Dr. Carmela Gissi, Dr. David Horner, Dr. Giulio Pavesi.

Il gruppo “BEACON” svolge attività di ricerca nel campo della bioinformatica, dell’evoluzione molecolare e della genomica comparata. Particolare interesse è rivolto allo sviluppo di algoritmi e strumenti per l’analisi genomica, molti dei quali accessibili in rete, e allo studio del genoma mitocondriale di cordati sia a livello di dinamica evolutiva che per scopi filogenetici. Tutti gli algoritmi progettati e sviluppati dal gruppo sono stati implementati in programmi liberamente disponibili ed accessibili via Internet, impiegati  quotidianamente da ricercatori in tutto il mondo. Il gruppo è stato fondato dal Prof. Graziano Pesole, ora all’Università di Bari, con cui il gruppo collabora regolarmente. In aggiunta ai propri progetti di ricerca, il gruppo coopera stabilmente con altri team all’interno del dipartimento e di altre istituzioni nazionali ed internazionali fornendo una controparte in silico ad analisi in vivo ed in vitro e/o svolgendo analisi bioinformatiche e filogenetiche su geni di particolare interesse.
Ulteriori informazioni al sito www.beacon.unimi.it.

1. Mitogenomica comparata in Ascidiacea e altri metazoi

Gissi, Griggio, Lupi

Lo scopo di questa linea di ricerca è di definire le caratteristiche evolutive e le relazioni struttura-funzione del genoma mitocondriale (mtDNA) di metazoi, con particolare interesse per le ascidie (Cordata, Tunicata). Il mtDNA è studiato sia come sistema modello per comprendere i meccanismi che guidano l’evoluzione di un intero genoma, seppur piccolo, sia come marcatore filogenetico. Per chiarire la dinamica evolutiva del mtDNA di ascidie, abbiamo sequenziato l’intero mtDNA di ascidie appartenenti a distinti ordini tassonomici, inclusa l’ascidia modello Ciona intestinalis. Le analisi comparative del mtDNA hanno rivelato l’esistenza di specie criptiche di C. intestinalis e l’esistenza di un’estrema variabilità intra-ascidie in ordine genico, contenuto genico, proprietà composizionali e dimensione del genoma, caratteristiche sorprendenti se confrontate con quanto osservato nei restanti deuterostomi. Lo studio dei meccanismi di riarrangiamento dell’ordine genico in ascidie e altri metazoi è tuttora in corso. Come primo passo per lo studio della coevoluzione nucleo-mitocondrio nei Metazoi, stiamo sviluppando del metodi bioinformatici comparativi per l’identificazione di segnali regolatori coinvolti nella replicazione/trascrizione del mtDNA e per lo studio della loro evoluzione. Questi studi sono svolti in collaborazione con la Dr. Tiziana Castrignanò al CASPUR (Roma). 

2. Analisi evolutive e di filogenesi molecolare

Horner, Gissi, Pavesi, Chiara, Lupi

Il gruppo BEACON possiede notevole esperienza nella progettazione e svolgimento di analisi di filogenesi molecolare a livello di sequenze nucleotidiche e proteiche. I nostri interessi includono sia l’evoluzione molecolare di geni mitocondriali e nucleari di cordati, sia l’evoluzione di geni di protisti che possiedono idrogenosomi o mitosomi, cioè mitocondri specializzati che hanno perso la capità di compiere la respirazione ossidativa, ma che svolgono altre funzioni critiche per la sopravvivenza dell’organismo ospite. Il gruppo BEACON  si è inoltre occupato della filogenia molecolare degli anfibi e della posizione di Rodentia e Glires (Rodentia più Lagomorpha) nell’albero filogenetico dei mammiferi. Recentemente sono state condotte analisi evolutive sulla struttura di geni eucariotici, confontando quindi la struttura esone-introne di geni omologhi a diversi livelli di divergenza, al fine di identificare e caratterizzare eventi di perdita o acquisizione di introni e di definire il grado di conservazione di eventi di splicing alternativo.

3. Analisi di dati di Next-Generation Sequencing

Horner, Pavesi, Gissi, Chiara, Piccolo, Zambelli 

L’avvento delle nuove tecniche di sequenziamento degli acidi nucleici, cioè delle piattaforme Roche 454, Illumina Solexa e ABI SOLiD, ha consentito il rapido sequenziamento di milioni di brevi frammenti di sequenza, detti “read”. Questi nuovi tipi di dati di sequenza possono essere usati per risolvere numerosi e differenti problemi biologici quali: il sequenziamento o ri-sequenziamento di un genoma, la caratterizzazione di SNP, riarrangiamenti genomici o di interi trascrittomi; l’identificazione di popolazioni di piccoli RNA, di siti di legami fisiologici per fattori di trascrizione, di modificazioni istoniche ed epigenetiche. Tuttavia, la natura dei dati (milioni di read di lunghezza limitata) richiede lo sviluppo di nuovi approcci bioinformatici per ciascuna delle suddette applicazioni. Il nostro gruppo è all’avanguardia in questa nuova area di ricerca e sta sviluppando strumenti bioinformatici per la scoperta di microRNA, l’analisi dei siti di legame di fattori di trascrizione, l’analisi del trascrittoma mitocondriale e la caratterizzazione di splicing alternativi,  di trascritti nucleari e di interazioni mRNA-proteine. 

4. Algoritmi e software per l’annotazione funzionale di dati genomici

Horner, Pavesi, Piccolo, Zambelli 

Lo sviluppo di algoritmi ed applicazioni per l’analisi su larga scala di dati genomici ha portato all’implementazione ed alla diffusione di diverse applicazioni software tra cui 1) CSTminer e GenoMiner, per l’identificazione e la caratterizzazione di “Conserved Sequence Tags” che corrispondono a geni non annotati o elementi regolatori, attraverso approcci di genomica comparata; 2) WebVar, per lo studio della variabilità sito-specifica di sequenze genomiche o proteiche; 3) ASPIC, che tramite l’allineamento tra cluster di EST e sequenze genomiche è in grado di predire eventi di splicing alternativo e i trascritti alternativi risultanti; 4) GeneSyn, che permette lo studio comparativo di regioni sinteniche tra più genomi; 5) Exalign, per il confronto della struttura esone-introne di geni omologhi. A questi temi collabora il gruppo del Dott. Flavio Mignone della Facoltà di Farmacia.

5. Algoritmi e software per l’analisi di regioni regolatorie in genomi di eucarioti

Pavesi, Zambelli 

Questa linea di ricerca mira allo sviluppo di tecniche in silico per l’identificazione e la caratterizzazione di elementi regolatori dell’espressione genica a livello sia trascrizionale che post-trascrizionale. In particolare, sono state sviluppate o sono in corso di sviluppo metodologie per: 1) rilevare siti di legame per fattori di trascrizione conservati in sequenze derivanti da geni co-regolati od omologhi (o entrambi), o derivati da esperimenti NGS; 2) la descrizione della specificità di legame di un fattore di trascrizione a partire da siti sperimentalmente validati, allo scopo di predirne con affidabilità siti addizionali; 3) l’integrazione di dati di sequenza e di espressione allo scopo di predire il pattern di espressione di un gene sulla base della sequenza delle regioni che ne regolano l’espressione; 4) rilevare motivi conservati a livello di sequenza e struttura secondaria nelle regioni non codificanti degli mRNA, con particolare interesse all’analisi dei segnali regolatori della traduzione e del fato del trascritto.

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