Download genoma humano y medicina

Simposium “AVANCES Y PERSPECTIVAS DE LA MEDICINA CIENTIFICA EN COLOMBIA”
Universidad Tecnológica de Pereira
Pereira , RIS, Colombia
GENOMA HUMANO Y MEDICINA
LUIS E. FIGUERA
División
División de
de Genética,
Genética, Centro
Centro de
de Investigación
Investigación Biomédica
Biomédica de
de Occidente
Occidente -- IMSS
IMSS
Doctorado
Doctorado en
en Genética
Genética Humana,
Humana, CUCS
CUCS -- UdeG.
UdeG.
Guadalajara,
Guadalajara, Jal.
Jal.
COMISION
COMISION NACIONAL
NACIONAL PARA
PARA EL
EL GENOMA
GENOMA HUMANO
HUMANO
Pereira, Noviembre 24 del 2004.
Opinión de los Médicos
Cree que la secuenciación del Genoma Humano afectará la
forma como maneja y evalua sus pacientes? (N=376)
No
27%
Si
73%
0%
20%
40%
60%
80%
Piensa que la secuenciación del Genoma Humano tendrá un
efecto positivo o negativo en la atención a los pacientes? (N=788)
E. Positivo
89%
E. Negativo
5%
No efecto
6%
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Medscape Instant Polling, 2000
Life and Death Decisions:
America's Changing Attitudes Towards Genetic
Engineering, Genetic Testing and Abortion, 1972-98.
Bane A, Brown L, Carter J, Cote C, Crider K, de la Forest S,
Livingston M, Montero D.
International Social Work (2003) 46: 209-219.
“La Medicina no es una ciencia. Es
precisamente una profesión, una actividad
práctica. Se propone mantener la salud
en la especie humana. Entra en la ciencia
y toma de sus resultados cuanto
considera eficaz, pero deja el resto.
Apronta soluciones. Si son científicas
mejor, pero no es necesario que lo sean.
Pueden proceder de una experiencia
milenaria que la ciencia aún no ha
explicado ni consagrado”.
José Ortega y Gasset
“La Medicina no es una ciencia. Es
precisamente una profesión, una actividad
práctica. Se propone mantener la salud en
la especie humana. Entra en la ciencia
y toma de sus resultados cuanto
considera eficaz, pero deja el resto.
Apronta soluciones. Si son científicas
mejor, pero no es necesario que lo sean.
Pueden proceder de una experiencia
milenaria que la ciencia aún no ha
explicado ni consagrado”.
José Ortega y Gasset
23,X
23,X ó Y
1 célula
46,XX
46,XY
1014 células
Ideograma de los
Cromosomas Humanos
Cromátides
hermanas
ADN
ADN
Centrómero
Nucleosoma
Asa de fibra de cromatina
Doble
cadena
Espaciador
Fibra de
cromatina
EL CODIGO GENETICO
3a BASE DEL CODON
|a BASE DEL CODON
2a BASE DEL CODON
1960
1970
1980
1990
2000
2010
“Cromosomología”
1956
Genética de células somáticas
• Mapeo de genes
• Errores innatos del metabolismo
• Mutaciones somáticas en cáncer
Genética molecular
Ratones transgénicos, KO...
Bases de datos
“Investigación en silicio”
Microarreglos
2020
SINDROME DOWN
Cariotipo
Trisomía 21
1
2
3
6
7
8
13
19
14
20
4
9
10
16
15
21
22
11
17
5
12
18
X
Y
Frecuencia de la
anemia drepanocítica
Distribución de
malaria causada por
Plasmodium falciparum
ANEMIA DE
DE CELULAS
CELULAS FALCIFORMES
FALCIFORMES
ANEMIA
A
Eritrocitos normales
B
Drepanocitos
Anemia Drepanocítica
ADN
C A T
C T T
ARN
G U A
C A A
Glu
PROTEINA
MOLECULAS
DE
HEMOGLOBINA
Val
GENOMA HUMANO
HUMANO
GENOMA
ADN Nuclear
Nuclear
ADN
3,200Mb
Mb
3,200
ADN Mitocondrial
Mitocondrial
ADN
16.6Kb
Kb
16.6
Genesyysecuencias
secuencias
Genes
relacionadas
relacionadas
20%
20%
Codificador
Codificador
2%
<<2%
Nocodificador
codificador
No
>98%
>98%
VNTR
&
STR
DNAextragénico
extragénico
DNA
80%
80%
Copiaúnica
únicaooen
en
Copia
bajonúmero
número
bajo
70-80%
70-80%
Repeticionesen
en
Repeticiones
tandemyyagrupadas
agrupadas
tandem
60%
60%
Demoderado
moderadoaa
De
altamenterepetitivo
repetitivo
altamente
20-30%
20-30%
Repeticionesintercaladas
intercaladas
Repeticiones
40%
40%
LINES & SINES
Entradas en “Mendelian Inheritance in Man” On-line
16,000
15,708
15,708
15,708
15,000
14,000
Noviembre 22, 2004
OMIM
13,000
Autosómicas: 14,718
14,718
Autosómicas:
Ligadas al
al X:
X: 876
876
Ligadas
Ligadas al
al Y:
Y: 55
55
Ligadas
Mitocondriales: 63
63
MIM12
Mitocondriales:
Número de entradas en MIM
12,000
11,000
10,000
9,000
8,000
7,000
MIM11
6,000
MIM10
5,000
MIM9
MIM8
MIM7
4,000
MIM6
3,000
MIM5
MIM4
2,000
MIM1 MIM2
1,000
1965
1970
MIM3
1975
1980
1985
AÑO
1990
1995
2000
2005
Gen
Segmento de ADN que codifica (casi
siempre) la síntesis de una cadena
polipeptídica
5´
Exón 1
Intrón
Exón 2
3´
TIPOS
DE
MUTACIONES
SECUENCIA SILVESTRE
CGC CCG TCA CCG TTA
LEUCINA
ARGININA
SERINA
PROLINA
PROLINA
MUTACION SILENTE
CGC CCG TCC CCG TTA
LEUCINA
ARGININA
SERINA
PROLINA
PROLINA
MUTACION DE
SENTIDO EQUIVOCAVDO
CGC CCG ACA CCG TTA
LEUCINA
ARGININA
TREONINA
PROLINA
PROLINA
MUTACIÓN SIN SENTIDO
CGC CCG TAA CCG TTA
ARGININA
STOP
PROLINA
CORRIMIENTO DEL
MARCO DE LECTURA
CGC CCG TCG ACC GTT
VALINA
ARGININA
SERINA
TREONINA
PROLINA
REPLICACION
ADN
Núcleo
Citoplasma
TRANSCRIPCION
ARN
TRADUCCION
PROTEINA
ADN
METABOLITOS
ARN
Núcleo
Citoplasma
PROTEINA
MEDIO
AMBIENTE
OBJETIVOS DEL
PROYECTO GENOMA HUMANO
•
•
•
•
Analizar la estructura del genoma humano
Identificar los 35-50,000 genes humanos
Determinar la secuencia de las 3,200
millones de pares de bases.
Almacenar la información en base de datos
y mejorar las herramientas para su análisis
•
Desarrollar y transferir tecnología a
aplicaciones prácticas
•
Abordar los problemas éticos, sociales y
legales que surjan del PGH
ESTRATEGIAS DE SECUENCIACION
a
b
Generacion de decenas de
millones de secuencias leidas
Clonas
clasificadas
e
identificadas
Se
generaron
miles de
secuencias
por clona
Ensamblaje
Ensamblaje
Por que importa el método de
secuenciación utilizado?
Organismo
Tamaño
8 veces
#reaciones
#geles
Bacteria
~1Mb
8 Mb
13K
144
Levadura
~12 Mb
96 MB
160K
1800
C. elegans
~100 Mb
800 Mb
1.3M
14,000
Humano
~3000 Mb
24000Mb
40M
450,000
1 gacaccatcg aatggcgcaa aacctttcgc ggtatggcat gatagcgccc ggaagagagt
61 caattcaggg tggtgaatgt gaaaccagta acgttatacg atgtcgcaga gtatgccggt
121 gtctcttatc agaccgtttc ccgcgtggtg aaccaggcca gccacgtttc tgcgaaaacg
181 cgggaaaaag tggaagcggc gatggcggag ctgaattaca ttcccaaccg cgtggcacaa
241 caactggcgg gcaaacagtc gttgctgatt ggcgttgcca cctccagtct ggccctgcac
301 gcgccgtcgc aaattgtcgc ggcgattaaa tctcgcgccg atcaactggg tgccagcgtg
361 gtggtgtcga tggtagaacg aagcggcgtc gaagcctgta aagcggcggt gcacaatctt
421 ctcgcgcaac gcgtcagtgg gctgatcatt aactatccgc tggatgacca ggatgccatt
481 gctgtggaag ctgcctgcac taatgttccg gcgttatttc ttgatgtctc tgaccagaca
541 cccatcaaca gtattatttt ctcccatgaa gacggtacgc gactgggcgt ggagcatctg
601 gtcgcattgg gtcaccagca aatcgcgctg ttagcgggcc cattaagttc tgtctcggcg
661 cgtctgcgtc tggctggctg gcataaatat ctcactcgca atcaaattca gccgatagcg
721 gaacgggaag gcgactggag tgccatgtcc ggttttcaac aaaccatgca aatgctgaat
781 gagggcatcg ttcccactgc gatgctggtt gccaacgatc agatggcgct gggcgcaatg
841 cgcgccatta ccgagtccgg gctgcgcgtt ggtgcggata tctcggtagt gggatacgac
901 gataccgaag acagctcatg ttatatcccg ccgtcaacca ccatcaaaca ggattttcgc
961 ctgctggggc aaaccagcgt ggaccgcttg ctgcaactct ctcagggcca ggcggtgaag
gacaccatcg aatggcgcaa aacctttcgc ggtatggcat gatagcgccc ggaagagagt
caattcaggg tggtgaatgt gaelccagta acgttatacg atgtcgcaga gtatgccggt
gtctcttatc agaccgtttc ccgcgtggtg aaccaggcca gccacgtttc tgcgaaaacg
cgggaaaaag tggaagcggc gatggcggag ctgaattaca ttcccaaccg cgtggcacaa
caactggcgg gcaaacagtc gttgctgatt gcmensajeg cctccagtct ggccctgcac
gcgccgtcgc aaattgtcgc ggcgattaaa tctcgcgccg atcaactggg tgccagcgtg
gtggtgtcga tgestáaacg aagcggcgtc gaagcctgta aagcggcggt gcacaatctt
ctcgcgcaac gcgtcagtgg gctgatcatt aactatccgc tggatgacca ggatgccatt
gctgtggaag ctgcctgcac taatgttccg gcgttatttc ttgatgtctc tgaccagaca
cccatcaaca gtattatttt ctcccatgaa gacggtacgc gactgggcgt ggagcatctg
gtcgcattgg gtcaccagca aatcgcgctg ttagcgggcc cattaagallítc tgtctcggcg
cgtctgcgtc tggctggctg gcataaatat ctcactcgca atcaaattca gccgatagcg
gaacgsoloag gcgactggag tgccatgtcc ggdebemosc aaaccatgca aatgctgaat
gagggcatcg ttcccactgc gatgctggtt gccaacgatc agatggcgct gggcgcaatg
cgcgccatta caprenderg gctgcgcgtt ggtgcggata tctcggtagt gggatacgac
gataccgaag acleerlog ttatatcccg ccgtcaacca ccatcaaaca ggattttcgc
ctgctggggc aaaccagcgt ggaccgcttg ctgcaactct ctcagggcca ggcggtgaag
gacaccatcg aatggcgcaa aacctttcgc ggtatggcat gatagcgccc ggaagagagt
caattcaggg tggtgaatgt gaelccagta acgttatacg atgtcgcaga gtatgccggt
gtctcttatc agaccgtttc ccgcgtggtg aaccaggcca gccacgtttc tgcgaaaacg
cgggaaaaag tggaagcggc gatggcggag ctgaattaca ttcccaaccg cgtggcacaa
caactggcgg gcaaacagtc gttgctgatt ggcmensaje cctccagtct ggccctgcac
gcgccgtcgc aaattgtcgc ggcgattaaa tctcgcgccg atcaactggg tgccagcgtg
gtggtgtcga tgestáaacg aagcggcgtc gaagcctgta aagcggcggt gcacaatctt
ctcgcgcaac gcgtcagtgg gctgatcatt aactatccgc tggatgacca ggatgccatt
gctgtggaag ctgcctgcac taatgttccg gcgttatttc ttgatgtctc tgaccagaca
cccatcaaca gtattatttt ctcccatgaa gacggtacgc gactgggcgt ggagcatctg
gtcgcattgg gtcaccagca aatcgcgctg ttagcgggcc cattaagallítc tgtctcggcg
cgtctgcgtc tggctggctg gcataaatat ctcactcgca atcaaattca gccgatagcg
gaacgsoloag gcgactggag tgccatgtcc ggdebemosc aaaccatgca aatgctgaat
gagggcatcg ttcccactgc gatgctggtt gccaacgatc agatggcgct gggcgcaatg
cgcgccatta caprenderg gctgcgcgtt ggtgcggata tctcggtagt gggatacgac
gataccgaag acleerlog ttatatcccg ccgtcaacca ccatcaaaca ggattttcgc
ctgctggggc aaaccagcgt ggaccgcttg ctgcaactct ctcagggcca ggcggtgaag
el mensaje está allí
solo debemos aprender
a leerlo
SABIA USTED QUE...?
•
Si extendemos el ADN contenido en cada célula
formaría una hebra de aproximadamente 2 metros, y
si unimos el ADN de todas las células del cuerpo
humano se formaría un “hilo” que iría de la Tierra al
planeta Plutón.
•
Si escribimos en forma continua la secuencia
completa del Genoma Humano (3,200 millones de
bases) se llenarían ~1,000 directorios telefónicos
como los de la Ciudad de México.
•
Una persona que lea, en voz alta y de forma
continua, la secuencia del genoma, a una velocidad
de 10 bases por segundo, requeriría 9.5 años.
Genes y Estructura Génica
•
Número estimado de genes: 20.000 a 24.000
•
Tamaño promedio: 27 kb
•
Gen más grande: Distrofina 2.4 Mb - 0.6% regiones codific – 16 hrs
p/tranascribirse.
•
Gen más corto: tRNATYR 100% codificante
•
Exón más grande: exon 26 de ApoB 7.6 kb
•
Average exon number: 9
•
Mayor número de exones: Titin 363
•
Intrón más grande : intron 8 de WWOX 800 kb
•
Genes sin intrones: genes mitocondriales, muchos genes de RNA,
Más corto: <10pb
Menor número de exones: 1
Más corto: 10s of bp
Interferones, Histonas,..
Jobling, Hurles & Tyler-Smith (2004) HEG p 29 + HMG chapt. 9
GENOMA HUMANO
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13 14
15
16
17
19 20
18
X
21
22
Mitocondria
Y
.016
3.2x109 pb
β-globina
Mioglobina
α -globina
(cromosoma 11)
6x104 pb
Exon 1Exon 2
Exon 3
3x103 pb
Extremo 5’
ADN:
Proteina:
Extremo 3’
ATTGCCATGTCGATAATTGGACTATTTGGA
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
aa
30 pb
aa
http://www.sanger.ac.uk/HGP/ & R.Harding & HMG (2004) p 245
El tamaño del Genoma se incrementa
exponencialmente pero no el número de genes
10 4
1 10 5
8 10 4
1000
Número de Genes
100
6 10 4
10
4 10 4
1
2 10 4
0.1
M. gen. H. infl. E. coli S. cer. C. ele. D. mel. H. sap.
Especies
0
Número de genes
Tamaño del genoma (Mb)
Tamaño del genoma (Mb)
Número de genes = Complejidad?
60000
Número de genes
50000
40000
30000
20000
10000
0
Humano
Planta
Mosca
Gusano
Especie
Levadura
Maíz
Complejidad?
• Es la “cultura” proporcional al tamaño
de la población?
• Es la complejidad de la WWW
proporcional a su tamaño?
• La respuesta es una mezcla de todo:
Interacciones genéticas, empalmes
alternativos, regulaciones no-génicas,
modificaciones pos-transcripcionales y
pos-traduccionales
2
1
3
6
7
8
13
14
15
19
20
9
21
4
5
10
11
12
16
17
18
22
X
PCR TIEMPO REAL
Sistemas para Análisis de
Variantes Genéticas
Secuenciación
automatizada
DNA chips
SBE Multiplex
MALDI-TOF Espectrometría de Masas
Muestra 1
Muestra 2
RNAm
TEP1
ADNc
Microarreglo de ADN
Diagnóstico Preimplantación
Diagnóstico Preimplantación
afectado
afectado
Transferencia solo de los
productos no-afectados
afectado
ACONDROPLASIA
Modelo Murino
Actividad enzimática vs Análisis del gen
Actividad enzimática
Detección de
mutaciones
Ventajas
Potencialmente, detecta
todos los defectos
(sensibilidad 100%).
Rápido y sencillo.
Desventajas
Consume tiempo - No
automatizado - Requiere
experiencia – Falsos
negativos después de
transfusiones.
Sensibilidad limitada
(≈75%) – Análisis
completo del gen
consume tiempo y
es costoso.
Complejidad
Dirección de las Ciencias Básicas
Proteómica
Genómica
Bioquímica
Fisiología
Evolución
Era de Piedra
Basado en el
análisis de una
amplificación
visual
Era Farma
Utilización de
vias químicas y
biológicas
Era del Gen
Investigación
genómica y
tratamiento
•Aparato de Rx.
•Espectrómetro
•Gene splicers
•Microscópios
•RMN
•Secuenciadores
Nueva Era
Tratamiento
preciso/proteín
as específicas
•Biochips
•Protein specific
devices/equip
CAMBIO DE PARADIGMAS EN LA
INVESTIGACION BIOMEDICA
GENÓMICA ESTRUCTURAL
GENÓMICA FUNCIONAL
Estudio del genoma
Conocimiento basado en el
mapa genético conocido
Estudio del Proteoma
Conocimiento basado en
secuencias de genes conocidos
Transtornos monogénicos
Diagnóstico específico por DNA
Análisis de un gen
Transtornos Multifactoriales
Identificación de suceptibilidad
Análisis de múltiples genes en
familias de genes en vías o sistemas
Funcionamiento génico
Regulación génica
Etiología (mutaciones específicas)
Patogénesis (mecanismos)
Una especie
Varias especies
gene A
Gen L
Codificadora
No-codificadora
Variantes producidas por “empalme alternativo”
Proteína A
Proteína B
Proteína C
PROTEINA A
PROTEINA B
PROTEINA C
Funciones varias
Defensa e inmunidad
Estructurales/
citoesqueleto
Proteínas
multifuncionales
Transporte
Dobaldo y degradació
n de proteinas
Comunicación
célula-célula
Señalización intracelular
Transcripción/
Traducción
Modificación y
replicación de ADN
Metabolismo
Procesos celulares
Número de proteinas
Función de las proteínas
Levadura
Planta
Gusano
Mosca
Humano
Número de individuos
afectados
Edad de Manifestación de los
Problemas Genéticos
Cromosómicos
Multifactoriales
Monogénicos
c
Na
im
to
n
ie
rta
e
b
Pu
d
M
z
e
r
u
ad
Gelehrter et al., Mayo Clin Proc, 78:846, 2003.
ENFOQUE GENOMICO DE LA
ENFERMEDAD
• Busca identificar las diferencias entre la
persona sana y la enferma
• Por ejemplo: una mutación en el gen Z.
Una enfermedad es causada
Modelo
del
proceso
por mutación en el gen Z
Mensajero X
Activación del gen Z
Producto Z
Estimula la producción
de la enzima A
Insuficiente enzima A
Inhibe la producción de
la enzima B
Demasiada enzima B
…o problemas más allá de este punto
…aunque puede ser dificil
determinar la causa exacta
La misma enfermedad puede
ser causada por un problema
en el mensajero.
Pero el análisis a nivel del AND identificará
que el gen que “origina” el mensajero X
como la causa del problema. De modo que
el “gen enfermo” es otro no considerado
inicialmente.
Modelo del proceso
Mensajero X
El mensajero X activa al gen Z
Producto Z
El producto estimula la
producción de la enzima A
El producto inhibe la
producción de enzima B
Así, enfermedades aparentemente
idénticas pueden tener causas genéticas
muy diferentes
En el ejemplo aquí propuesto, la
enfermedad causada por la falla de X y
Z parecerán idénticas, y pueden ser
tratadas de igual forma, pero en
realidad son genéticamente diferentes.
HETEROGENEIDAD GENETICA
La genética humana ha sido capaz de
explicar las enfermedades monogénicas
Genotipo
Fenotipo
Medio Ambiente
ACONDROPLASIA
GENETICA EN MEDICINA
Enfermedad
Presintomático
Prenatal
}
Nacimiento
Predisposición
genética
Factores
ambientales
…pero la mayoría de las enfermedades
son causadas por la interacción de
múltiples genes y factores ambientales
Genotipo
Fenotipo
Medio Ambiente
http://www.decode.com + Helgason, A. et al. (2003 June) “A population-wide
coalescent analysis of Icelandic matrilineal and patrilineal genealogies: Evidence
for a faster evolutionary rate of mtDNA lineages than Y-chromosomes” American
Journal Human Genetics.
Enfoque Tradicional: Análisis de ligamiento
•Muy efectivo para
rasgos
monogénicos
•Éxito limitado para
enfermedades
comunes (v.g. Enf
cardiovascular,
diabetes, trast.
psiquiátricos).
Su efectividad se ve reducida por la baja correlación
entre un gen/marcador con una enfermedad
Enfoque estadístico para el estudio de
enfermedades: Asociación directa
Correlaciona variantes
individuales con la enfermedad
Enfermedad
Salud
Riesgo relativo de presentación de una enfermedad
compleja en familiares en 1er grado de un afectado
Ocurrencia en la
población (%)
Ocurrencia en un
pariente de 1er grado (%)
Diabetes Tipo 1
0.4
6
Diabetes Tipo 2
6-7
20
0.4 – 0.5
4
5 -6
30
Enfermedad
Esquizofrenia
Asma Bronquial
RIESGO FAMILIAR PARA ESQUIZOFRENIA
Parentesco
Genes
Compartidos 0%
Gemelos Monozigóticos
RIESGO
20%
40%
60%
46%
100%
Descendientes de dos pacientes- -
46%
Gemelos dizigóticos
50%
14%
Hijos de un paciente
50%
13%
Hermanos
50%
Sobrinos
25%
10%
3%
Cónyuges
0%
2%
Personas no-emparentadas
en la población general
0%
0%
Valor predictivo de pruebas genéticas
(probabilidad que una persona con una
prueba genética “positiva” desarrolle la
enfermedad)
•
•
•
•
•
•
Distrofia muscular Duchenne - 100%
Corea de Huntington (<70a) - >95%
Cáncer de mama (BRCA) - 80%
Enfermedad de Alzheimer (homo E4) -50%
Espondilitis anquilosante (HLA-B27, con
dolor dorsal) - 30%
Diabetes mellitus (IDDM DR3/4) - 0.5%
“La
“La variabilidad
variabilidad es
es la
la ley
ley de
de la
la
vida,
vida, yy así
así como
como dos
dos cara
cara no
no
son
son iguales,
iguales, tampoco
tampoco lo
lo son
son
dos
dos cuerpos,
cuerpos, yy dos
dos personas
personas no
no
reaccionan
igual,
ni
se
reaccionan
igual,
ni
se
comportan
comportan igual
igual las
las bajo
bajo las
las
condiciones
condiciones adversas
adversas que
que
llamamos
llamamos enfermedades”
enfermedades”
Sir
SirWilliam
WilliamOsler
Osler
(1849-1919)
(1849-1919)
Alelos Polimórficos
Alelo: Cada una de las formas alternas de la
secuencia de ADN que se pueden encontrar en un
locus cromosómico determinado
Polimorfismo: Variación en la secuencia nucleotídica
de los alelos causada por mutaciones, deleciones,
inserciones-- Polimorfismo en general se refiere a la
existencia en la población de 2 o más genotipos
altenativos con una frecuencia de al menos 1%
Existe un polimorfismo en este cromosoma con 2 alelos: A y B
A
B
pueden existir mas de 2 alelos en una població, v.g.,
A,B,C,D o A,B,O o G,g,C,D,LA o 1,2,3,4,5,6, etc., etc.
A
2
B
1
C
3
D
2
Loci cromosómicos con múltiples alelos
Individuo #1
Individuo #2
Transmisión de un polimorfismo hipervariable
1
2
3
4
Southern blot utilizando sonda para un VNTR hipervariable,
todos en el pedigree son heterocigotos para el locus
de Thompson & Thompson, “Genetics in Medicine”
1
2
3
Modificado de Thompson & Thompson, “Genetics in Medicine”
SNPs
Single Nucleotide Polymorphism
Características de un
Marcador Ideal
•
•
•
•
Objetividad
Variabilidad discontinua
Herencia mendeliana simple
No son modificados por el
ambiente, edad y/o cuadros
patológicos.
La mayoría de las variaciones en el
ADN son de una sola base: SNPs
Orientales
T
A
T
C
G
C
G
T
A
C
A
G
Orientales
T
A
T
C
G
C
G
T
A
C
A
G
Occidentales T
A
T
C
G
T
G
T
A
C
A
G
Occidentales T
A
T
C
G
T
G
T
A
C
A
G
SNP: Polimorfismo de un solo nucleótido
•
•
•
•
•
Propiedades
Cambio de un nucleótido en un
genoma
Se presentan en > 1% de la población
Constituyen más del 90% de la
variación genética entre humanos
Se presenta cada ~300-500 pb, tanto
en regiones codificadoras como nocodificadoras
El genoma humano contiene ~3
millones de SNPs
SNP: Polimorfismo de un solo nucleótido
Propiedades (cont.)
Cerca de 2/3 de los SNPs
reemplazan una C por una T
• Las islas CpG son “hot spots” para
SNPs
• Son menos frecuentes en cromosomas sexuales
• Se calculan 20-60.000 SNPs en
exones, estimando 30 mil genes,
exitirían 1-2 SNPs por gen.
• Son evolutivamente estables
•
Receptores
Sin efecto
Estado Patológico:
Proteínas
transportadoras
de drogas
SNP
v.g., Fibrosis quística
Anemia falciforme
Metabolismo anormal
de drogas:
Enzimas P450
• Metabolizador lento
• Metabolizador ultra-rápido
Divergencia chimpanze-humano
6-8
Millones
de años
Chimpanze
Homínidos u hominins
Humanos
Highest resolution:
complete sequences
Ingman et al. 2000
QUE NOS DICE EL ARBOL DEL ADNmt?
•
•
•
•
•
•
La raíz del árbol está en Africa
Solo la raíz se extiende a lo largo de 200,000 a
Las poblaciones africanas son mas diversas
que las poblaciones no-africanas
Los ADNmt no-africanos están más
relacionados
No existó una sola “EVA”
No hubo relación alguna con otros humanoides
arcaicos surgidos fuera de Africa
Distribución de haplogrupos del
cromosoma Y
A
B C D E F* G H
I
J K* L M N O P* Q R
Jobling & Tyler-Smith (2003) Nature Rev. Genet. 4, 598-612
Reconstruyendo Historias
Las semejanzas entre las secuencias se utilizan para inferir relaciones
genealógicas
1) TCTGGATCGGA
2) TCCGGATCGTA
3) TGTGAACCGTA
1
G
GAC
3
2
C
Estas variantes en la secuencia permiten construir los árboles
3
2
1
Otros grupos
Estos árboles se pueden construir asumiendo un reloj molecular
CRECIMIENTO DEL GenBank
40
35
30
Secuencias
(milliones)
Rel. 124 Junio 2001
Rel. 142 Junio 2004
35
13,000 Mbases
40,000 Mbases
30
25
20
15
10,000 archivos nuevos o actualizados por día
20
15
10
10
5
0
5
’83 ’84 ’85 ’86 ’87 ’88 ’89 ’90 ’91 ’92 ’93 ’94 ’95 ’96 ’97 ’98 ’99 ’00 ’01 ’02 ’03 ’04
0
Total Pares de Bases
(billoens)
25
Sequence records
Total pares de bases
Biotecnología
Bioinformática
Medicina
Molecular
GENÓMICA
GENÓMICA
Secuenciade
deADN
ADNyypolimorfismos
polimorfismosde
deuna
unabase
base
Secuencia
(SNPs)
(SNPs)
TRANSCRIPTOMICA
TRANSCRIPTOMICA
Patronesde
deexpesión
expesiónde
degenes
genes
Patrones
PROTEOMICA
PROTEOMICA
Estructurayyfunción
funciónde
delas
lasproteinas
proteinas
Estructura
METABOLOMICA
METABOLOMICA
Característicasyyfunciones
funcionesde
demetabolitos
metabolitos
Características
Farmacogenómica
Función Génica y
Fenotipo
Nutrigenómica
BIOINFORMATICA
ACTUAL
BIOINFORMATICA
EN EL FUTURO
MATEMATICAS
INFORMATICA
MATEMATICAS
INFORMATICA
FISICA
BIOLOGIA
FISICA
BIOLOGIA
QUIMICA
MEDICINA
QUIMICA
MEDICINA
Kanehisa, M. & P. Bork (2003). "Bioinformatics in the post-sequence era." Nat Genet 33 (Suppl):
305-10
PROTEINA
PIR
SWISS-PROT
ENFERMEDAD
LocusLink
OMIM
OMIA
GENOMAS
ENSAMBLADOS
GoldenPath
WormBase
MOTIFS
TIGR
BLOCKS
DATOS DE
GENOMICA
Pfam
Prosite
GenBank
ESTs
GENES
DDBJ
dbEST
EMBL
RefSeq
unigene
AllGenes
GDB
SNPs
dbSNP
VIAS
KEGG
ESTRUCTURA
PDB
MMDB
SCOP
COG
EXPRESION
GENICA
Stanford MGDB
NetAffx
ArrayExpress
LITERATURA
PubMed
Paises de origen de las consultas al NCBI
Bélgica 1%
Suiza 1%
Suecia 1%
Brasil 2%
Otros
14%
España 2%
Holanda2%
Reino Unido 3%
EUA. (.com, .net, .gov)
40%
Alemania 3%
Canadá 3%
Italia 4%
Japon 6%
Universidades de EUA
18%
Xeno-órganos
Organos porcinos transgénicos
Células madres
“Stem cells” alogenicas y autólogas
Terapia génica
Vectores in vivo & ex vivo
Proteínas recombinantes
Insulina, GM-CSF, Anticuerpos monoclonales
Productos microbiológicos
Ciclosporina, Antibióticos
Productos naturales purificados
Reserpina, Taxol
Productos químicos de medicina clásica
Aspirina, Melleril
1940
1960
1980
2000
2020
Año
CONCEPTO CLÁSICO
“ La diferencia
entre la medicina
y el veneno está
en la dosis ”
Paracelsus
(1493-1541)
Bases Farmacocinéticas para
Diferencias en la Respuesta a
Medicamentos
• Factores Externos
– Medio ambientales (fumar, dieta, alcohol)
– Interacción de drogas
• Factores Internos
– Demográficos (sexo, edad, raza)
– Enfermedades (renal, hepática)
– Farmacogenética (Polimorfismos en genes que
codifican para enzimas metabolizadoras de drogas)
Paradoja del desarrollo de
medicamentos nuevos
• Las
pruebas
clínicas
aportan
evidencia sobre la eficacia
y
seguridad utilizando dosis habituales
en poblaciones
• El médico trata pacientes (individuos)
quienes pueden variar ampliamente
en su respuesta al tratamiento con
drogas
Phases of Product Development
Phase II
Phase III
FDA
Years
3.5
1
2
3
2.5
Test
Population
Laboratory
and animal
studies
20 to 80
healthy
volunteers
100 to 300
patient
volunteers
1000 to 3000
patient
volunteers
Purpose
Success
Rate
Assess
safety and
biological
activity
5,000
compounds
evaluated
Determine
safety and
dosage
5 enter trials
Evaluate
effectiveness,
look for side
effects
Verify
effectiveness,
monitor adverse
reactions from
long-term use
File NDA at FDA
Phase I
File IND at FDA
Preclinical
Testing
Phase
IV
12 TOTAL
Review
process /
Approval
Additiona
l Post
marketin
g testing
required
by FDA
Cost US$350 Million
1
approved
IND: Investigational New Drug Application
NDA: New Drug Application
http://www.allp.com/drug_dev.htm
Reacción Adversa a Medicamentos
(RAM): Estadísticas
• 28% de pacientes hospitalizados tienen
alguna RAM… Miller et al., Am J Hosp Pharm 30, 584,
1973
• 17% de niños hospitalizados tienen RAM…
Mitchell et al., Am J Epid 110, 196, 1979
• La incidencia general de RAM es del 7%…
Lazarou et al., JAMA, 279, 1200, 1998
• El costo de la mobi-mortalidad causada
por RAM es US$177 mil millones… Ernst et al., J
Am Pharm Assoc, 41, 192, 2001
Farmacogenética y
Metabolismo de Drogas
CYP450
GCCCGCCTC
Silvestre
Paciente B
GCCCACCTC
Mutante
CYP450
Concentración
Paciente A
Concentración
Misma dosis y diferentes concentraciones plasmáticas
Silvestre
Tiempo
Mutante
Tiempo
Farmacogenómica en el PDR
La versión electrónica 2003
del PDR, que contiene 2000
entradas, reporta 51 que
contienen información de
farmacogenómica.
2003 Physicians'
Desk Reference®
57th edition
En la mayoría de los casos la
información no pudo ser
transferida fácilmente a la
práctica clínica.
Atomoxetina hidroclorida
(Strattera®)
Es un potente inhibidor de la recaptación
presináptica de la noradrenalina, con
mínima afinidad por otras catecolaminas.
Esta molécula fue estudiada, inicialmente,
como antidepresivo con el nombre de
tomoxetina (ZERBE y cols, 1985), siendo su
indicación actual el TDAH (Trastorno de
Atención/Hiperactividad)
en niños, adolescentes
y adultos.
Ejemplo de una etiqueta mas
informativa: Atomoxetina (StraterraR)*
Farmacocinética Humana: Una parte de la población
es metabolizadora lenta produciendo …
Interacciones Droga-Droga: Inhibidores de CYP2D6 en
metabolizadores
promedio
…produce
efectos
similares a los metabolizadores lentos.
Reactiones Adversas (RAMs): Las siguientes RAMs se
presentaron al doble o con una frecuencia
estadísticamente
significativa
mayor
en
metabolizadores lentos.
Pruebas de Laboratorio: Se dispone de pruebas de
laboratorio para identificar CYP 2D6-metabolizadores
lentos.
* Aprobado por la FDA’s Neuropharmacology Division en Enero/2003
#145500
HYPERTENSION, ESSENTIAL
%112410
HYPERTENSION WITH BRACHYDACTYLY
+163729
NITRIC OXIDE SYNTHASE 3; NOS3
#145260
PSEUDOHYPOALDOSTERONISM, TYPE II; PHA2
%161900
RENAL FAILURE, PROGRESSIVE, WITH HYPERTENSION
2p25-p24, 20q13.11-q13.13, 1q42-q43, 17q21q22, 17q, 17cen-q11.2, 15q, 12p12.2-p12.1,
12p13, 4p16.3, 3q21-q25
12p12.2-p11.2
7q36
#605115
HYPERTENSION, EARLY-ONSET, AUTOSOMAL DOMINANT,
1q31-q42
87 LOCI
RELACIONADOS
CON
HIPERTENSION
ARTERIAL
WITH SEVERE EXACERBATION IN PREGNANCY
gene with
knownESSENTIAL,
sequence
and phenotype
15
%603918
HYPERTENSION,
SUSCEPTIBILITY
TO, 1
%607329
HYPERTENSION, ESSENTIAL, SUSCEPTIBILITY TO, 3
%604329
HYPERTENSION, ESSENTIAL, SUSCEPTIBILITY TO, 2
#608622
HYPERTENSION, DIASTOLIC, RESISTANCE TO
*106150
ANGIOTENSIN I; AGT
+218030
CORTISOL 11-BETA-KETOREDUCTASE DEFICIENCY
+106180
ANGIOTENSIN I-CONVERTING ENZYME; ACE
*106165
ANGIOTENSIN RECEPTOR 1; AGTR1
+162200
NEUROFIBROMATOSIS, TYPE I; NF1
*179820
RENIN; REN
#103900
HYPERALDOSTERONISM, FAMILIAL, TYPE I
+202010
ADRENAL HYPERPLASIA, CONGENITAL, DUE TO 11-BETA
HYDROXYLASE DEFICIENCY
1q21
4q31.1
17q
2p25-p24
15q
5q34
Algunos síndromes monogénicos que producen HTA por alteración del
Sistema Renina-Angiotensina-Aldosterona
Síndrome
Gittelman
GRA
Déficit de
Aldosteron
a Sintetaza
Síndrome
Liddle
PHA1- AR
Síndrome
Bartter
Tipo 1
Síndrome
Bartter
Tipo 2
• Deficiencia de
17α-hidroxilasa
• Deficiencia de
11β-hidroxilasa
• Deficiencia de
21-hidroxilasa
•PHA1- AR
•HTA
exacebada
por el
embarrazo
Síndrome
Bartter
Tipo 3
Lifton RP, Gharavi AG, Geller DS. Molecular mechanisms
of human hypertension, Cell 104: 545-56; 2001.
0
1.0
2.0
4.0
Riesgo relativo de futuros eventos cardiovasculares
Dzau, European Heart Journal Supplements 5 (Suppl 6):F48; 2003.
6.0
Genetic Polymorphisms in Disease-Modifying or
Treatment-Modifying Genes That Can Influence Drug Response
Evans and McLeod: N Engl J Med 348 (6): 538; 2003
Adducin and
and ACE
ACE I/D
I/D polymorphism
polymorphism may
may be
be
Adducin
useful to
to predict
predict the
the interindividual
interindividual degree
degree of
of
useful
response to
to hydrochlorothiazide;
hydrochlorothiazide; the
the
response
analysis of
of the
the combination
combination of
of the
the 22
analysis
genotypes increases
increases the
the accuracy
accuracy of
of the
the
genotypes
prediction of
of Response
Response to
to the
the drug.
drug.
prediction
(Hypertension. 2003;41:398-403.)
2003;41:398-403.)
(Hypertension.
AmericanJournal
Journalof
ofHypertension,
Hypertension,16(10):834-839,
16(10):834-839,October
October2003
2003
American
Effects of
of endothelial
endothelial nitric
nitric oxide
oxide synthase,
synthase, -Effects
adducin, and
and other
other candidate
candidate gene
gene polymorphisms
polymorphisms
adducin,
on blood
blood pressure
pressure response
response to
to hydrochlorothiazide
hydrochlorothiazide
on
Stephen T.
T. Turner,
Turner, Arlene
Arlene B.
B. Chapman,
Chapman, Gary
Gary L.
L. Schwartz
Schwartz and
and Eric
Eric
Stephen
Boerwinkle
Boerwinkle
Conclusions: Although
Although we
we reject
reject the
the null
null hypothesis
hypothesis of
of no
no
Conclusions:
genetic effects
effects on
on BP
BP response
response to
to hydrochlorothiazide,
hydrochlorothiazide, the
the
genetic
influence of
of variation
variation at
at single
single sites
sites isis likely
likely to
to be
be small.
small. More
More
influence
extensive characterization
characterization of
of genetic
genetic variation
variation isis required
required for
for
extensive
pharmacogenetic approaches
approaches to
to become
become clinically
clinically useful
useful in
in
pharmacogenetic
tailoringantihypertensive
antihypertensivedrug
drugtherapy
therapyfor
forindividual
individualpatients.
patients.
tailoring
“Our results
results demonstrate
demonstrate that
that polymorphisms
polymorphisms in
in the
the
“Our
angiotensinogen gene
gene were
were related
related to
to the
the response
response
angiotensinogen
to specific
specific antihypertensive
antihypertensive treatment.
treatment. We
We found
found that
that
to
patients with
with the
the AGT
AGT -6A
-6A allele
allele or
or the
the AGT
AGT 1198C
1198C
patients
allele (corresponding
(corresponding to
to the
the 235T
235T variant)
variant) exhibited
exhibited
allele
the greatest
greatest systolic
systolic BP
BP reduction
reduction when
when treated
treated with
with
the
atenolol. For
For those
those treated
treated with
with irbesartan,
irbesartan, however,
however,
atenolol.
no such
such association
association was
was observed.”
observed.”
no
American Journal
Journal of
of Hypertension
Hypertension 17(1):8-13,
17(1):8-13, 2004.
2004.
American
In conclusion,
conclusion, The
The MTHFR
MTHFR C667T
C667T polymorphism
polymorphism
In
may be
be involved
involved in
in the
the genetic
genetic control
control of
of baseline
baseline
may
DBP responsiveness
responsiveness treated
treated by
by an
an ACE
ACE inhibitor.
inhibitor.
DBP
ACE inhibitors
inhibitors are
are prescribed
prescribed widely
widely in
in patients
patients with
with
ACE
hypertension, atherosclerosis,
atherosclerosis, and
and diabetes
diabetes because
because
hypertension,
of the
the beneficial
beneficial effects
effects in
in each
each of
of the
the subgroups.
subgroups.
of
The results
results of
of our
our study,
study, showing
showing the
the efficient
efficient effect
effect
The
onDBP
DBPresponse
responseto
toACE
ACEprescription
prescription in
in patients
patients with
with
on
TT genotype,
genotype, provide
provide aa rationale
rationale for
for aa large-scale
large-scale
TT
pharmacogenetical study
study to
to clarify
clarify the
the potential
potential use
use
pharmacogenetical
of genetic
genetic background
background to
to specify
specify therapy
therapy for
for
of
individual patients.
patients.
individual
ThrombosisResearch,
Research,113(6):
113(6):361-369
361-369,,2004.
2004.
Thrombosis
CONDUCTA: CEREBRO, GENES,
ADN, ALMA, SENTIMIENTOS,
DESEOS, DAÑOS, VIOLENCIA,
SEÑALES, MENTES, MADRES,
CROMOSOMAS, GENES,
ESQUIZOFRENIA, DEPRESION,
GAY, EPILEPSIA, RAZA,
AUTOMUTILACION, GEMELOS,
CLONAS, BIOLOGIA , RELIGION,
AMBIENTE, INTELIGENCIA,
SEXO, NATURALEZA, DESTINO?
Algunos rasgos conductuales asociados a genes
•
Lateralidad de manos (izq/der) (139900)
•
Forma de cruzar las manos (107850)
•
Capacidad de mover las orejas (129100)
•
Capacidad de enrollar la lengua (189300)
•
Perfecto tono musical (159300)
•
Personalidad que busca la novedad (601696)
•
Tartamudeo (184450)
•
Adicción al tabaco (188890)
•
Alcoholismo (103780)
•
Homosexualidad (306995)
EVOLUCION E INTERVENCION EN LA ENFERMEDAD
Muerte
Monitoreo
Aparición
de
síntomas
Medicina
MedicinaGenómica
Genómica
Severidad clínica
Inicio de
terapia
Diagnóstico y Pronóstico
Tamizaje
Inicio de la
enfermedad
Salud
Predisposición
TIEMPO (meses-años)
Ginsburg et al., TIBiotech 19:491; 2001.
CONCEPTO POSGENÓMICO
Paracelsus
(1493-1541)
La diferencia entre la
medicina y el veneno
está en la dosis…
dependiendo de la
constitución genética
de la persona.
Paciente
con presión
arterial
alterada
Se realiza un análisis
mediate micro-chip para
conocer la información
genómica del paciente
(SNPs, mutaciones, genes de
Tomado de: Rusnak et al.,
Mayo Clin Proc
2001;76:299–309.
El médico examina al paciente y
establece un Dx de hipertensión
arterial. Tambien considera otros
factores de riesgo (v.g. diabetes,
tabaquismo, enfermedad coronaria,
etc.) y otros órganos blanco dañados
(v.g. infarto al miocardio, insuficiencia
cardiaca congestiva, enfermedad renal)
El médico correlaciona el diagnóstico
de hipertensión con los factores de
riesgo cardiovascular y el daño (o no)
de otros órganos por métodos
tradicionales
suceptibilidad, etc.)
Se compara el resultado del
análisis genómico la
información disponible:
epidemiológica, bioinformática,
investigación clínica,
farmacogenómica
El médico prescribe un plan
personalizado de tratamiento
incluyendo una farmacoterapia
a la medida
Récipe para
Paciente A
...para optimizar las opciones
de tratamiento
La identificación de genes permite
•
•
•
•
Mejor comprensión de la biología
Mejor comprensión de la
enfermedad
Mejor diagnóstico
Oportunidades para tamizaje y
prevención
La Genética Moderna
no ha Podido:
• Demostrar que la mayoría de
las
enfermedades
genéticas
son
• Minimizar la importancia del
componente ambiental en
medicina
Limitaciones de la
Genética Actual
• El acceso no siempre es
consistente o satisfactorio
• Los servicios de genética no
están siempre ligados a otras
especialidades médicas
• Recursos limitados para integrar
las nuevas tecnologías a los
laboratorios de atención general
Algunos Protocolos de Terapia Génica
Enfermedad
Gen defectuosoGen insertado
Células blanco
Fibrosis Quística
Regulador de la
conductancia
transmembranal
Células epiteliales de pulmón
Dist. musc.
Duchenne
Distrofina
Células musculares
Hipercolesterolemia Receptor hepático
Células hepáticas
familiar
para LDL
Enfermedad de
Glucocerebrocidasa Células de médula ósea
Gaucher
Déficit de hormona
de crecimiento
Hormona del
Mioblastos
crecimiento humana
Hemofilia A/ B
Factor VII / Factor IX Células hepáticas o fibroblastos
Talasemias
β-globina
Inmunodeficiencia
combinada severa
Adenosindeaminasa Células de méluka ósea o
linfocitos T
Células de méduka ósea
No fenotipo
Sind. Bardet-Biedl
Herencia
Trialelica
Sind. Bardet-Biedl:
•Retinitis
•Retardo mental
•Polidactilia
•Hipogenitalismo
•Trast. Renales
BBS2
BBS2
BBS2 MUTACION
Clin Genet, Volume 61(5): 330-334, 2002.
TIPOS DE CELULAS MADRE
Totipotenciales
Pluripotenciales
Multipotenciales
“Prueba Genética”
Utilidad
Enfermedades Genéticas
Farmacogenética
Objetivo
Enfermedades
genéticas “raras”,
genes causales
Enfermedades
complejas
comunes, genes
de susceptibilidad
Genes para el
metabolismo
y/o acción de
drogas
Perfil de SNPs
para el metabolismo y/o acción
de drogas
Beneficios
Conocimiento de la enfermedad
& medicina futura
Respuesta óptima al tratamiento
Riesgos
Potencial para información no-solicitada y sus implicaciones éticas, legales y sociales
Educación
ELSI
Entrenamiento
Desarrollo de
Tecnología
Finaciamiento
Biología Computacional
Genómica y Sociedad
Genómica en Salud
Genómica en Biología
ma Humano
Proyecto del Geno
PRINCIPIOS DE LA BIOÉTICA
•
Principio del Respeto a la Persona
•
Principio de Beneficencia
•
Principio de Justicia
PRINCIPIOS BASICOS DE BIOETICA
PRINCIPIO
RESPETO A LA PERSONA
• Las personas deben ser tratadas
como seres autónomos
• Las
personas
discapacitadas
deben ser objeto de protección
BENEFICENCIA
• El ser humano nunca debe ser
dañado
• La investigación biomédica debe
maximizar los posibles beneficios y
minimizar los posibles daños.
JUSTICIA
• Los beneficios y riesgos de la
investigación biomédica deben ser
distribuidos de forma justa.
PRÁCTICA
Consentimiento Informado
• A las personas, de acuerdo a sus
capacidades, se les debe dar la
opción de decidir sobre los
procedimientos de que van a ser
objeto
• El proceso de consentimiento
debe incluir 3 elementos:
• Información,
• Comprensión y
• Participación voluntaria.
Evaluación de Riesgos y Beneficios
• La naturaleza y el espectro de
riesgos y beneficios deben ser
evaluados de forma sistemática.
Selección de los Sujetos
• La selección de sujetos y la
implementación de los resultados
deben ser hechos de forma justa.
“No tenemos la petulancia
de pretender renovar la
Medicina incorporándole
una metafísica. Si la
Medicina ha de renovarse,
de su cuenta corren los
riesgos y honores ”.
Georges Canguilhem