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Studi di associazione genetica e
                              disegno sperimantale caso-
                                        controllo
                            Applicazioni allo studio del Diabete di Tipo1 e della
                                Sclerosi Multipla nella popolazione sarda


                                                     Ilenia Zara
                                                 ilenia.zara@crs4.it
                                         Aula Magna Dipartimento di Fisica
                                        Cittadella Universitaria di Monserrato
                                                    30 Marzo 2011




Wednesday, March 30, 2011
BIOMEDICINA      ENERGIA
                     E AMBIENTE
                                  DATA FUSION    Collana di Seminari per la Valorizzazione dei Risultati della Ricerca al CRS4




      30.03.2011
                                                                  Seminario 16:00 -18:00 P.M.
                                                                                AULA MAGNA DIP. FISICA
                                                              Cittadella Universitaria - Monserrato
                                                                                                                                 I recenti sviluppi delle nuove piattaforme sperimentali
                                                                                                                                 consentono di studiare le caratteristiche genetiche di intere
                                                                                                                                 popolazioni utilizzando volumi di dati sempre crescenti con
                                                                                                                                 costi sempre minori. Questo tipo di studi rende necessaria
                                                                                                                                 l’interazione tra persone con una formazione medico/
                                                                                                                                 biologica e persone con competenze nei campi della statistica
                       Studi di associazione genetica e                                                                          e dell’informatica.
                    disegno sperimentale “caso controllo”:
     applicazioni a diabete di tipo 1 e sclerosi multipla nella popolazione Sarda
                                                                                                                                 Durante il seminario saranno illustrati i concetti genetico-
                                                                                                                                 statistici che stanno alla base degli studi GWAS e i risultati di
                                                                                                                                 ricerca ottenuti con tale approccio per identi care varianti
                                                                                                                                 genetiche predisponenti al diabete di tipo 1, alla sclerosi
                                                                                                                                 multipla e alle malattie autoimmuni in generale, nella
                                                                                                                                 popolazione Sarda.
    Relatore: Ileniasviluppi delle nuove piattaforme sperimentali consentono
     Relatore    I recenti Zara
      Ilenia Zara                               di studiare le caratteristiche genetiche di intere popolazioni utlizzando
      CRS4                                      volumi di dati sempre crescenti con costi sempre minori.
                                                Questo tipo di studi rende necessaria l’interazione tra persone con una
                                                formazione medico/biologica e persone con competenze nei campi
                                                della statistica e dell’informatica.
Wednesday, March 30, 2011
Indice degli argomenti

           • Background
           • Studi di associazione
           • Perchè questo studio sulla popolazione sarda?
           • Workflow dello studio
           • Risultati ottenuti
           • Lavori in corso



Wednesday, March 30, 2011
Variabilità genetica
       • Le variazioni genetiche
           spiegano la maggior
           parte della variabilità
           osservata tra individui
           della stessa specie
       •   Il crossing-over è un
           meccanismo di
           ricombinazione del
           materiale genetico
           proveniente dai due
           genitori.


Wednesday, March 30, 2011
Studi di associazione
           • Studio caso-controllo

               An epidemiological study design in which cases with a
               defined condition and controls without this condition are
               sampled from the same population. Risk-factor
               information is compared between two groups to
               investigate the potential role of these in the etiology of the
               condition.
               Krina T. Zondervan and Lon R. Cardon “The complex interplay among factors that
               influence allelic association” - Nature Genetics Reviews - 2004




Wednesday, March 30, 2011
Studi di associazione
           • Studio caso-controllo:

                                                       Variante genetica




                     Controlli: individui non affetti               Casi: individui affetti


Wednesday, March 30, 2011
Studi di associazione
           • Studio caso-controllo: caso ideale
           • Malattie monogeniche, penetranza completa
                                                       Variante genetica causale

                                                       Variante genetica protettiva




                     Controlli: individui non affetti               Casi: individui affetti


Wednesday, March 30, 2011
Studi di associazione
           • Studio caso-controllo: malattie multifattoriali

                                                       Variante genetica causale

                                                       Variante genetica protettiva




                     Controlli: individui non affetti               Casi: individui affetti


Wednesday, March 30, 2011
Studi di associazione
           • Studio caso-controllo: malattie multifattoriali
           • p-value: probabilità che la variante considerata NON sia associata alla malattia

                                                       Variante genetica causativa

                                                       Variante genetica protettiva




                     Controlli: individui non affetti               Casi: individui affetti

                                  No Associazione 1 > p-value > 0 Associazione
Wednesday, March 30, 2011
Studio caso-controllo

           • Obiettivo: identificare varianti genetiche con frequenze
               diverse in casi e controlli, che possano rappresentare un
               fattore di rischio o protettivo verso l’insorgenza di una
               patologia.


           • Assunzione: casi e controlli provengono da una
               popolazione omogenea e possono essere utilizzati per
               stimare le distribuzioni dei marcatori genetici nella
               popolazione sottostante.



Wednesday, March 30, 2011
• Studio di associazione per tratti quantitativi
           • Correlazione tra variabilità genetica e fenotipica




Wednesday, March 30, 2011
• Studio di associazione per tratti quantitativi
           • Es. altezza




Wednesday, March 30, 2011
• Studio di associazione per tratti quantitativi
           • Es. altezza




Wednesday, March 30, 2011
Tipi di studi
           • Genome-wide
                 – Studio in cui si cerca di identificare le varianti causali lungo
                   tutto il genoma
           • Candidate marker
                 – Studio di un marcatore che si ritiene essere implicato nel
                   meccanismo di insorgenza di una patologia
           • Candidate gene
                 – Studio dei marcatori che cadono nella regione di un gene
           • Fine mapping
                 – Studio ad alta risoluzione di marcatori che cadono in un’intera
                   che può contenere uno o più geni


Wednesday, March 30, 2011
Marcatori genetici
               un marcatore genetico è costituito da una differenza nel
                            DNA tra due o più individui
           • Marcatori multiallelici o multiforme
                 – microsatelliti, inserzioni, delezioni
                 – Copy Number Variations, Copy Number
                   Polymorphism
                 – Riarrangiamenti su larga scala (duplicazioni,
                   traslocazioni, inversioni, etc.)


           • SNPs (Polimorfismi a Singolo Nucleotide)

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Single Nucleotide Polymorphism (SNP)


                                           • Marcatore biallelico
                                           • Variazione di un singolo
                                               nucleotide in un altro
                                           •   Il polimorfismo è
                                               considerato stabile se
                                               osservato in almeno l’1%
                                               della popolazione
                                           • ∼2001: prime applicazioni
                                               in laboratorio



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Single Nucleotide Polimorphism (SNP)


                                                  • Si stima che ci siano circa
                                                      30,000,000 SNPs nel
                                                      genoma umano
                                                  • Nascono come mutazioni
                                                      (MAF<1%)
                                                  •   La maggior parte
                                                      scompare ma alcuni si
                                                      stabilizzano
                                                      • caso
                                                      • selezione naturale

Wednesday, March 30, 2011
Progressi nelle tecnologie di genotipizzazione


           2001
           2002
           2003
           2004                                   10 3


           2005
           2006
           2007
           2008                                                                     Next Generation
                                                                                      Sequencing
           2009

                            1    10    100    1,000      10,000 100,000 1,000,000


Wednesday, March 30, 2011
Due case produttrici di microarrays utilizzati in studi GWAS


                                      Affymetrix Genome-Wide
                                      Human SNP 6.0
                                      www.affymetrix.com



                                       Illumina 1M Duo beadchip
                                       www.illumina.com




Wednesday, March 30, 2011
• Che cosa c’è in una probe?




                                          www.affymetrix.com



Wednesday, March 30, 2011
• Concetti base
               –Ibridazione
               –Lettura con scanner
                ad alta risoluzione
               –Immagine




Wednesday, March 30, 2011
Quali SNPs?




Wednesday, March 30, 2011
Progetto HapMap
           • Database pubblico dei pattern comuni di variazione
             genetica nel genoma umano
           • Scopo: fornire ai ricercatori una mappa aplotipica del
             genoma umano




Wednesday, March 30, 2011
Linkage Disequilibrium
           • fenomeno per cui due o più alleli non segregano in
               maniera indipendente
                                      • Gran parte del genoma cade
                                        in segmenti di forte LD detti
                                        blocchi di aplotipi, separati da
                                        segmenti di basso LD
                                      • All’interno di ciascun blocco le
                                        varianti presenti sono tra loro
                                        fortemente correlate e un
                                        piccolo numero di
                                        combinazioni di alleli distinti
                                        (aplotipi) rappresentano la
                                        maggior parte delle variazioni
                                        genetiche nella popolazione
                                        considerata
Wednesday, March 30, 2011
Non è necessario studiare tutti gli SNPs del genoma!




                 Associazione diretta             Associazione indiretta
            • Gli SNPs vengono testati        • Gli SNPs vengono
                 in base alle conoscenze a        genotipizzati in base al
                 priori sulla loro funzione       Linkage Disequilibrium
                                              •   L’individuazione della
                                                  variane causale dipende
                                                  dalla sua correlazione con
                                                  la variante genotipizzata


Wednesday, March 30, 2011
Workflow

           • Studi di associazione Genome-Wide
                 – Definizione casi e controlli
                 – Raccolta campioni biologici e dati clinici
                 – Genotipizzazione
                 – Controlli di qualità su individui e marcatori
                 – Analisi della struttura della popolazione
                 – Test di associazione
                 – Inferenza di marcatori non genotipizzati
                 – Annotazione dei risultati e selezione marcatori candidati
                   e regioni corrispondenti

Wednesday, March 30, 2011
Selezione casi e controlli

            • Perchè la popolazione sarda?

            • Perchè le malattie autoimmuni?




Wednesday, March 30, 2011
• Perchè la popolazione sarda?

                 – Dimensione del campione adeguata al tipo di studio
                       • Dimensione della popolazione abbastanza elevata da consentire
                         di mantenere una elevata variabilità tra gli individui


                 – Popolazione Isolata
                       • Assenza sostanziale di sottostruttura di popolazione (basso tasso
                         di immigrazione)
                       • Presenza di varianti comuni nei sardi e rare o assenti in altre
                         popolazioni
                       • Nonostante sia una popolazione europea, si comporta come un
                         outlier rispetto alla gamma di variabilità europea


Wednesday, March 30, 2011
• Perchè la popolazione sarda?




Wednesday, March 30, 2011
• Perchè le malattie autoimmuni?

                 – Alta incidenza di malattie autoimmuni in Sardegna
                       • Es.: l’incidenza del Diabete di Tipo 1 è 5 volte maggiore che nel
                         resto d’Italia e pari all’incidenza osservata in Finlandia


                 – Altre ipotesi
                       • Gli stessi fattori genetici che predispongono alle malattie
                         autoimmuni potrebbero in passato aver protetto la popolazione
                         da alcune infezioni batteriche
                       • Protezione nei confronti di alcune forme di tumore (modelli
                         murini)
                       • Longevità (ipotesi)


Wednesday, March 30, 2011
• Perchè le malattie autoimmuni?




Wednesday, March 30, 2011
• Perchè le malattie autoimmuni?




Wednesday, March 30, 2011
• Perchè le malattie autoimmuni?




Wednesday, March 30, 2011
Raccolta campioni biologici e dati clinici
                                        • Raccolta iniziata circa 20 anni fa
                                        • Gran numero di persone e
                                            istituzioni coinvolte
                                        •   ∼2500 volontari sani provenienti
                                            da vari centri trasfusionali e
                                            ospedali dell’isola
                                        • ∼2500 pazienti affetti da
                                            Sclerosi Multipla
                                        •   ∼1500 pazienti affetti da
                                            Diabete di Tipo 1
                                        • La raccolta dei campioni
                                            continua!

Wednesday, March 30, 2011
Raccolta campioni biologici e dati clinici
                                        • Accurata definizione dei
                                          fenotipi clinici
                                        • Accurata selezione dei controlli
                                          rispetto al fenotipo da testare
                                          • Età
                                          • Sesso
                                          • Appartenenza effettiva alla
                                            popolazione sarda
                                          • Altri fenotipi presenti solo nei
                                            casi o solo nei controlli



Wednesday, March 30, 2011
Database dati clinici (beta)




              -> Seminario Gianmauro Cuccuru - “Approccio integrato alla gestione
              dati in ambito clinico e genetico” - 25 Maggio 2011
Wednesday, March 30, 2011
Genotipizzazione
                                                                                                • ∼6700 individui già
                                                                                                genotipizzati


                                                                                                • ∼840 individui




                                                                                                • Non imparentati
                                                                                                • Trios
                                                                                                • Famiglie
                                                                                                multigenerazionali con
                                                                                                più affetti per famiglia
                Esempio: plot di calling per SNP Affymetrix

             J. M. Korn, et al.: Integrated genotype calling and association analysis of SNPs, common copy number
             polymorphisms and rare CNVs. Nat. Genet. Technical Reports, ng237 (October 2008)


Wednesday, March 30, 2011
LIMS (beta)




             -> Seminario Gian Franco Frau - “Laboratory Information Management
             System - Perchè e per cosa?” - 7 Settembre 2011
Wednesday, March 30, 2011
Workflow

           • Studi di associazione Genome-Wide
                 – Definizione casi e controlli
                 – Raccolta campioni biologici e dati clinici
                 – Genotipizzazione
                 – Controlli di qualità su individui e marcatori
                 – Analisi della struttura della popolazione
                 – Test di associazione
                 – Inferenza di marcatori non genotipizzati
                 – Annotazione dei risultati e selezione marcatori candidati
                   e regioni corrispondenti

Wednesday, March 30, 2011
Controlli di qualità sugli individui

           • Callrate >90%, 95%, 98%
                 – % genotipi chiamati per individuo rispetto al totale
           • Corrispondenza tra sesso annotato e sesso inferito
                 – Sesso inferito in base all’eterozigosità del cromosoma X
           • Verifica delle relazioni di parentela annotate
                 – Mediante test di verosimiglianza tra genotipi reali e genotipi
                   attesi in base alla relazione di parentela dichiarata
                 – Test effettuato su oltre 5000 varianti di buona qualità
                   altamente polimorfiche



Wednesday, March 30, 2011
Controlli di qualità sugli SNPs

           • Callrate > 95% o > 98%
                 – % genotipi chiamati per un dato SNP sul totale degli
                   individui


           • Assenza di deviazioni dall’equilibrio di Hardy-
               Weinberg nei controlli

                                                  p frequenza allele 1
                                                  q frequenza allele 2




Wednesday, March 30, 2011
Controlli di qualità sugli SNPs

           • Equilibrio di Hardy-Weinberg. Ipotesi:
                 – Popolazione infinita
                 – Assenza di flussi migratori
                 – Non selezione
                 – Non mutazione
           • Eliminazione SNPs con HWEp<0.000001
           • Un discostamento dall’equilibrio di Hardy-Weinberg
             nei casi può essere indice di associazione



Wednesday, March 30, 2011
Controlli di qualità sugli SNPs

           • Minor Allele Frequency
                 – Alleli con frequenza < 1% sono varianti rare
                 – Diminuisce il potere di identificazione delle deviazioni
                   dall’HWE
                 – Possono nascondere errori di genotipizzazione
                 – Possono generare associazioni spurie, perchè possono
                   comparire in individui con fenotipi estremi


           • Eliminazione marcatori con MAF<1% o MAF<5%

Wednesday, March 30, 2011
Controlli di qualità sugli SNPs

           • Eliminazione SNPs con eccesso di errori mendeliani

           • Eliminazione SNPs con eccesso di maschi eterozigoti
               sul cromosoma X

           • Eliminazione SNPs con eccessivo tasso d’errore su
               dupliche


                            Cut-off definiti in base ai dati disponibili

Wednesday, March 30, 2011
Passi successivi

                 –Selezione individui non imparentati per test di
                  associazione
                       • Verifica dell’assenza di parenti


                 –Controlli su SNPs testati comunque
                       •    Controllo callrate nei soli casi e nei soli controlli
                       •    Differenza tra callrate nei casi e callrate nei controlli non eccessiva
                       •    Controllo MAF nei soli casi e nei soli controlli
                       •    HWEp nei casi




Wednesday, March 30, 2011
Analisi della sottostruttura di popolazione

           • Stratificazione genetica:
                 –fattore di confounding dovuto alla presenza di
                  differenze di frequenze alleliche tra casi e controlli
                  non correlate al fenotipo di interesse


           • Può portare all’identificazione di falsi positivi



Wednesday, March 30, 2011
Analisi della sottostruttura di popolazione

           • Principal Component Analysis (PCA)
                 – Software Eigenstrat (http://genepath.med.harvard.edu/
                   ~reich/EIGENSTRAT.htm)
                 – Mediante analisi di matrici di covarianza riduce lo spazio dei
                   dati identificando gli assi di maggior variazione delle
                   frequenze alleliche
                 – Consente di identificare outliers
                 – Consente di effettuare un test di associazione corretto per
                   sottostruttura di popolazione
                 – Analisi effettuata su 100,000 SNPs di buona qualità,
                   altamente polimorfici

Wednesday, March 30, 2011
Test di associazione
           • Errore per test multipli
                       • Accettare un errore del 5% e testare 600,000 SNPs significa
                         accettare un errore pari a
                                  0.05 * 600,000 = 30,000 associazioni false



           • Correzione di Bonferroni
                       • Assumendo un errore del 5% e testando 600,000 SNPs la soglia di
                         significatività per il mio test è
                                          0.05 / 600,000 = 8.3 * 10-8


                       • La correzione di Bonferroni assume però indipendenza tra i test e
                         si rivela eccessivamente conservativa in presenza di LD

Wednesday, March 30, 2011
Test di associazione




Wednesday, March 30, 2011
Possibili svantaggi

           • I patterns di LD nelle popolazioni HapMap possono
               non riflettere i patterns di LD nella popolazione
               oggetto dello studio


           • Anche se gli SNPs selezionati per la creazione dei
               chips non sono random, ma sono stati scelti per
               essere rappresentativi (tag SNPs), HapMap non è un
               database esaustivo



Wednesday, March 30, 2011
Possibili svantaggi

           • Abbiamo visto che il numero di casi e controlli
               necessario per trovare un’associazione dipende
               anche dal LD con la variante causale. In che modo?




Wednesday, March 30, 2011
Inferenza
           • I metodi di inferenza sviluppati da statistici e
               informatici consentono di incrementare il numero di
               marcatori testati, a costi molto bassi rispetto a quelli
               degli esperimenti


           • Nuovi genotipi possono essere inferiti a partire da
               diversi pannelli di referenza
                 – HapMap ∼3 milioni di SNPs
                 – 1000 Genomes Project ∼13 milioni di SNPs
                 – Sequenze di individui Sardi ∼10 milioni di SNPs


Wednesday, March 30, 2011
1000 Genomes Project




Wednesday, March 30, 2011
1000 Genomes Project
           • Scopo
              • fornire un catalogo completo di
                 • varianti genetiche umane (freq.>=1%)
                 • varianti con frequenza <1% nelle regioni dei geni
              • dati di sequenza di alta qualità per l’85% del genoma
              • 629 individui
              • varie popolazioni Africa, Asia, Europa e America

           • Il catalogo include SNPs, CNV, inserzioni e delezioni
           • Il catalogo è fruibile gratuitamente

Wednesday, March 30, 2011
Pannello sequenze sarde

           • 508 individui sequenziati

                 • 13,313,964 SNPs identificati
                 • ∼45% presenti in dbSNP
                       • http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP/
                 • ∼55% SNPs non descritti

             -> Seminario Frederic Reinier - “Sequenziamento e analisi
             bioinformatica del genoma umano” - 11 Maggio 2011

Wednesday, March 30, 2011
Inferenza di marcatori non genotipizzati




Wednesday, March 30, 2011
Inferenza di marcatori non genotipizzati




Wednesday, March 30, 2011
Inferenza di marcatori non genotipizzati




Wednesday, March 30, 2011
Inferenza di marcatori non genotipizzati




                  -> Seminario Serena Sanna “L’inferenza statistica e la lettura dei dati”

Wednesday, March 30, 2011
Annotazione Risultati

           • Quali informazioni per ogni SNP?
             • Risultati test di associazione
             • Risultati controlli di qualità
             • Gene in cui cade lo SNP o gene più vicino
             • Posizione e distanza dello SNP rispetto al gene
             • Tipologia dell SNP
             • Funzione del gene, quando nota


Wednesday, March 30, 2011
Ispezione visiva plot di calling




                                             • casi e controlli
                                             • casi
                                             • controlli


Wednesday, March 30, 2011
Ispezione visiva plot di calling




                                             • casi e controlli
                                             • casi
                                             • controlli
                                               SNP da scartare!


Wednesday, March 30, 2011
Cosa succede dopo l’associazione?


           •   Selezione marcatori candidati
           •   Replica associazione su un dataset indipendente
           •   Analisi aplotipiche nelle regioni selezionate
           •   Interpretazione biologica dei risultati
           •   Studi funzionali
           •   Studi su modelli animali




Wednesday, March 30, 2011
• Replica e estensione Risultati
                 – Genotipizzazione con un’altra tecnologia dei marcatori
                   selezionati negli stessi individui e calcolo del tasso di
                   concordanza
                 – Genotipizzazione con un’altra tecnologia dei marcatori
                   selezionati in un set di individui indipendente




               http://www.appliedbiosystems.com/absite/us/en/home.html



Wednesday, March 30, 2011
• Analisi condizionale
                 – Valutazione della presenza di varianti associate indipendenti
                   nello stesso aplotipo
                 – Valutazione dell’associazione dei marcatori rispetto
                   all’associazione degli aplotipi di cui fanno parte
           • Studi funzionali
                 – Studi dell’espressione dei geni in cui cadono gli SNPs
                   associati o dei gene vicini
                 – Studi dei prodotti proteici dei geni in cui cadono gli SNPs
                   associati o dei gene vicini
           • Studi su modelli animali
                 – Studi funzionali su modelli animali delle patologie


Wednesday, March 30, 2011
Primi risultati




Wednesday, March 30, 2011
Primi risultati




Wednesday, March 30, 2011
Primi risultati




Wednesday, March 30, 2011
Primi risultati

           • top SNP
                 • genotipizzato, non presente in HapMap II
                 • presente solo nel chip Affymetrix
                 • p-value su dati genotipizzati 7.9*10^-5
                 • p-value dopo inferenza su HapMap III e 1000
                   Genomes ∼3*10^-6
                 • p-value su 1775 casi e 2005 controlli 9.34*10^-6


Wednesday, March 30, 2011
Primi risultati

           • Il top SNP identificato spiega tutta
               l’associazione al locus in cui si trova

                 • Le analisi condizionali non hanno mostrato segnali
                     indipendenti


                 • Anche l’associazione degli aplotipi è meno
                     significativa di quella del marcatore singolo


Wednesday, March 30, 2011
Ipotesi di interpretazione biologica

           • Topi con deficit nell’ortologo di CBLB presentano alta
               suscettibilità allo sviluppo dell’encefalomielite
               autoimmune
                                         Chiang, Y.J. et al., Nature 403, 216-20 (2000)

           • Il gene potrebbe avere un ruolo più generale nelle
               malattie autoimmuni è infatti un gene di suscettibilità
               per diverse malattie autoimmuni, tra cui il T1D, in diversi
               modelli murini
                                           Yokoi N. et al., Nat Genet 31(4), 391-4 (2002)
                                          Mordes J.P., et al. ILAR J 45(3), 278-91 (2004)
Wednesday, March 30, 2011
Ipotesi di interpretazione biologica

           • Il processo infiammatorio nella MS è causato
               dall’attività dei linfociti T, che riconoscono la mielina
               come estranea e la attaccano
           •   Studi su modelli animali mettono in evidenza anche
               un ruolo dei linfociti B nello sviluppo della malattia




Wednesday, March 30, 2011
Ipotesi di interpretazione biologica

           • CBLB regola negativamente l’attività di TCR (T-cell
               receptors) e BCR (B-cell receptors)




Wednesday, March 30, 2011
Ipotesi di interpretazione biologica

           • CBLB regola negativamente l’attività di TCR (T-cell
               receptors) e BCR (B-cell receptors)




Wednesday, March 30, 2011
Ipotesi aggiuntive

           • Inoltre, altri studi hanno dimostrato che topi con
               deficit nel CBLB non sviluppano alcuni tipi di tumore
                            Loser, S. & Penninger, J.M. Semin. Immunol. 19, 206-214 (2007)



           • Le variazioni nel gene CBLB sembrano essere critiche
               nel mantenimento del delicato equilibrio tra
               l’attivazione e la tolleranza immunologica con effetti
               opposti nell’autoimmunità e nel cancro


Wednesday, March 30, 2011
Lavori in corso
           • Estensione casistica (∼7000)
                 –GWAS Sclerosi Multipla
                       • 1922 controlli
                       • 2280 casi
                 –GWAS Diabete di Tipo 1
                       • 1917 controlli
                       • 1377 casi
                 –GWAS Autoimmunità (MS+T1D)
                       • 1915 controlli
                       • 3595 casi

Wednesday, March 30, 2011
Lavori in corso
           • Nuove genotipizzazioni
                 – Affymetrix 6.0
                 – Illumina 1M
           • Nuove sequenze
                 – Illumina HiSeq
           • Nuova imputazione
                 – 1000 Genomes
                 – Sequenze Sarde
           • Studi funzionali per capire meglio il ruolo di CBLB
               nella predisporre alla MS

Wednesday, March 30, 2011
Ringraziamenti

          Serena Sanna              Sandra Lai           Andrea Angius
          Maristella Pitzalis       Antonella Mulas      Maurizio Melis
          Magdalena Zoledziewska    Gianmauro Cuccuru    Giulio Rosati
          Carlo Sidore              Eleonora Porcu       Gonçalo R Abecasis
          Raffaele Murru             Liming Liang         Manuela Uda
          Michael B Whalen          Patrizia Zavattari   Maria Giovanna Marrosu
          Fabio Busonero            Loredana Moi         David Schlessinger
          Andrea Maschio            Elisa Deriu          Francesco Cucca
          Gianna Costa              M Francesca Urru
          Maria Cristina Melis      Michele Bajorek
          Francesca Deidda          Maria Anna Satta
          Fausto Poddie             Eleonora Cocco
          Laura Morelli             Paola Ferrigno
          Gabriele Farina           Stefano Sotgiu
          Yun Li                    Maura Pugliatti
          Mariano Dei               Sebastiano Traccis



Wednesday, March 30, 2011
Ringraziamenti

             Francesco Cucca         Lidia Leoni         Giuditta Lecca
             Chris Jones             Muriel Cabianca     Fabrizio Murgia
                                     Luca Carta          Carole Salis
             Serena Sanna            Antonio Concas
             Eleonora Porcu          Carlo Impagliazzo   Andrea Mameli
             Carlo Sidore            Sergio Mallus       Massimo Mancini
             Maria Valentini         Marco Moro          Loredana Lai
                                     Michele Muggiri     Fabio Bandel
             Rossano Atzeni          Marco Pinna
             Riccardo Berutti        Luca Pinna          Tutti i volontari!
             Frederic Reinier        Franco Piroddi
                                     Carlo Podda
             Andrea Angius           Matteo Vocale
             Roberto Cusano
             Marco Marcelli
             Manuela Oppo
             Rosella Pilu
             Maria Francesca Urru
Wednesday, March 30, 2011
Riferimenti
           • Sanna S. et al. A GWAS in Sardinians reveals a novel gene associated with multiple sclerosis - European
               Society Of Human Genetics (ESHG) 2010
           • Sanna S. et al. Variants within immunoregulatory CBLB gene are associated with multiple sclerosis Nat
               Genet 42(6):495-7 (2010)
           • Sanna S. Genome-wide association studies: past, present future - Seminar (2009)
           • Finny Kuruvilla, Broad Institute of Harvard and MIT Massachussetts General Hospital - Genotyping on
               the Affymetrix platform using Birdseed (2077)
           • Krina T. Zondervan and Lon R. Cardon The complex interplay among factors that influence allelic
               association Nat Genet Reviews (2004)
           • Lampis et al. Human Molecular Genetics. 2000, 9, 2959-2965
           • Pugliatti et al. (EBC), Eur J Neurol (2006)
           • J. M. Korn, et al.: Integrated genotype calling and association analysis of SNPs, common copy number
               polymorphisms and rare CNVs. Nat. Genet. Technical Reports, ng237 (2008)
           •   Chiang, Y.J. et al., Nature 403, 216-20 (2000)
           •   Yokoi N. et al., Nat Genet 31(4), 391-4 (2002)
           •   Mordes J.P., et al. ILAR J 45(3), 278-91 (2004)
           •   Loser, S. & Penninger, J.M. Semin. Immunol. 19, 206-214 (2007)



Wednesday, March 30, 2011
Riferimenti

           • http://www.affymetrix.com
           • http://www.illumina.com/
           • http://www.appliedbiosystems.com/absite/us/en/home.html

           • http://genepath.med.harvard.edu/~reich/EIGENSTRAT.htm

           • http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov/
           • http://www.1000genomes.org/




Wednesday, March 30, 2011
Grazie per l’attenzione!

                                     Ilenia Zara
                                 ilenia.zara@crs4.it




Wednesday, March 30, 2011
BIOMEDICINA       ENERGIA
                       E AMBIENTE
                                    DATA FUSION    Collana di Seminari per la Valorizzazione dei Risultati della Ricerca al CRS4




     20.04.2011
                         prossimo appuntamento...
                                         SALA AUDITORIUM
                                    via Roma, 253 - Cagliari
                                                                      Seminario 11:00 -12:30 A.M.
                                                                                                                                                        20 aprile 2011
                                                                                                                                          La “rivoluzione digitale”, in atto da anni in tutti i settori della vita
                                                                                                                                          quotidiana, sta investendo in modo sempre più intensivo la
     Medicine goes digital


                                                                                                                                          medicina in generale e la pratica clinica: la tecnologia è ormai
                                                                                                                                          diventata un fattore pervasivo ed importante nell’ambito dei processi
                                                                                                                                          di cura, contribuendo a migliorare l’assistenza ai pazienti.

                                                                                                                                          Durante il seminario, partendo dall’esperienza più che decennale del
                                                                                                                                          CRS4 in ricerca e sviluppo per l’impiego di informatica e tecnologia in
                                                                                                                                          campo medico, verranno presentate le attività di ricerca del
                                                                                                                                          gruppo Healthcare Flows nell’ambito delle applicazioni
                                                                                                                                          biomediche, dell’informatica clinica e della sanità elettronica,
                                                                                                                                          anche in stretta collaborazione con istituzioni sanitarie di eccellenza.

                                                                                                                                          In particolare si parlerà di integrazione di sistemi clinici, sicurezza e
                                                                                                                                          tracciabilità nei processi sanitari, gestione semantica e computazionale
                                                                                                                                          di dati biomedici eterogenei, medicina distribuita e telemedicina.

    Relatore: Riccardo Triunfo
    Relatore
      Riccardo Triunfo
                                                  La “rivoluzione digitale”, in atto da anni in tutti i settori della vita quotidiana,
                                                  sta investendo in modo sempre più intensivo la medicina in generale e la pratica
      CRS4                                        clinica: la tecnologia è ormai diventata un fattore pervasivo ed importante
                                                  nell’ambito dei processi di cura, contribuendo a migliorare l’assistenza ai pazienti.

                                                  Durante il seminario, partendo dall’esperienza più che decennale del CRS4 in
Wednesday, March 30, 2011
Info e iscrizione: www.crs4.it

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Wednesday, March 30, 2011
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Studi di associazione genetica e disegno sperimantale caso- controllo

  • 1. Studi di associazione genetica e disegno sperimantale caso- controllo Applicazioni allo studio del Diabete di Tipo1 e della Sclerosi Multipla nella popolazione sarda Ilenia Zara ilenia.zara@crs4.it Aula Magna Dipartimento di Fisica Cittadella Universitaria di Monserrato 30 Marzo 2011 Wednesday, March 30, 2011
  • 2. BIOMEDICINA ENERGIA E AMBIENTE DATA FUSION Collana di Seminari per la Valorizzazione dei Risultati della Ricerca al CRS4 30.03.2011 Seminario 16:00 -18:00 P.M. AULA MAGNA DIP. FISICA Cittadella Universitaria - Monserrato I recenti sviluppi delle nuove piattaforme sperimentali consentono di studiare le caratteristiche genetiche di intere popolazioni utilizzando volumi di dati sempre crescenti con costi sempre minori. Questo tipo di studi rende necessaria l’interazione tra persone con una formazione medico/ biologica e persone con competenze nei campi della statistica Studi di associazione genetica e e dell’informatica. disegno sperimentale “caso controllo”: applicazioni a diabete di tipo 1 e sclerosi multipla nella popolazione Sarda Durante il seminario saranno illustrati i concetti genetico- statistici che stanno alla base degli studi GWAS e i risultati di ricerca ottenuti con tale approccio per identi care varianti genetiche predisponenti al diabete di tipo 1, alla sclerosi multipla e alle malattie autoimmuni in generale, nella popolazione Sarda. Relatore: Ileniasviluppi delle nuove piattaforme sperimentali consentono Relatore I recenti Zara Ilenia Zara di studiare le caratteristiche genetiche di intere popolazioni utlizzando CRS4 volumi di dati sempre crescenti con costi sempre minori. Questo tipo di studi rende necessaria l’interazione tra persone con una formazione medico/biologica e persone con competenze nei campi della statistica e dell’informatica. Wednesday, March 30, 2011
  • 3. Indice degli argomenti • Background • Studi di associazione • Perchè questo studio sulla popolazione sarda? • Workflow dello studio • Risultati ottenuti • Lavori in corso Wednesday, March 30, 2011
  • 4. Variabilità genetica • Le variazioni genetiche spiegano la maggior parte della variabilità osservata tra individui della stessa specie • Il crossing-over è un meccanismo di ricombinazione del materiale genetico proveniente dai due genitori. Wednesday, March 30, 2011
  • 5. Studi di associazione • Studio caso-controllo An epidemiological study design in which cases with a defined condition and controls without this condition are sampled from the same population. Risk-factor information is compared between two groups to investigate the potential role of these in the etiology of the condition. Krina T. Zondervan and Lon R. Cardon “The complex interplay among factors that influence allelic association” - Nature Genetics Reviews - 2004 Wednesday, March 30, 2011
  • 6. Studi di associazione • Studio caso-controllo: Variante genetica Controlli: individui non affetti Casi: individui affetti Wednesday, March 30, 2011
  • 7. Studi di associazione • Studio caso-controllo: caso ideale • Malattie monogeniche, penetranza completa Variante genetica causale Variante genetica protettiva Controlli: individui non affetti Casi: individui affetti Wednesday, March 30, 2011
  • 8. Studi di associazione • Studio caso-controllo: malattie multifattoriali Variante genetica causale Variante genetica protettiva Controlli: individui non affetti Casi: individui affetti Wednesday, March 30, 2011
  • 9. Studi di associazione • Studio caso-controllo: malattie multifattoriali • p-value: probabilità che la variante considerata NON sia associata alla malattia Variante genetica causativa Variante genetica protettiva Controlli: individui non affetti Casi: individui affetti No Associazione 1 > p-value > 0 Associazione Wednesday, March 30, 2011
  • 10. Studio caso-controllo • Obiettivo: identificare varianti genetiche con frequenze diverse in casi e controlli, che possano rappresentare un fattore di rischio o protettivo verso l’insorgenza di una patologia. • Assunzione: casi e controlli provengono da una popolazione omogenea e possono essere utilizzati per stimare le distribuzioni dei marcatori genetici nella popolazione sottostante. Wednesday, March 30, 2011
  • 11. • Studio di associazione per tratti quantitativi • Correlazione tra variabilità genetica e fenotipica Wednesday, March 30, 2011
  • 12. • Studio di associazione per tratti quantitativi • Es. altezza Wednesday, March 30, 2011
  • 13. • Studio di associazione per tratti quantitativi • Es. altezza Wednesday, March 30, 2011
  • 14. Tipi di studi • Genome-wide – Studio in cui si cerca di identificare le varianti causali lungo tutto il genoma • Candidate marker – Studio di un marcatore che si ritiene essere implicato nel meccanismo di insorgenza di una patologia • Candidate gene – Studio dei marcatori che cadono nella regione di un gene • Fine mapping – Studio ad alta risoluzione di marcatori che cadono in un’intera che può contenere uno o più geni Wednesday, March 30, 2011
  • 15. Marcatori genetici un marcatore genetico è costituito da una differenza nel DNA tra due o più individui • Marcatori multiallelici o multiforme – microsatelliti, inserzioni, delezioni – Copy Number Variations, Copy Number Polymorphism – Riarrangiamenti su larga scala (duplicazioni, traslocazioni, inversioni, etc.) • SNPs (Polimorfismi a Singolo Nucleotide) Wednesday, March 30, 2011
  • 16. Single Nucleotide Polymorphism (SNP) • Marcatore biallelico • Variazione di un singolo nucleotide in un altro • Il polimorfismo è considerato stabile se osservato in almeno l’1% della popolazione • ∼2001: prime applicazioni in laboratorio Wednesday, March 30, 2011
  • 17. Single Nucleotide Polimorphism (SNP) • Si stima che ci siano circa 30,000,000 SNPs nel genoma umano • Nascono come mutazioni (MAF<1%) • La maggior parte scompare ma alcuni si stabilizzano • caso • selezione naturale Wednesday, March 30, 2011
  • 18. Progressi nelle tecnologie di genotipizzazione 2001 2002 2003 2004 10 3 2005 2006 2007 2008 Next Generation Sequencing 2009 1 10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000 Wednesday, March 30, 2011
  • 19. Due case produttrici di microarrays utilizzati in studi GWAS Affymetrix Genome-Wide Human SNP 6.0 www.affymetrix.com Illumina 1M Duo beadchip www.illumina.com Wednesday, March 30, 2011
  • 20. • Che cosa c’è in una probe? www.affymetrix.com Wednesday, March 30, 2011
  • 21. • Concetti base –Ibridazione –Lettura con scanner ad alta risoluzione –Immagine Wednesday, March 30, 2011
  • 23. Progetto HapMap • Database pubblico dei pattern comuni di variazione genetica nel genoma umano • Scopo: fornire ai ricercatori una mappa aplotipica del genoma umano Wednesday, March 30, 2011
  • 24. Linkage Disequilibrium • fenomeno per cui due o più alleli non segregano in maniera indipendente • Gran parte del genoma cade in segmenti di forte LD detti blocchi di aplotipi, separati da segmenti di basso LD • All’interno di ciascun blocco le varianti presenti sono tra loro fortemente correlate e un piccolo numero di combinazioni di alleli distinti (aplotipi) rappresentano la maggior parte delle variazioni genetiche nella popolazione considerata Wednesday, March 30, 2011
  • 25. Non è necessario studiare tutti gli SNPs del genoma! Associazione diretta Associazione indiretta • Gli SNPs vengono testati • Gli SNPs vengono in base alle conoscenze a genotipizzati in base al priori sulla loro funzione Linkage Disequilibrium • L’individuazione della variane causale dipende dalla sua correlazione con la variante genotipizzata Wednesday, March 30, 2011
  • 26. Workflow • Studi di associazione Genome-Wide – Definizione casi e controlli – Raccolta campioni biologici e dati clinici – Genotipizzazione – Controlli di qualità su individui e marcatori – Analisi della struttura della popolazione – Test di associazione – Inferenza di marcatori non genotipizzati – Annotazione dei risultati e selezione marcatori candidati e regioni corrispondenti Wednesday, March 30, 2011
  • 27. Selezione casi e controlli • Perchè la popolazione sarda? • Perchè le malattie autoimmuni? Wednesday, March 30, 2011
  • 28. • Perchè la popolazione sarda? – Dimensione del campione adeguata al tipo di studio • Dimensione della popolazione abbastanza elevata da consentire di mantenere una elevata variabilità tra gli individui – Popolazione Isolata • Assenza sostanziale di sottostruttura di popolazione (basso tasso di immigrazione) • Presenza di varianti comuni nei sardi e rare o assenti in altre popolazioni • Nonostante sia una popolazione europea, si comporta come un outlier rispetto alla gamma di variabilità europea Wednesday, March 30, 2011
  • 29. • Perchè la popolazione sarda? Wednesday, March 30, 2011
  • 30. • Perchè le malattie autoimmuni? – Alta incidenza di malattie autoimmuni in Sardegna • Es.: l’incidenza del Diabete di Tipo 1 è 5 volte maggiore che nel resto d’Italia e pari all’incidenza osservata in Finlandia – Altre ipotesi • Gli stessi fattori genetici che predispongono alle malattie autoimmuni potrebbero in passato aver protetto la popolazione da alcune infezioni batteriche • Protezione nei confronti di alcune forme di tumore (modelli murini) • Longevità (ipotesi) Wednesday, March 30, 2011
  • 31. • Perchè le malattie autoimmuni? Wednesday, March 30, 2011
  • 32. • Perchè le malattie autoimmuni? Wednesday, March 30, 2011
  • 33. • Perchè le malattie autoimmuni? Wednesday, March 30, 2011
  • 34. Raccolta campioni biologici e dati clinici • Raccolta iniziata circa 20 anni fa • Gran numero di persone e istituzioni coinvolte • ∼2500 volontari sani provenienti da vari centri trasfusionali e ospedali dell’isola • ∼2500 pazienti affetti da Sclerosi Multipla • ∼1500 pazienti affetti da Diabete di Tipo 1 • La raccolta dei campioni continua! Wednesday, March 30, 2011
  • 35. Raccolta campioni biologici e dati clinici • Accurata definizione dei fenotipi clinici • Accurata selezione dei controlli rispetto al fenotipo da testare • Età • Sesso • Appartenenza effettiva alla popolazione sarda • Altri fenotipi presenti solo nei casi o solo nei controlli Wednesday, March 30, 2011
  • 36. Database dati clinici (beta) -> Seminario Gianmauro Cuccuru - “Approccio integrato alla gestione dati in ambito clinico e genetico” - 25 Maggio 2011 Wednesday, March 30, 2011
  • 37. Genotipizzazione • ∼6700 individui già genotipizzati • ∼840 individui • Non imparentati • Trios • Famiglie multigenerazionali con più affetti per famiglia Esempio: plot di calling per SNP Affymetrix J. M. Korn, et al.: Integrated genotype calling and association analysis of SNPs, common copy number polymorphisms and rare CNVs. Nat. Genet. Technical Reports, ng237 (October 2008) Wednesday, March 30, 2011
  • 38. LIMS (beta) -> Seminario Gian Franco Frau - “Laboratory Information Management System - Perchè e per cosa?” - 7 Settembre 2011 Wednesday, March 30, 2011
  • 39. Workflow • Studi di associazione Genome-Wide – Definizione casi e controlli – Raccolta campioni biologici e dati clinici – Genotipizzazione – Controlli di qualità su individui e marcatori – Analisi della struttura della popolazione – Test di associazione – Inferenza di marcatori non genotipizzati – Annotazione dei risultati e selezione marcatori candidati e regioni corrispondenti Wednesday, March 30, 2011
  • 40. Controlli di qualità sugli individui • Callrate >90%, 95%, 98% – % genotipi chiamati per individuo rispetto al totale • Corrispondenza tra sesso annotato e sesso inferito – Sesso inferito in base all’eterozigosità del cromosoma X • Verifica delle relazioni di parentela annotate – Mediante test di verosimiglianza tra genotipi reali e genotipi attesi in base alla relazione di parentela dichiarata – Test effettuato su oltre 5000 varianti di buona qualità altamente polimorfiche Wednesday, March 30, 2011
  • 41. Controlli di qualità sugli SNPs • Callrate > 95% o > 98% – % genotipi chiamati per un dato SNP sul totale degli individui • Assenza di deviazioni dall’equilibrio di Hardy- Weinberg nei controlli p frequenza allele 1 q frequenza allele 2 Wednesday, March 30, 2011
  • 42. Controlli di qualità sugli SNPs • Equilibrio di Hardy-Weinberg. Ipotesi: – Popolazione infinita – Assenza di flussi migratori – Non selezione – Non mutazione • Eliminazione SNPs con HWEp<0.000001 • Un discostamento dall’equilibrio di Hardy-Weinberg nei casi può essere indice di associazione Wednesday, March 30, 2011
  • 43. Controlli di qualità sugli SNPs • Minor Allele Frequency – Alleli con frequenza < 1% sono varianti rare – Diminuisce il potere di identificazione delle deviazioni dall’HWE – Possono nascondere errori di genotipizzazione – Possono generare associazioni spurie, perchè possono comparire in individui con fenotipi estremi • Eliminazione marcatori con MAF<1% o MAF<5% Wednesday, March 30, 2011
  • 44. Controlli di qualità sugli SNPs • Eliminazione SNPs con eccesso di errori mendeliani • Eliminazione SNPs con eccesso di maschi eterozigoti sul cromosoma X • Eliminazione SNPs con eccessivo tasso d’errore su dupliche Cut-off definiti in base ai dati disponibili Wednesday, March 30, 2011
  • 45. Passi successivi –Selezione individui non imparentati per test di associazione • Verifica dell’assenza di parenti –Controlli su SNPs testati comunque • Controllo callrate nei soli casi e nei soli controlli • Differenza tra callrate nei casi e callrate nei controlli non eccessiva • Controllo MAF nei soli casi e nei soli controlli • HWEp nei casi Wednesday, March 30, 2011
  • 46. Analisi della sottostruttura di popolazione • Stratificazione genetica: –fattore di confounding dovuto alla presenza di differenze di frequenze alleliche tra casi e controlli non correlate al fenotipo di interesse • Può portare all’identificazione di falsi positivi Wednesday, March 30, 2011
  • 47. Analisi della sottostruttura di popolazione • Principal Component Analysis (PCA) – Software Eigenstrat (http://genepath.med.harvard.edu/ ~reich/EIGENSTRAT.htm) – Mediante analisi di matrici di covarianza riduce lo spazio dei dati identificando gli assi di maggior variazione delle frequenze alleliche – Consente di identificare outliers – Consente di effettuare un test di associazione corretto per sottostruttura di popolazione – Analisi effettuata su 100,000 SNPs di buona qualità, altamente polimorfici Wednesday, March 30, 2011
  • 48. Test di associazione • Errore per test multipli • Accettare un errore del 5% e testare 600,000 SNPs significa accettare un errore pari a 0.05 * 600,000 = 30,000 associazioni false • Correzione di Bonferroni • Assumendo un errore del 5% e testando 600,000 SNPs la soglia di significatività per il mio test è 0.05 / 600,000 = 8.3 * 10-8 • La correzione di Bonferroni assume però indipendenza tra i test e si rivela eccessivamente conservativa in presenza di LD Wednesday, March 30, 2011
  • 50. Possibili svantaggi • I patterns di LD nelle popolazioni HapMap possono non riflettere i patterns di LD nella popolazione oggetto dello studio • Anche se gli SNPs selezionati per la creazione dei chips non sono random, ma sono stati scelti per essere rappresentativi (tag SNPs), HapMap non è un database esaustivo Wednesday, March 30, 2011
  • 51. Possibili svantaggi • Abbiamo visto che il numero di casi e controlli necessario per trovare un’associazione dipende anche dal LD con la variante causale. In che modo? Wednesday, March 30, 2011
  • 52. Inferenza • I metodi di inferenza sviluppati da statistici e informatici consentono di incrementare il numero di marcatori testati, a costi molto bassi rispetto a quelli degli esperimenti • Nuovi genotipi possono essere inferiti a partire da diversi pannelli di referenza – HapMap ∼3 milioni di SNPs – 1000 Genomes Project ∼13 milioni di SNPs – Sequenze di individui Sardi ∼10 milioni di SNPs Wednesday, March 30, 2011
  • 54. 1000 Genomes Project • Scopo • fornire un catalogo completo di • varianti genetiche umane (freq.>=1%) • varianti con frequenza <1% nelle regioni dei geni • dati di sequenza di alta qualità per l’85% del genoma • 629 individui • varie popolazioni Africa, Asia, Europa e America • Il catalogo include SNPs, CNV, inserzioni e delezioni • Il catalogo è fruibile gratuitamente Wednesday, March 30, 2011
  • 55. Pannello sequenze sarde • 508 individui sequenziati • 13,313,964 SNPs identificati • ∼45% presenti in dbSNP • http://www.ncbi.nlm.nih.gov/projects/SNP/ • ∼55% SNPs non descritti -> Seminario Frederic Reinier - “Sequenziamento e analisi bioinformatica del genoma umano” - 11 Maggio 2011 Wednesday, March 30, 2011
  • 56. Inferenza di marcatori non genotipizzati Wednesday, March 30, 2011
  • 57. Inferenza di marcatori non genotipizzati Wednesday, March 30, 2011
  • 58. Inferenza di marcatori non genotipizzati Wednesday, March 30, 2011
  • 59. Inferenza di marcatori non genotipizzati -> Seminario Serena Sanna “L’inferenza statistica e la lettura dei dati” Wednesday, March 30, 2011
  • 60. Annotazione Risultati • Quali informazioni per ogni SNP? • Risultati test di associazione • Risultati controlli di qualità • Gene in cui cade lo SNP o gene più vicino • Posizione e distanza dello SNP rispetto al gene • Tipologia dell SNP • Funzione del gene, quando nota Wednesday, March 30, 2011
  • 61. Ispezione visiva plot di calling • casi e controlli • casi • controlli Wednesday, March 30, 2011
  • 62. Ispezione visiva plot di calling • casi e controlli • casi • controlli SNP da scartare! Wednesday, March 30, 2011
  • 63. Cosa succede dopo l’associazione? • Selezione marcatori candidati • Replica associazione su un dataset indipendente • Analisi aplotipiche nelle regioni selezionate • Interpretazione biologica dei risultati • Studi funzionali • Studi su modelli animali Wednesday, March 30, 2011
  • 64. • Replica e estensione Risultati – Genotipizzazione con un’altra tecnologia dei marcatori selezionati negli stessi individui e calcolo del tasso di concordanza – Genotipizzazione con un’altra tecnologia dei marcatori selezionati in un set di individui indipendente http://www.appliedbiosystems.com/absite/us/en/home.html Wednesday, March 30, 2011
  • 65. • Analisi condizionale – Valutazione della presenza di varianti associate indipendenti nello stesso aplotipo – Valutazione dell’associazione dei marcatori rispetto all’associazione degli aplotipi di cui fanno parte • Studi funzionali – Studi dell’espressione dei geni in cui cadono gli SNPs associati o dei gene vicini – Studi dei prodotti proteici dei geni in cui cadono gli SNPs associati o dei gene vicini • Studi su modelli animali – Studi funzionali su modelli animali delle patologie Wednesday, March 30, 2011
  • 69. Primi risultati • top SNP • genotipizzato, non presente in HapMap II • presente solo nel chip Affymetrix • p-value su dati genotipizzati 7.9*10^-5 • p-value dopo inferenza su HapMap III e 1000 Genomes ∼3*10^-6 • p-value su 1775 casi e 2005 controlli 9.34*10^-6 Wednesday, March 30, 2011
  • 70. Primi risultati • Il top SNP identificato spiega tutta l’associazione al locus in cui si trova • Le analisi condizionali non hanno mostrato segnali indipendenti • Anche l’associazione degli aplotipi è meno significativa di quella del marcatore singolo Wednesday, March 30, 2011
  • 71. Ipotesi di interpretazione biologica • Topi con deficit nell’ortologo di CBLB presentano alta suscettibilità allo sviluppo dell’encefalomielite autoimmune Chiang, Y.J. et al., Nature 403, 216-20 (2000) • Il gene potrebbe avere un ruolo più generale nelle malattie autoimmuni è infatti un gene di suscettibilità per diverse malattie autoimmuni, tra cui il T1D, in diversi modelli murini Yokoi N. et al., Nat Genet 31(4), 391-4 (2002) Mordes J.P., et al. ILAR J 45(3), 278-91 (2004) Wednesday, March 30, 2011
  • 72. Ipotesi di interpretazione biologica • Il processo infiammatorio nella MS è causato dall’attività dei linfociti T, che riconoscono la mielina come estranea e la attaccano • Studi su modelli animali mettono in evidenza anche un ruolo dei linfociti B nello sviluppo della malattia Wednesday, March 30, 2011
  • 73. Ipotesi di interpretazione biologica • CBLB regola negativamente l’attività di TCR (T-cell receptors) e BCR (B-cell receptors) Wednesday, March 30, 2011
  • 74. Ipotesi di interpretazione biologica • CBLB regola negativamente l’attività di TCR (T-cell receptors) e BCR (B-cell receptors) Wednesday, March 30, 2011
  • 75. Ipotesi aggiuntive • Inoltre, altri studi hanno dimostrato che topi con deficit nel CBLB non sviluppano alcuni tipi di tumore Loser, S. & Penninger, J.M. Semin. Immunol. 19, 206-214 (2007) • Le variazioni nel gene CBLB sembrano essere critiche nel mantenimento del delicato equilibrio tra l’attivazione e la tolleranza immunologica con effetti opposti nell’autoimmunità e nel cancro Wednesday, March 30, 2011
  • 76. Lavori in corso • Estensione casistica (∼7000) –GWAS Sclerosi Multipla • 1922 controlli • 2280 casi –GWAS Diabete di Tipo 1 • 1917 controlli • 1377 casi –GWAS Autoimmunità (MS+T1D) • 1915 controlli • 3595 casi Wednesday, March 30, 2011
  • 77. Lavori in corso • Nuove genotipizzazioni – Affymetrix 6.0 – Illumina 1M • Nuove sequenze – Illumina HiSeq • Nuova imputazione – 1000 Genomes – Sequenze Sarde • Studi funzionali per capire meglio il ruolo di CBLB nella predisporre alla MS Wednesday, March 30, 2011
  • 78. Ringraziamenti Serena Sanna Sandra Lai Andrea Angius Maristella Pitzalis Antonella Mulas Maurizio Melis Magdalena Zoledziewska Gianmauro Cuccuru Giulio Rosati Carlo Sidore Eleonora Porcu Gonçalo R Abecasis Raffaele Murru Liming Liang Manuela Uda Michael B Whalen Patrizia Zavattari Maria Giovanna Marrosu Fabio Busonero Loredana Moi David Schlessinger Andrea Maschio Elisa Deriu Francesco Cucca Gianna Costa M Francesca Urru Maria Cristina Melis Michele Bajorek Francesca Deidda Maria Anna Satta Fausto Poddie Eleonora Cocco Laura Morelli Paola Ferrigno Gabriele Farina Stefano Sotgiu Yun Li Maura Pugliatti Mariano Dei Sebastiano Traccis Wednesday, March 30, 2011
  • 79. Ringraziamenti Francesco Cucca Lidia Leoni Giuditta Lecca Chris Jones Muriel Cabianca Fabrizio Murgia Luca Carta Carole Salis Serena Sanna Antonio Concas Eleonora Porcu Carlo Impagliazzo Andrea Mameli Carlo Sidore Sergio Mallus Massimo Mancini Maria Valentini Marco Moro Loredana Lai Michele Muggiri Fabio Bandel Rossano Atzeni Marco Pinna Riccardo Berutti Luca Pinna Tutti i volontari! Frederic Reinier Franco Piroddi Carlo Podda Andrea Angius Matteo Vocale Roberto Cusano Marco Marcelli Manuela Oppo Rosella Pilu Maria Francesca Urru Wednesday, March 30, 2011
  • 80. Riferimenti • Sanna S. et al. A GWAS in Sardinians reveals a novel gene associated with multiple sclerosis - European Society Of Human Genetics (ESHG) 2010 • Sanna S. et al. Variants within immunoregulatory CBLB gene are associated with multiple sclerosis Nat Genet 42(6):495-7 (2010) • Sanna S. Genome-wide association studies: past, present future - Seminar (2009) • Finny Kuruvilla, Broad Institute of Harvard and MIT Massachussetts General Hospital - Genotyping on the Affymetrix platform using Birdseed (2077) • Krina T. Zondervan and Lon R. Cardon The complex interplay among factors that influence allelic association Nat Genet Reviews (2004) • Lampis et al. Human Molecular Genetics. 2000, 9, 2959-2965 • Pugliatti et al. (EBC), Eur J Neurol (2006) • J. M. Korn, et al.: Integrated genotype calling and association analysis of SNPs, common copy number polymorphisms and rare CNVs. Nat. Genet. Technical Reports, ng237 (2008) • Chiang, Y.J. et al., Nature 403, 216-20 (2000) • Yokoi N. et al., Nat Genet 31(4), 391-4 (2002) • Mordes J.P., et al. ILAR J 45(3), 278-91 (2004) • Loser, S. & Penninger, J.M. Semin. Immunol. 19, 206-214 (2007) Wednesday, March 30, 2011
  • 81. Riferimenti • http://www.affymetrix.com • http://www.illumina.com/ • http://www.appliedbiosystems.com/absite/us/en/home.html • http://genepath.med.harvard.edu/~reich/EIGENSTRAT.htm • http://hapmap.ncbi.nlm.nih.gov/ • http://www.1000genomes.org/ Wednesday, March 30, 2011
  • 82. Grazie per l’attenzione! Ilenia Zara ilenia.zara@crs4.it Wednesday, March 30, 2011
  • 83. BIOMEDICINA ENERGIA E AMBIENTE DATA FUSION Collana di Seminari per la Valorizzazione dei Risultati della Ricerca al CRS4 20.04.2011 prossimo appuntamento... SALA AUDITORIUM via Roma, 253 - Cagliari Seminario 11:00 -12:30 A.M. 20 aprile 2011 La “rivoluzione digitale”, in atto da anni in tutti i settori della vita quotidiana, sta investendo in modo sempre più intensivo la Medicine goes digital medicina in generale e la pratica clinica: la tecnologia è ormai diventata un fattore pervasivo ed importante nell’ambito dei processi di cura, contribuendo a migliorare l’assistenza ai pazienti. Durante il seminario, partendo dall’esperienza più che decennale del CRS4 in ricerca e sviluppo per l’impiego di informatica e tecnologia in campo medico, verranno presentate le attività di ricerca del gruppo Healthcare Flows nell’ambito delle applicazioni biomediche, dell’informatica clinica e della sanità elettronica, anche in stretta collaborazione con istituzioni sanitarie di eccellenza. In particolare si parlerà di integrazione di sistemi clinici, sicurezza e tracciabilità nei processi sanitari, gestione semantica e computazionale di dati biomedici eterogenei, medicina distribuita e telemedicina. Relatore: Riccardo Triunfo Relatore Riccardo Triunfo La “rivoluzione digitale”, in atto da anni in tutti i settori della vita quotidiana, sta investendo in modo sempre più intensivo la medicina in generale e la pratica CRS4 clinica: la tecnologia è ormai diventata un fattore pervasivo ed importante nell’ambito dei processi di cura, contribuendo a migliorare l’assistenza ai pazienti. Durante il seminario, partendo dall’esperienza più che decennale del CRS4 in Wednesday, March 30, 2011
  • 84. Info e iscrizione: www.crs4.it Risorse online facebook.com/crs4fb twitter.com/crs4research youtube.com/CRS4video slideshare.net/CRS4 contatti: calis@crs4.it Wednesday, March 30, 2011