarelli
(francesca.ciccarelli@ifom-ieo-campus.it)

La mole di dati genomici in continua crescita richiede lo sviluppo di programmi che ne consentano l’analisi, l’integrazione e la visualizzazione. In quest’ambito il nostro gruppo ha sviluppato FancyGene, una risorsa interattiva per la rappresentazione grafica di uno o più geni, a partire dalle coordinate genomiche delle componenti base (UTRs, esoni ed introni). Una volta generata l’immagine della struttura genica, l’utente può proiettare direttamente su di essa l’architettura in domini proteici e indicatori biologici di varia natura, per esempio posizioni mutate nel cancro. FancyGene permette di ottenere immagini PNG e PDF di alta qualità in maniera semplice e dinamica e mantiene la possibilità di modificarle con qualunque programma di grafica vettoriale. FancyGene, recentemente pubblicato (Rambaldi D. e Ciccarelli FD, Bioinformatics) è disponibile sul sito: http://host13.bioinfo3.ifom-ieo-campus.it/fancygene/

Istituto Nazionale per la Ricerca sulCancro, Genova
Mattia Rocco

(mattia.rocco@istge.it)

In collaborazione con Emre Brookes and Borries Demeler, Department of Biochemistry, The University of Texas Health Science Center at San Antonio, San Antonio, Texas, USA.
 
Nonostante gli enormi sviluppi delle tecniche per la determinazione ad alta risoluzione (raggi X, NMR) di strutture di macromolecole biologiche, in parecchie situazioni questo non è direttamente possibile. I metodi multi-risoluzione accoppiano dati provenienti da tecniche diverse, in cui la risoluzione va dal livello atomico (raggi X, NMR), a quello di domini e conformazione globale (diffusione dei raggi X e dei neutroni a piccolo angolo in soluzione [SAXS e SANS], microscopie elettroniche [EM]), fino a dati globali sul comportamento in soluzione, di cui l’idrodinamica è il campo più conosciuto. Nella pratica comune, ci si limita a “montare” i “pezzi” ad alta risoluzione dentro mappe derivate da SAXS/SANS o EM. Per aggiungere un ulteriore tassello a questa procedura, bisogna verificare se la struttura proposta ha le stesse proprietà in soluzione della macromolecola di origine, sia essa, per esempio, una proteina modulare, od un complesso proteico o DNA/proteina. Per far ciò, bisogna essere in grado di calcolare le proprietà idrodinamiche di una struttura a partire dalle sue coordinate, un compito non facile. Durante più di 20 anni di lavoro, abbiamo sviluppato un metodo originale (SOMO, SOlution MOdeller) che è adesso implementato in un programma open source per l’analisi dei dati di ultracentrifugazione analitica, UltraScan, liberamente scaricabile dal relativo website
http://www.ultrascan.uthscsa.edu/
In SOMO, ogni residuo viene rappresentato con un numero minimo di sfere (per esempio, una per la catena principale ed una per la catena laterale degli aminoacidi nelle proteine), il cui volume iniziale si ottiene sommando il volume degli atomi che rappresenta, a cui viene aggiunto quello delle molecole d’acqua che teoricamente quel residuo è in grado di legare. Le sfere vengono posizionate in modo da rappresentare al meglio la distribuzione di massa della macromolecola, ed eventuali sovrapposizioni vengono rimosse (il tensore impiegato per i calcoli è valido solo per sfere anche di raggio diverso, ma prive di intersecazioni) mantenendo il più possibile la superficie di partenza. Una volta ottenuto il modello, che può essere visualizzato con il programma RasMol
(http://www.openrasmol.org/)si possono calcolare tutti i parametri idrodinamici (coefficienti di diffusione traslazionale e rotazionale, coefficiente di sedimentazione, viscosità intrinseca) che possono essere misurati con tecniche standard. Tutto il programma è sotto controllo di una GUI molto avanzata, che permette l’uso di una notevole serie di opzioni, ed è dotato di un esteso manuale on-line. Stiamo adesso lavorando ad aggiungere un modulo per il calcolo di curve SAXS a partire da strutture atomiche e da modelli a sfere, mentre il prossimo sviluppo tratterà i casi di presenza di flessibilità sia locale (catene laterali) che segmentale (tra domini), ricorrendo anche a simulazioni di dinamica browniana. SOMO è già stato testato con ottimi risultati su un set di proteine standard (Rai et al. SOMO (SOlution MOdeler) differences between X-Ray- and NMR-derived bead models suggest a role for side chain flexibility in protein hydrodynamics. Structure. 2005 May;13(5):723-34 ; Brookes et al. The implementation of SOMO (SOlution MOdeller) in the UltraScan analytical ultracentrifugation data analysis suite: enhanced capabilities allow the reliable hydrodynamic modeling of virtually any kind of biomacromolecule. Eur Biophys J. 2009 Feb 21. [Epub ahead of print] ), ed utilizzato in due studi di una certa rilevanza (Rocco et al. Integrin conformational regulation: uncoupling extension/tail separation from changes in the head region by a multiresolution approach.; Berry et al. Role of dimerization and substrate exclusion in the regulation of bone morphogenetic protein-1 and mammalian tolloid. Proc Natl Acad Sci U S A. 2009 May 26;106(21):8561-6).

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