Lo último en Genética: ¿Cómo le afecta a Usted?

1. Lo último en Genética:¿Cómo le afecta a Usted? Pedro León, Ph. D. CENAT y CIBCM/Escuela de Medicina, UCR

2. 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) Origen de la genética

3. 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)

4. Gregor Johann Mendel (1822-1884)

5. 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!)

8. 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 mitocondrial humano...

9. 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 genoma nuclear

10. 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. El embrión es diploide...

13. 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

14. El modelo de Watson/Crick

15. El Dogma Central… • Es meramente una ayuda didáctica que explica el flujo de información en la célula: ADN ARN PROTEIN Ciclo retrovirus

16. 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

17. Estructura tridimensional de proteína del sistema inmune

18. 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 El Proyecto Genoma Humano

19. 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

20. Los alelos de estos marcadores se heredan de manera Mendeliana 4/6 5/9 4/5 4/9 5/6 6/9

21. En una prueba de paternidad el padre verdadero comparte un alelo con el hijo • P H M

22. Pruebas de paternidad: dos trios

23. 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

24. Un solo cromosoma circular Genes lineales organizados en operones Unos 4000 genes Coexiste con plásmidos que le confieren propiedades como resistencia a antibióticos H. influenza, primera célula bacteriana secuenciada (C. Venter)

25. Agrobacterium tumefaciens

26. 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” El primer genoma eucariónico secuenciado: la levadura que gema

27. 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 La levadura de fisión

28. Genomas completos

29. Genomas completos…

30. Drosophila tiene un genoma con 25,000 genes Muchos genes son compartidos con vertebrados Centrómeros y telómeros diferentes Se secuenciaron dos genomas de Wolbachia! La mosca de la piña

31. GFP (green fluorescense protein) se usa para estudiar la expresión…

32. Wasmuth et al (1997)

33. 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

34. Nacen oyendo; pérdida entre los 5-20 años Inicia con tonos graves y luego progresa hasta producir sordera profunda La familia Monge con sordera dominante

36. 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

37. 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

39. 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

40. 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

41. Genes de susceptibilidad ygenes 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.

42. 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

43. Medicina regenerativa… • La Medicina Regenerativa es un campo inter-disciplinario 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.

44. 10 tecnologías biotecnológicas según las Metas del Milenio ONU • 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

45. Situación y Visión Estratégica de la Ciencia y la Tecnología en Costa Rica

46. 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

47. GRACIAS.... Sarapiquí,CostaRica

48. 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

49. 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.