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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