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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 70 s, ahora conocimientos más profundos de biología molecular (replicación, transcripción y traducción) se desarrolla la biotecnología moderna • En los 70 s y 80 s 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 90 s 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(GATAGATA)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 Busse 3, María Adilia Sánchez 3, Marco Vinicio Alvarado 1, Victoria Moterroso 2 y Pedro León 1, 3 (1)Escuela de Medicina (UCR) (2) Lab. Patología. Hospital 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 Mini. Mental 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 (Apo. E 4), y los homocigotos para E 4 presentan un fuerte aumento en susceptibilidad. • Valerio encontró significativo aumento de E 4 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 Bio. Technology.

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

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 Cy. T 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 Cy. T • 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.