Bq 16 y 17: Medicina Molecular: Genómica funcional y Modelos animales en el estudio de la patología humana




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títuloBq 16 y 17: Medicina Molecular: Genómica funcional y Modelos animales en el estudio de la patología humana
fecha de publicación25.01.2016
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BQ 16 y 17: Medicina Molecular: Genómica funcional y Modelos animales en el estudio de la patología humana.


EL GENOMA HUMANO
0. Fuentes para la consulta del genoma humano

Datos públicos (NCBI, NIH): www.ncbi.nlm.nih.gov/sitemap/index.html, www.nhgri.nih.gov/Data/

Celera (privados en parte) www.celera.com

European Bioinformatics Institute (EBI, Sanger): www.ensembl.org/genome/central/

Univ. California SantaCruz http://genome.ucsc.edu;

RIKEN (Tokio) www.rarf.riken.go.jp y

http://hgrep.ims.u-tokyo.ac.jp

La secuencia completa se obtuvo en febrero de 2001.

  1. Glosario de términos genómicos.

    1. STS (Sequence Tagged Site): Es un segmento de ADN único cuya localización es conocida. Sirve como referencia para mapear y ensamblar secuencias.

    2. EST (Expressed Sequence Tag): Es un segmento de ADN único dentro de una región codificante (mARN-cADN) de un gen. Es útil para la identificación de la copia completa de un gen y para mapear.

    3. SNP (Single Nucleotide Polymorphism): Es una posición única (un único par de bases) del genoma humano en la que hay dos o más alelos con una frecuencia significativa (al menos en el 1% de la población). 6 x 10 6 diferencias de 1 base entre dos personas.

    4. Mapa genético de ligamiento: Es un mapa de las posiciones relativas de los genes y otras regiones en un cromosoma determinado por las frecuencias en que dos loci se heredan juntos.

    5. Mapa físico: Es un mapa con las distancias físicas entre genes (en pares de bases de ADN) utilizando técnicas citogenéticas y moleculares.

    6. Ensamblaje: Es poner los fragmentos de ADN secuenciados en las posiciones cromosómicas correctas.

    7. Anotación de un genoma: Es identificar la localización y las regiones codificantes en un genoma e identificar su función.

    8. ADN codificante: Son secuencias de ADN que se trascriben y dan lugar a proteínas tras la traducción.

    9. Genómica: Es el estudio comprensivo de conjuntos completos de genes y sus interacciones en un organismo en lugar de estudiar un único gen o proteína.

    10. Genómica funcional: Es el estudio de los genomas para determinar la función biológica de todos los genes y sus productos.

    11. Genómica estructural: Es la determinación de la estructura tridimensional de un basto nº de `proteínas usando técnicas experimentales e informáticas.

    12. Proteómica: Es el estudio del conjunto completo de proteínas codificado por un genoma.

  2. Características generales del genoma humano.

- La mayor parte del genoma humano son secuencias repetidas, en total un 42,5%. Las más importantes: LINE, L1, SINE, Alu, LTR, DNA, otras (agrupadas en orden decreciente del % que representan, la 1ª un 15%). La mayor parte de estos elementos proceden de retrotransposición: ARN  ADN y posteriormente este ADN se integra en el genoma. No hay evidencia de integraciones importantes en los últimos 50 millones de años, divergimos de los monos hace 25 millones de años, nuestras secuencias repetidas son verdaderas secuencias fósiles.

- El 50% de todo el genoma humano está anotado.

- El nº de genes es de 30.000. Otras especies: C.elegans 20.000, D.megalogaster 13.601. Por ello vemos que hay pocos genes nuevos en la evolución hasta humanos. La mayor parte en regiones ricas en G+C. La mayor parte de las nuevas formas han sido generadas por splicing alternativo.

- No existen dominios nuevos de proteínas, las nuevas se originan por combinación de dominios preexistentes en diferentes arquitecturas. Lo importante es que ha aumentado el número de genes en determinadas familias pero sin existir grandes cambios (no nuevos dominios,…). Podemos ver el ej de los TFs: hay muchos más genes que en otras especies pero utilizan exactamente los mismos dominios; se crean por fenómenos de duplicación génica y posterior diversificación (1 gen se multiplica y van mutando). Tb valen como ej genes Hox (luego).

- Hay grandes expansiones de determinados grupos génicos: genes receptores de olor (hasta 1000, dos tercios son pseudogenes), inmunoglobulinas (Nobel de 2004 a Richard Axel), factores de crecimiento y citoquinas.

- Tras las comparaciones con otros organismos hay 12.809 genes, el 41,7% del total, de los cuales se desconoce su función molecular. Hay 2.758 genes ortólogos entre el humano y la mosca, y 2.031 entre el humano y el gusano.

  1. Genes homeóticos (HOX). (De esto sólo hizo mención honorífica en la clase, pasó corriendo las 6 diapos).

    1. Definición: Son genes que controlan la embriogénesis, imponen el programa que determina la diferenciación de cada segmento. Tb actúan como GFs de algunos tejidos.

    2. Características:

  • Loci complejo que se encuentra en clusters.

  • Se organizan en cuatro grupos, cada uno compuesto por una serie de genes ligados: Hox, 1, 2, 3 y 4 (en clase habla de HOX A, B, C y D) en los cromosomas 7, 17, 12 y 2 respectivamente.

  • Tienen una región, el homeobox: dominio de enlace de ADN de 60 aas.

  • Se reconocen en lugares de mutaciones en mutantes del desarrollo de Drosophila.

  • Muchos genes homeobox comienzan a transcribirse en la gastrulación temprana y continúan expresándose a lo largo de la primera mitad de la gestación en tejidos segmentados.

  • La mayor parte se expresan en el SNC, muchos también en somitas y sus derivados, y algunos también en los primordios de los miembros.

    1. Colinearidad espacial: Significa que el orden de los genes HOX se corresponde estrictamente a su expresión a lo largo del embrión. Se ve claramente en el Hox 2 de ratón en la siguiente imagen (ratón):



Esta colinearidad espacial está conservada entre especies.



    1. Colinearidad temporal: Según se desarrolla el plan de formación del cuerpo en dirección anteroposterior desde la gastrulación, hay una expresión secuencial de los genes que forman parte del complejo homeótico. Esta colinearidad existe también en el ratón. Va de cefálico a caudal de 3´ a 5´ en el tiempo; corresponde con la dirección de apertura de la cromatina durante el avance del desarrollo desde la gastrulación.

    2. Enfermedades humanas asociadas a mutaciones de los genes HOX:

      • Polidactilia.

      • Síndrome cabeza-pie-genitales (deleción de HOX 1 oHOX-A).

      • Simpolidactilia (deleción HOX 4 o HOX-D).

      • Paladar hendido.

      • Malformaciones cerebrales.

      • Malformaciones uterinas.

      • Ácido retinoico, que causa defectos congénitos  afecta a la expresión de los genes HOX.

ERA POSTGENÓMICA:

  1. Cambios en los paradigmas de la investigación biomédica.

Genómica estructural Genómica funcional.

Genómica Proteómica.

Trastornos monogenéticos Trastornos multifactoriales: herencia compleja, influencia del medio en la expresión fenotipo enf⇒hacia predicción específica del R para cada individuo y familia.

Diagnóstico por ADN específico Monitorización de susceptibilidad.

Análisis de un gen Análisis de múltiples genes, familias, vías y sistemas.

Acción génica Regulación génica.

Etiología Patogénesis (mecanismo).

Una especie Varias especies.

Terapia por patología Terapia individualizada.

Millones de datos Conocimiento Aplicación práctica

Ej datos: existen distintas bases de datos siendo la más accesible GenBank tiene dbSNP; en Oct 2004 9,8 mill de SNPs registrados, 4,5 validados. Tiene varias opciones de búsqueda, por ejemplo tu introduces una secuencia y él te dice cuántas SNP existen (recordar que cada SNP tiene al menos 4 alelos: A,C,G,T) y dónde están localizadas. Recordar también que pese alo que se diga desde el punto de vista genético existen tantas diferencias entre un blanco y un negro como entre dos blancos o dos negros.

  1. Del ADN a la proteína

ADN PremARN mARN Proteína

Transcripción Procesamiento Traducción

  1. Genoma: material genético completo contenido en los cromosomas de un organismo.

  2. Transcriptoma: Es el conjunto de todos los genes activados, mARNs o tránscritos, presentes en un determinado tipo de célula o tejido en un momento determinado.

  3. Proteoma: Es el conjunto total de proteínas producido por un genoma determinado.

  4. Fenoma: Son los fenotipos obtenidos por acción específica de determinados genes o familias de genes. Ej: hay un laboratorio en Francia que está anulando 1 a 1 cada gen de ratón para ver el efecto en el fenoma.

  5. Interactoma: Es el conjunto de todas las interacciones proteína-proteína funcionalmente significativas en una célula.

  6. Enzimoma: Es el conjunto de todas las enzimas responsables de todas las modificaciones post-traduccionales de las proteínas celulares.

  7. Localisoma: Es la localización subcelular de todas las proteínas celulares y sus cambios dinámicos.

  1. Transcriptoma.

  1. Vemos niveles de expresión.

  2. Realización de un transcriptoma: Se cogen dos muestras, por ejemplo, tejido normal y enfermo y se extrae el RNA y se marca con colorantes fluorescentes.

A estas muestras se les aplica sondas selectivas inmovilizadas en un soporte que se fabrican hoy día industrialmente. Hay dos tipos de bases: cDNA y de oligonts (mejor estas, STS de regiones codificantes de cada gen⇒offimetrix ofrece ya chips con casi el 100% del genoma humano).

Se deja hibridar y se detectan las señales que emiten. El código de colores que vemos en pantalla (1 círculo para cada gen y por tanto miles de círculos) es el siguiente: rojo, verde, amarillo (=nivel de expresión) y cruz (no ha polimerizado o no se ha dejado hibridar).

Se analizan varios miles de genes simultáneamente. Esta forma de análisis se denomina “análisis de expresión con Microarrays”.

  1. Transcriptoma del cromosoma 11 humano: Detectamos que la diferencia entre una mama normal y el carcinoma mamario se encuentra en la región codificante para metaloproteasas y dos inhibidores de apoptosis.

  2. Transcriptoma del cromosoma 5 humano: En la enfermedad de Crohn el locus alterado se encuentra en una región codificante para diferentes citoquinas.

  1. Aplicaciones del conocimiento del genoma.

Objetivo  Medicina individualizada.

  1. Genética de poblaciones: Estudio de susceptibilidad en diferentes poblaciones y cambios en la expresión genética con el tiempo.

  2. Identificación de genes candidatos en enfermedades multifactoriales por rastreo de todo el genoma: Enfermedad de Crohn, cromosoma 5 (locus citoquinas).

  3. Estudio de variantes alélicas de múltiples locus asociadas a determinadas patologías y como influyen en la severidad de la clínica.

  4. Diagnóstico diferencial molecular por el estudio del transcriptoma.

  5. Farmacogenómica: Efecto de los fármacos en base a la dotación génica individual y a la célula diana a tratar. Permitirá por ejemplo diferenciar respondedor frente a no respondedor.

  6. Postgenómica química: Diseño de inhibidores y/o activadores específicos para cada uno de los productos génicos sin efectos colaterales sobre otras vidas.

  1. Biología de sistemas: revolución en la concepción biología: ¡¡nuevo 2004!!

Visión cartesiana: cualquier sistema complejo puede ser analizado por el estudio de las propiedades de cada una de sus partes. Ha sido superada por:

Aproximación de la Biología de Sistemas: un sistema es un número de partes que están conectadas unas a otras y funcionan correctamente.

El rango va desde ecosistemas al sistema de reacciones que constituyen la bioquímica celular (normalmente nos referimos a lo último).

Los sistemas vivos son sistemas totales integrados cuyas propiedades no pueden reducirse a las propiedades de sus partes sino que se producen a partir de la configuración de una serie ordenada de relaciones que son características para una particular clase de organismos o sistemas. Estas propiedades se destruyen cuando se descompone en sus elementos aislados.


Todo esto produce un nuevo abordaje biológico integrador:



Y se da en primer lugar en un nivel básico (genera múltiples datos por ej de cambios de expresión) y después nos lleva a un nivel clínico.

Futuro de la medicina con el desarrollo de la Biología de sistemas. La medicina será:

Predictiva: basándose en el estudio de los 6 millones de SNPs de nuestro genoma. En 10-15 años se habrán identificado cientos o miles de genes que predisponen a diferentes patologías con lo que con una pequeña muestra de sangre se podrá predecir para cada individuo posibles enfermedades.

Preventiva: en unos 15-25 años, podremos poner cada uno de nuestros genes dentro del contexto funcional de nuestro organismo y poder intervenir adecuadamente: con drogas, terapia celular: células madre o modificadas genéticamente, etc de forma individualizada

Personalizada: como cada uno de nosotros tiene 6 millones de variaciones, los médicos de acuerdo con nuestra dotación genética tendrán que realizar las oportunas intervenciones tratándonos individualmente para nuestras predisposiciones.

¿Por qué es importante la biología de sistemas para la medicina?

• Nos permitirá saber cuál será el efecto sobre el sistema de la intervención que se realice en una parte.

• Saber qué intervención se debe hacer para obtener el resultado deseado

• Ejemplo: ¿qué proteína o proteínas hay que activar o desactivar para parar una enfermedad causando el menor daño posible al paciente?

  1. Otras cuestiones a tratar en el desarrollo postgenómico.

  1. Políticas.

  2. Legales: Privacidad de resultados, discriminación genética (ej mis SNPs dicen que nunca podré ser super-atleta⇒no me entrenan), comunicación y accesibilidad a los bancos de datos. Por ejemplo si las compañías de seguros tuvieran acceso a la información genética de sus clientes podrían no asegurar a aquellos con alguna alteración genética. Ej: todavía no existe acuerdo público en referencia a los datos trcoma.

  3. Comerciales: Segmentación del mercado de productos (fármacos a medida para cada enfermo y patología) lo que aumenta precios y puede empobrecer población.




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