Este documento describe las aplicaciones biomédicas de la genómica. En 3 oraciones o menos:
El documento discute la historia y desarrollo de la genómica, incluyendo el descubrimiento del ADN, el Proyecto Genoma Humano y las aplicaciones actuales como el diagnóstico de enfermedades. La genómica ha revolucionado la medicina permitiendo el mapeo del genoma humano, la identificación de genes asociados con enfermedades y el desarrollo de nuevas terapias dirigidas. Además,
5. La Genética nace con la teoría del gen y las leyes que explican los patrones
más sencillos de herencia. El componente genético de la variación de todos
los caracteres de los seres vivos se puede explicar por un número limitado
de elementos discretos: los factores mendelianos o genes
Gregor Johann
Mendel (1822-
1884)
La Genética se ocupa del estudio de las leyes biológicas de la herencia y
de la variación
8. 1977
Allan Maxam y Walter Gilbert (foto) de la
Universidad de Harvard University y Frederick
Sanger del U.K. Medical Research Council (MRC)
desarrollan métodos de secuencia independientes
DNA
9. LA “PCR” UNA
REVOLUCIÓN EN LA
1988 BIOLOGÍA
MOLECULAR
* ADN PROBLEMA
* CEBADORES
* dNTPs(A,T,C,G)
* Taq Polimerasa
* CL2Mg
K.B. Mullis: premio Nobel de 1993 * BUFFER
por el desarrollo del método de
amplificación en cadena de la
polimerasa (PCR)
10. PROYECTO
GENOMA
HUMANO
Abril 1990
El NIH y el DOE acuerdan un plan para completar
mapas genéticos, físicos y la secuencia completa de un
mapa genético y físico con marcadores cada 100 kb y
secuenciar : Mycoplasma capricolum, Escherichia coli
(en la figura), Caenorhabditis elegans, Saccharomyces
cerevisiae y el GENOMA HUMANO
11. OBJETIVOS DEL PROYECTO
GENOMA HUMANO
(NIH, DOE, 1990)
– Identificar todos los genes
– Determinar la secuencia de los 3.000
millones de bases del ADN humano
– Almacenar toda la información en bases de
datos
– Desarrollar las herramientas para el análisis
y acceso a los datos
– Desarrollar los problemas éticos, sociales y
legales que se derivarán
12. 1990
TRES GRUPOS DESARROLLAN
INDEPENDIENTEMENTE LA
ELECTROFORESIS CAPILAR
Lloyd Smith (Nucleic Acids Research),
Barry Karger (Analytical Chemistry), y
Norman Dovichi (Journal of
Chromatography)
1991
Desarrollo de la tecnología de
fluorocromos (PE)
13. 2001
(Febrero) El consorcio HGP publica un borrador del
trabajo en Nature (15 Febrero), y Celera en Science (16
Febrero)
2003: Primera fase considerada
concluída
15. ¿Qué sabemos?
*Que tenemos unos 3 mil millones de pares de bases (A,C,T, G)
*Que un gen tiene de media 3000 bases pero varía mucho su
tamaño
*Que el número de genes total que tenemos es alrededor de
25,000
*Que los seres humanos somos un 99,9% idénticos
*Que sólo el 2% del genoma codifica para proteínas
*Que la mayoría del ADN es no codificante
*Que sobre un 50% del ADN son frases que se repiten (mucho
más que ninguna otra especie)
16. ¿Qué no sabemos?
*El número exacto de los genes
*La función de la mayoría
*La manera como interaccionan
*La mayoría de los genes implicados en enfermedades comunes
*Muchas de las funciones del ADN no codificante
*La coordinación exacta de la expresión génica, síntesis de
proteínas y eventos postraslacionales.
*El proteoma (Contenido total de proteínas, su función e
interrelaciones)
17. UTLIDAD DE LOS ANÁLISIS
GENÉTICOS
*DIAGNÓSTICO
*PRONÓSTICO
*TRATAMIENTO
Consejo genético
Diagnóstico prenatal
Diagnóstico preimplantacional
23. The conversion of the Abl proto-oncogene into an oncogene in patients
withchronic myelogenous leukemia. The chromosome translocation
responsible joins the Bcr gene on chromosome 22 to the Abl gene from
chromosome 9, thereby generating a Philadelphia chromosome. The
resulting fusion protein has the N-terminus of the Bcr protein joined to the
C-terminus of the Abl tyrosine protein kinase; in consequence, the Abl
kinase domain becomes inappropriately active, driving excessive
proliferation of a clone of hemopoietic cells in the bone marrow.
25. CÁNCER DE MAMA
.- 80% esporádicos
.- 20% predisposición genética:
- menor edad de aparición
- ↑ c. mama bilateral
- otros cánceres en la familia
26. Enfermedades mendelianas
2500 1980
1983
2000 1986
1989
Número 1500
1992
de loci 1000
1995
500 1998
2001
0 2004
AÑO
2007
Fundación
Gallega de 1997
Medicina 5000 1998
4000 1999
Genómica 2000
Galicia
Pruebas 3000 2001 +30% anual
solicitadas 2000 2002
2003 Externa
1000
2004 +150% anual
0 2005
AÑO
2006
27. Pr
o
0
1000
1200
1400
1600
200
400
600
800
tro
m
bi
n a
H Ig
em H
t(1
oc 4;
t(9 ro 18
;2 m )
2) at
os
(B is
C
R-
AB
L)
TC
F R
V
21 Le
-H i
id den
ro
xi
la
sa
casos año)
PM TN
L- F
RA
R
a
Ti G
ro H
gl -R
ob
ul
in
a
p5
3
170 menos de 100 casos/año
t(1
1;
14
)
G
H
-1
M
C Q TH
or
ea uim FR
de eri
Hu smo
In C nt
in
es ha gt
ta rc on
bi ot
lid M
ad ar
de ie-T
m o
icr oth
os 1A
at
el
Po it
liq e s
ui
st
os
is
t(8
;2
1)
IN
V
TE (16
L- )
Relación pruebas por demanda (> de 100
50 menos de 10 casos/año
AM
L1
AP
C
28.
29. TI POS DE PATOLOGÍ AS GENÉTI CAS
Caracteres asignados a genes simples. OMIM
HERENCI A MENDELI ANA
• Monogénicas
Muchas raras: Prevalencia < 1/ 2000
HERENCI A NO MENDELI ANA
• Cromosómicas
• Mitocondriales
• Somáticas adquiridas
• Multifactoriales
31. 14 Unstable Trinucleotide Repeat
Disorders in Humans
AUG TAA
CGG GAA CAG CTG
Fredreich’s Ataxia Myotonic Dystrophy
Fragile X Syndrome Spinobulbar Muscular Atrophy
Fragile XE MR Huntington’s Disease
Dentatorubral-Pallidoluyslan Atropphy
Spinocerebellar Ataxia Type 1
Spinocerebellar Ataxia Type 1
Spinocerebellar Ataxia Type 2
Spinocerebellar Ataxia Type 6
Spinocerebellar Ataxia Type 7
Spinocerebellar Ataxia Type 8
Spinocerebellar Ataxia Type 12
Machado-Joseph Disease (SCA3)
32. La mayor parte de los
conflictos y de los
problemas éticos de la
nueva medicina genómica
se derivan del carácter
predictivo
33. Epidemiólogos
Gastroenterólogos
Colaboración Cirujanos
Oncólogos
multicéntrica Radiólogos
ti c ro
n é e je
Patólogos
o
Ge ns
Etc.
o
Co
l og
sicó
Unidad de
P
Consejo
n e ular
a
Genético
i st
Ge c
t
le
Oncólog o
Mo
Cirujano
Asistencia Colaboración
Primaria Internacional
35. MORE THEN 40 Y. OLD/ SPAIN : 40/100.000 /y
ARRYTHMIC
DEATH
50%
Ischemic Non ischemic
SECONDAR PRIMARY ION CHANEL-
ACUTE CRONIC ELECTRIC
MYOCAR. MYOCAR.
DISORDERS
HYPERTENSION HCM BRUGADA
EULALIA MYOCARDITIS MCD LONG QT
PROJECT: VALVULAR DAVD SHORT QT
ALCOHOL MCR TV CATECOL
50% Myocar.
OTHERS ILVNC ICCD
36. Causes of SCD in <40 y.
Congenital coronary Mildly increased cardiac mass HCM?
anomalies (10%)
(19%)
Ruptured aorta 5%
Tunnelled LAD 5%
Aortic stenosis 4%
Myocarditis 3%
HCM
(36%) DCM 3%
45% <35 y. ARVC 3%
MVP 2%
CAD 2%
Other 6%
Maron BJ et al. Circulation. 1996;94:850-56.
37. Frequency of mutations in 215 Spanish
patients with HCM
MYH7
27%
MYBPC3
35% TNNT2
TNNI 3
MYL2
MYL3
ACTC
TPM1
TNNC1
4% 26% None
4% 65% found after
extensive sequencing of
12 genes-it could be
extended to 70%
38. % WITH MUTATION IN RELATION WITH AGE
FIRST PANNEL (300 MUTATIONS)
40
35
30 <30
<40
25 AGE
<30 <50
20 AGE
<40 AGE >30
15 <50 >40
10 >50
AGE AGE
5 >30 >40 AGE AGE >60
>50 >60
0
% WITH MUTATION
39. USA
Comparison of death risks
4th cause of death
5% admissions
4 Billions $/year
Annual rate of death
1 en 107 1 en 106 1 en 105 1 en 104 1 en 103 1 en 102
Electrocución Air crash Homicide Car crash
Pharmacogenetics
Adversary
reactions to drugs
Pharmacogenetics can benefit 20% ADRs
actually and it expected to beneficit 40% in
4 years
40. Some Individualizing Therapy iswide therapeutic range
drugs have such a Important for Drugs with
that individualizing the dose is not important
a Narrow Therapeutic Range
but in others is essential
toxicity
100 100
efficacy efficacy
toxicity
Dose Dose
wide therapeutic narrow
range therapeutic range
e.g. penicillin e.g. anticancer drug
Safe to prescribe dose effective for Difficult to prescribe effective
>90% of population non-toxic dose
41. The Translocation of t(9;22)(q34;q11) in CML Medicamentos
BCR-ABL
inteligentes
Estrategias
diagnósticas
(Inhibidores de
la tirosin
kinasa)
IMATANIB
42. ONCOFARMACOGENÉTICA
Fundación Gallega de Medicina Genómica
FÁRMACO GEN POLIMORFISMO EFECTO EFECTOS
BIOQUIMICO SECUNDARIOS
ASOCIADOS
IRINOTECÁN UGT1A1 PROMOTOR: [ A(TA)NTAA ] DISMINUCIÓN DEL NEUTROPENIA
WT:TA6 70% DE LA DIARREA
UGT1A1*28:TA7 ACTIVIDAD ASTENIA…
TRANSCRIPCIONAL
5-FU 1) DPYD IVS14+1 G->A DELECCION DEL EXON TOXICIDAD SANGUÍNEA
DPYD*2 (alelo inactivo más 14 DE 165BP Y DIGESTIVA
común-50% de los casos) (SKIPPING)
2) TYMS a) VNTR de 28 bps en región A MÁS REPETICIONES NIVELES PROTEICOS DE
promotora: AUMENTA LA TS INVERSAMENTE
WT: TSER*2 EFICACIENCIA EN LA RELACIONADOS CON
MUT: TSER*3 TRADUCCION RESPUESTA CLÍNICA AL
TUMOR
c) SNP G->C en nucleótido HAPLOTIPOS DE ALTA MAYOR SUPERVIVENICA
12 de segunda repetición en Y BAJA EXPRESION EN LOS GRUPOS DE BAJA
TSER*3 ALTA:2R/3G,3C/3G,3G EXPRESIÓN
/3G
BAJA:2R/2R,2R/3C,3C/
3C
b) Delección de 6bp en DISMINUYE LA
3’UTR (1494) ESTABILIDAD DEL
mRNA
3) MTHFR a) SNP C677T (rs 1801133) FACTORES
b) SNP A1298C INDEPENDIENTES DE LA
RESPUESTA DEL
PACIENTE AL
TRATAMIENTO DEL
CÁNCER COLORRECTAL
CON 5FU
44. ¿qué es la fiebre?
¿y la artritis? ¿y la esquizofrenia?
Una de las mayores razones de la falta de
eficacia en el tratamiento es que muchas
enfermedades son en realidad síndromes
de etiopatogenia no bien conocida y de
naturaleza polifactorial y multigénica
(enfermedad genéticamente compleja-
QTLs)
45. SNP: SINGLE NUCLEOTIDE POLYMORPHISM
ATCGGCGTACCTGATTCCGAATCCGTATCG
ATCGGCGTACCTGAATCCGAATCCGTATCG
Distribution: 1 every 300bp
>10 million SNPs in the human genome (around
6M validated)->11M in dbDNP
Human
DNA
A SNP MAP
46. p13.1 p12 p11 q11 q12 q13.1 q13.2 q13.3 q13.4
Chr. 19
SNPs
XRCC1 APOE DM CALM3
Genes
0 1000 2000 3000 4000Kb
Desequilibrio de ligamiento entre población
sana y afecta
47. Human Genetic Association Study Design
Phenotype A Phenotype B
Responder Non-responder
ADR
Allele 1 Allele 2 Marker A:
Allele 1 =
Allele 2 =
Marker A is
associated with
Phenotype
50. HapMap (2002)
• Reduction of SNPs
required to examine the
entire genome for
association with a
phenotype from 10
million to 500,000
tagSNPs
• Genome scan
approaches for genes
involved in complex
traits more efficient and
comprehensive
52. Spanish National Genotyping Center
Genotyping
Pre-genotyping
Pre-genotyping Genotyping platforms: Post-genotyping
Post-genotyping
DNA extraction and Designs
••Data download
Data download
DNA extraction and ••Format changes
Format changes
quantification
quantification ••Data analysis
Genotyping Data analysis
Project design
Project design ••Customer support
Customer support
SNP selection based on: Data checking
SNP selection based on:
Function prediction
Function prediction
•• PreviousLD
Previous LD
• Known disease association
• Known disease association
Researchers
Researchers
50% cost covered by Genoma España- Groups out of Spain can
benefit if they have collaborative projects with groups in Spain
53. Association studies
Candidate gene approach
-Causative hypothesis or candidate
genes
-Causative SNPs can be explored
Many examples but very few with more than 1 M genotypes
Whole genome scans
-No need of gene selection
-Lack of bias towards specific genes
Example: Kammerer et al. Cancer res. 64: 8906, 2004) 25,000
SNPs (254 samples and 268 controls + replication)
CGEMS-NCI (coming soon)
63. MUESTRAS ANALIZADAS:
Corazón
Cabellos de María Antonieta, madre de Luis XVII
Cabellos de Juana Gabriela y María Josefa,
hijas de María Teresa de Austria, abuela del infante
EL “CORAZÓN DE PIEDRA” PERTENECE
AL DEL HIJO DE MARÍA ANTONIETA
Familiares vivos estudiados (descendientes actuales de los Habsburgo):
NADIE HA DEMOSTRADO QUE SEA EL
Reina Ana de Rumanía y su hermano príncipe Andrés de Borbón-Parma
HIJO DE LUIS XVI….
64. SNPs: SINGLE NUCLEOTIDE POLYMORPHISMS
ATCGGCGTACCTGATTCCGAATCCGTATCG
ATCGGCGTACCTGAATCCGAATCCGTATCG
The World Trade
Center Data
• 10,000 reference
profiles for 2,724
victims
• 50% failed
• SNPs makes the
difference
65. Population indicative SNPs or AIMs could
give an important forensic analysis tool
First 9 victims
identified from
the London
transport
attacks 7-7-05
66.
67. Trait Analysis - Hair Colour
Red hair is a single gene Black / Brown / Blonde hair is multigenic
68. Trait Analysis - Facial Features
Can begin to isolate genes for facial features by association
studies of SNP profiles with particular characteristics
69. DNA databases could avoid errors like this!
DNA evidence
related both cases
and allowed the
solution of the
case
Sonia Carabantes 1999
Rocío Wanninkhof 2000
Tonny King
Dolores Vázquez Previously Tonny Bromwich
Declared guilty in 2002 and punished convicted in the UK 1985-1995
with 20 years. 2 years in prison for rape of 5 women
79. mi
Es a el
om
gen e me
qu ó a
g
obli rlo
e
hac
80. Ethical Principles which Apply to
Medical Genetics
• Autonomy - being free to make decisions
• Beneficence - doing the right thing,
promoting well being and preventing harm
• Justice - being fair
• Nonmaleficence - doing no harm
• Veracity - telling the truth
• Fidelity - keeping all contracts and
promises
81. DNA databases could avoid errors like this!
DNA evidence
related both cases
and allowed the
solution of the case
Sonia Carabantes 1999
Rocío Wanninkhof 2000
Tonny King
Dolores Vázquez Previously Tonny Bromwich
Declared guilty in 2002 and punished with convicted in the UK 1985-1995 for
20 years. 2 years in prison rape of 5 women
84. German DNA Database:
Hit by Crime Statistics 1997-2003
Burglary
11.690
84%
Abduction
22
0%
Violent attacks
76
1%
Sexual assault
537
4%
Murder Robbery and
208 blackmail
1% Other crimes
1004
396
7%
3%
85. Offenders are crossing over
• To solve a specific crime type (e.g. sexual
assaults) perpetrators convicted of other crimes
need to be in the database.
• Data from Virginia (courtesy Smith-Alling-Lane)
86. Virginia “Cold Hits” on the DNA Database
All Drug Offenders to Type of Crime Solved
Abduction/ Sex Offenses
Car Jacking 20% (35)
8% (13)
Miscellaneous
Robbery
12% (20)
10% (18)
Burglary
Homicide
24% (41)
24% (42)
Assaults
2% (3)
87. DNA Database Statistics in Europe
GB NL A D SF S CH B F
Date: June 06 June 06 Aug. 06 June 06 June 06 May 06 June 06 June 06 Dec. 05
Total 3.7 Mill. 45,800 112,300 494,400 39,900 28,000 89,400 16,300 127,800
Persons 92 % 45 % 80 % 81 % 82 % 44 % 86 % 42 % 94 %
Popul. % 5.7 % 0.13 % 1.1 % 0.5 % 0.63 % 0.14 % 1.05 % 0.07 % 0.2 %
+ Suspects + (+) + + + (+) + +
Stains 8% 55 % 20 % 19 % 18 % 56 % 14 % 58 % 6%
Hits 762,600 12,600 9,700 41,000 6,600 16,000 14,000 970 2,100
Pers. hits 94 % 70 % 70 % 73 % 82 % 39 % 79 % 28 % 62 %
88. 2008
Any recordable
offense
Catálogo de
delitos
Delitos sexuales
Sin planes
91. Un 25% consentiría en implantarse un chip de detección con seguridad
policial y jurídica
92. Análisis de ADN con
fines penales
2008 Common Law
Controversial
Sistema romano
justineaneo
Justicia Inquisitorial
Policia
Privados
Ambos sistemas están desbalanceados a favor de la acusación
93. El cambio de valores en los últimos años (¿Por qué valoramos de distinta
forma seguridad y libertad?)
Las bases de datos son necesarias pero la libertad individual también
Una pendiente deslizante peligrosa que recuerda el mito de la caverna de
Platón-Un mundo feliz o GATTACA
94. El componente genético de la enfermedad compleja se está
empezando a conocer-sin embargo las aplicaciones clínicas son
aun muy limitadas
Existen muchas empresas que comercializan productos de valor
clínico dudoso o nulo (chips de muerte súbita, de respuesta a
fármacos, de depresión, etc)-La utilidad para tomar decisiones en
el tratamiento es limitada cuando no peligrosa
(presión comercial amparada en la ignorancia y en la divulgación
de avances)-Papel de las agencias reguladoras y de las sociedades
científicas
El problema es aun más grave en sistemas de salud basados en
empresas privadas de seguros médicos
Secuenciación de genomas completos y probabilidades de
enfermedades o actitudes: Una realidad en pocos años. ¿En que
forma afectará a nuestros sistemas de salud y hasta que punto
podrá toda esta información ser utilizada fuera de un contexto
médico? : Rigurosa consideración de todas las implicaciones
sociales, éticas y clínicas.