Download 10. Pedro León Azofeifa, Centro Nacional de Alta Tecnología

Lo último en Genética:
¿Cómo le afecta a Usted?
Pedro León, Ph. D.
CENAT y
CIBCM/Escuela de Medicina, UCR
Origen de la genética
• Desde los inicios el
humano se pregunta
¿Por qué los seres
vivos se reproducen
según su especie?
• ¿Qué determina que
los seres vivos se
perpetúen a través del
tiempo?
• Debe existir un material
de la herencia
Guatusa (Dasyprocta
punctata)
La Genética en el Siglo XX
• Basado en los principios de la genética Mendeliana, descubiertos
por el monje Checo Gregor Mendel a finales del Siglo XIX.
• Durante la segunda mitad del Siglo XX se inicia una explosión de
conocimientos biológicos basados en el modelo propuesto para la
estructura del material genético de Watson y Crick en 1953.
• Para mitad de los años 70s, ahora con conocimientos más
profundos de biología molecular (replicación, transcripción y
traducción) se desarrolla la biotecnología moderna
• En los 70s y 80s se inventa la manipulación de secuencias de ADN
y ARN, se automatiza la secuenciación inicialmente de genes, luego
de genomas completos. Para finales de Siglo se habían
secuenciado muchos genomas, incluyendo el humano…
• En los 90s se desarrollan los métodos para clonar por transferencia
de núcleos en mamíferos así como la introducción de secuencias a
núcleos de células de plantas y animales para producir OGM.
• Algunos cultivos genéticamente modificados logran auge por
presentar ventajas agronómicas (Sorgo BT, Maíz BT)
Gregor Johann
Mendel (1822-1884)
Un genoma materno y otro
paterno dentro de cada célula del
cuerpo...
• El genoma humano esta constituido por
al menos dos componentes:
1 - El genoma nuclear materno
(ovulo) y paterno (espermatozoide)
2 - El genoma mitocondrial
3 - ? Otros: centriolo/cuerpo
basal (hay que investigar!)
El genoma mitocondrial
humano...
• Fue secuenciado en 1981
por Anderson en Inglaterra y
es un círculo de ADN con
16,500 pares de bases
• Existen múltiples copias en
cada célula de esta
secuencia (ADNmit)
• Se trasmiten por linea
materna estrictamente, pues
los espermatozoides no
aportan su ADNmit al óvulo
El genoma nuclear
• En el nucleo de cada célula
del cuerpo residen 23 pares de
cromosomas, un juego paterno
y un juego materno
• Durante la fertilización el padre
aporta un espermatozoide
haploide y la madre un óvulo
haploide, cuyos nucleos se
funden
• Por un breve instante todos los
animales somos unicelulares
• Esta célula diploide prolifera
por mitosis, hasta producir al
embrión
El embrión es diploide...
• Todas las células del embrión
y del feto trasmiten por división
mitótica los dos juegos de
cromosomas a las células
hijas
• Todos los diferentes tejidos
tienen los dos mismos juegos
de información genética pero
expresan diferentes porciones
del genoma nuclear
• La regulación de la expresión
génica es un campo de gran
avance con microchips de
ADN.
La maqueta de la hélice
doble de Watson y Crick
Agregar una
declaración de su
opinión acerca del
tema
Resumir los puntos
principales que desee
que la audiencia
recuerde
El modelo de Watson/Crick
El Dogma Central…
• Es meramente una ayuda didáctica que
explica el flujo de información en la célula:
ADN
Ciclo
ARN
retrovirus
PROTEIN
Genética vrs genómica
• Se puede hacer genética con sólo las Leyes de
Mendel.
• Para hacer genómica es necesario conocer la
secuencia completa del genoma y establecer el
orden de los genes (anotar la secuencia)
• En la genómica comparada se estudia el orden
de los genes y su conservación (sintenia)
• Proteómica: la estructura tridimensional de las
proteinas y sus mecanismos de acción
• Metabolómica: conocer las redes de interacción
y los mecanismos que regulan el metabolismo
de los seres vivos
Estructura tridimensional de
proteína del sistema inmune
El Proyecto Genoma Humano
• Un consorcio público de 7
países lo inició usando
método de ensamblaje
paulatino
• Compañía Celera de
Craig Venter logró
resultado parecido con
técnica shotgun
• Se publicaron ambos
trabajos en Enero 2001
en Science y Nature
Hay variaciones en la secuencia de
nuestros genomas…
• La secuencia es de 4 letras: A, T, C, G que es la
primera letra del nombre químico los nucleótidos
• El orden de estas cuatro letras lleva la
secuencia para diseñar un ser vivo
• Pequeñas variaciones en la secuencia pueden
producir enfermedades genéticas
• Los variantes, llamados alelos, se heredan
según las leyes de Mendel:
• Variaciones llamadas STR muy polimóficas
ATCGG(GATAGATAGATAGATA)GGTCGATC
Los alelos de estos marcadores
se heredan de manera
Mendeliana
4/5
4/6
5/9
4/9
5/6
6/9
En una prueba de paternidad el
padre verdadero comparte un
alelo con el hijo
•
P H M
Pruebas de paternidad: dos trios
El genoma anotado
• Anotar el genoma y cerrar
todas las brechas requiere
un gran esfuerzo
• La secuencia es tan larga y
tan compleja que debe
representarse de maneja
resumida
• Un 20% de las secuencias
exónicas no se ha pueden
anotar
• Genes humanos: casi todos
interrumpidos por intrones,
con exones formando el
mensaje maduro
H. influenza, primera célula
bacteriana secuenciada (C. Venter)
• Un solo cromosoma
circular
• Genes lineales
organizados en
operones
• Unos 4000 genes
• Coexiste con
plásmidos que le
confieren propiedades
como resistencia a
antibióticos
Agrobacterium tumefaciens
El primer genoma eucariónico
secuenciado: la levadura que gema
• Saccharomyces
cerevisiae tiene 17
cromosomas y 1.5 x
107 pares de bases
• Unos 12,000 genes
con intrones
pequeños y bajo nivel
de repetición
• Algunos “operones”
La levadura de fisión
• Pseudosaccharomyes
pombe (baja tasa de
recombinación)
• Igual cantidad de ADN
por núcleo pero
empacado en 3
cromosomas
• Gran distancia genética
entre estas dos levaduras
y diferentes tipos de
secuencias teloméricas y
centroméricas
Genomas completos
Genomas completos…
La mosca de la piña
• Drosophila tiene un
genoma con 25,000
genes
• Muchos genes son
compartidos con
vertebrados
• Centrómeros y telómeros
diferentes
• Se secuenciaron dos
genomas de Wolbachia!
GFP (green fluorescense protein)
se usa para estudiar la expresión…
En Costa Rica…
• Primer laboratorio de biología molecular se estableció en
1976 con Rodrigo Gámez como su primer director
(CIBCM, UCR)
• También se implementó el diagnóstico viral en INISA,
Microbiología (UCR) y en el ICMRT (LSU)
• CIBCM a la Ciudad de la Investigación con préstamo
BID en laboratorio moderno!
• Muchas tecnologías moleculares en uso para
diagnóstico en enfermedades (HIV, dengue), pruebas de
paternidad con ADN y mapeo de enfermedades
genéticas. Cuatro secuenciadores de ABI en el país
• Inicio de la medicina regenerativa con células de médula
del mismo paciente, aunque existen muchas
restricciones a estas aplicaciónes
La familia Monge con sordera
dominante
• Nacen oyendo;
pérdida entre
los 5-20 años
• Inicia con tonos
graves y luego
progresa hasta
producir
sordera
profunda
AMILOIDOSIS familiar
dominante
Andreas Busse3, María Adilia
Sánchez3, Marco Vinicio Alvarado1,
Victoria Moterroso2 y Pedro León1,3
(1)Escuela de Medicina (UCR)
(2) Lab. PatologíaHospital México
(3) CIBCM, UCR
Diagnóstico…
• Enfermedades crónicos, progresivas y mortales
a temprana edad
• Destrucción de tejido, muerte neuronal,
alteraciones circulatorias, atrofia tisular
• Familia costarricense con cinco hermanos,
cuatro afectados
• Enfoque de genes candidatos pues el cuadro
clínico reduce el ámbito de opciones
• Mapeo a gen llamado transtiretina que
transporta hormonas en la sangre
Enfermedad de Alzheimer
• Proyecto de tesis del Dr. Daniel Valerio
estudiante de postgrado en la UCR
• Principal causa de demencia y afecta a un
número cada vez mayor de personas, pues
edad es uno de los principales factores de
riesgo
• El diagnóstico es histológico en autopsia de
cerebro para detectar las placas seniles, los
ovillos neurofibrilares y angiopatía amiloide
• Las pruebas como MiniMental dan un valor de
probabilidad, pero no son determinantes
Enfermedad de Alzheimer:
Amiloidosis del hipocampo…
• Pérdida de memoria asociado a la amiloidosis de esta
región límbica que se considera un filtro emotivo a la
información que se guarda en la memoria cortical
• Recientemente se ha propuesto que el hipocampo juega
un papel más complejo, como una estación temporal de
almacenamiento, que precede el traslado a la memoria
cortical
• La causa es una proteina llamada b-amiloide que se
hidroliza y precipita extra-neuronalmente
• El sistema inmune cerebral, la microglía trata de eliminar
el depósito y lleva a procesos de inflamación
Genes de susceptibilidad y
genes Mendelianos
• El Alzheimer familiar es causado por mutaciones a tres
proteínas: Presenilina 1 (cromosoma 14), Presenilina 2
(crm. 1) y la proteína precursora del amiloide (APP)
• El amiloide se forma dependiendo del tipo de hidrólisis
que sufre la APP
• Un alelo de la Apolipoproteina E aumenta el riesgo a la
enfermedad (ApoE4), y los homocigotos para E4
presentan un fuerte aumento en susceptibilidad.
• Valerio encontró significativo aumento de E4 en 50
pacientes diagnosticados preliminarmente con 50
controles pareados por edad.
Para que me sirve la genética…
• Pruebas de paternidad y Ley de
paternidad responsable
• Pruebas forenses, particularmente las
violaciones
• Diagnóstico de enfermedades diversas
tanto contagiosas como genéticas
• Nuevo enfoque médico: MEDICINA
REGENERATIVA
Medicina regenerativa…
• La Medicina Regenerativa es un campo interdisciplinario de investigación y clínica aplicada
enfocada a la reparación, reemplazo y
regeneración de células, tejidos u órganos para
restaurar la función normal por cualquier causa,
defectos congénitos, trauma o envejecimiento
• Incluye: uso de moléculas solubles, células
madre, terapia génica, transplante, ingeniería de
tejidos y reprogramación de células y tejidos…
Ref. Greewood et al, 2006 BioTechnology.
10 tecnologías biotecnológicas
según las Metas del Milenio ONU
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Diagnótico molecular
Vacunas recombinantes
Vacunas y “liberación controlada de fármacos”
Bioremediación
Secuenciamiento de patógenos
Protección de enfermedades de transmisión sexual por
las mujeres
Bioinformática
Cultivos transgénicos nutricionalmente enriquecidos
Proteínas terapéuticas recombinantes
Química combinatoria
Situación y Visión Estratégica de la
Ciencia y la Tecnología en Costa Rica
No se puede navegar sin mapa
• El precio es dar “tumbos” que dependen de
conyunturas políticas, como la influencia del
Ministro de CyT sobre el de Hacienda; la
preocupación de moda
• Cada gobierno plantea una estrategia cada
cuatro años y se aplica la del que gana las
elecciones…entonces, poca continuidad,
cambios de planes frecuentes
• No hay prioridades definidas para dirigir el
apoyo estatal de manera estratégica hacia
ciertos campos de la CyT
• La estrategia es un documento perfectible, que
debe ser reanalizado, por el rápido avance de la
ciencia
GRACIAS....
Sarapiquí,Costa Rica
Estudios con células madre…
• Uso de células basales (células madre o
stem cells) para promover la
reconstitución de tejidos dañados en
animales ha resultado muy prometedor
• Éxito en el tratamiento de enfermedades
degenerativas como Alzheimer, diabetes,
trauma espinal, daño al miocardio
• El problema es de donde se obtienen las
células madre
Origen de las células basales…
• De embriones en una etapa temprana antes de la
morfogénesis (blastocistos) que pueden cultivarse para
incrementar su número
• Talvez en algunos tejidos en los adultos (médula ósea)
• Para evitar problemas de rechazo el tejido debe ser
aportado por el mismo paciente
• Sangre de cordón umbilical en recién nacidos (células
congeladas en nitrógeno líquido) para usarlas cuando
sea adulto y las necesite
• Talvez se logre manipular células de adultos para
regresarlas a etapas más tempranas de desarrollo.