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BIOMEDICINA: Qué queda por saber y cómo mejorará nuestra salud César Nombela Cano. Rector. Universidad Internacional Menéndez Pelayo. 9 Noviembre 2016
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BIOMEDICINA: Qué queda por
saber y cómo mejorará nuestra
salud
César Nombela Cano. Rector. Universidad Internacional Menéndez
Pelayo. 9 Noviembre 2016
A qué llamamos Biomedicina
¿Se puede hablar de lo que
queda por saber?
La Biomedicina surge tras el triunfo de la Biología Experimental
Reid & Greene. Amer. Acad. Microbiology. (2013)
SA Tishkoff y KK Kidd. Nature
Genetics 36, S21 (2004)
SA Tishkoff y KK
Kidd. Nature
Genetics 36, S21
(2004)
Sharp, PA. Science 346, 1468 (2014)
Hacia una Medicina….
Predictiva
Individualizada
De precisión
Regenerativa
……un recorrido todavía largo y gradual
Salto de escala en Biología
Variación en la especie. Fundamentos de la individualidad genética
¿Medicina de precisión o individualizada (personalizada)?
Bioética:
¿Somos nuestros genes?
¿podemos tener intimidad genética?
Y mucho más: hablamos de genoma, proteoma, metaboloma,
transcriptoma, metagenoma, microbioma…….incluso ambioma
LA BIOMEDICINA NOS HABLA DE GENOMAS…..
Los primeros cariotipos humanos determinados por Joe Hin Tjio en el
CSIC (estación Experimental Aula Dei. Zaragoza), en los 50.
La Biomedicina actual, fuerte dependencia de las
mejoras tecnológicas (análisis de ADN)
Técnica de análisis:Reacciones Sanger de copia con terminadores fluorescentes y electroforesis multicapilar.
Equipos:- Sistemas PCR 9700 GeneAmp (ABI)- 2 Secuenciadores multicapilares ABI Prism 3730 (ABI)
Análisis de fragmentos de ADN (Microsatélites, AFLPs, SNaPshot,…)
Técnica de análisis: Amplificación de fragmentos específicos y electroforesis multicapilar.
UNIDAD DEGENÓMICA
Secuenciación de ADN
1996 19981997 200019991995
Haemophilus
influenzae
Saccharomyces
cerevisiae
C. elegans
Drosophila
Cromosoma humano 22
Cromosoma humano 21
Arabidopsis
Borrelia burgdorferi
Campylobacter
jejuni
Chlamydia
trachomatis
Bacillus subtilis
Methanoccocus
jannaschi
E. coli
Mycobacterium tuberculosis
Helicobacter pylori
5 años de intensa actividad genómica
Diseño de J. Arroyo
Desvelado el
genoma del gorila.
Lo integran 3.035
Megabases
Science 352 (2016)
1.3 formas proteicas por gen
3 formas proteicas por gen
5-10 formas proteicas por gen
BACTERIAS
LEVADURAS
CÉLULA ANIMAL
450-
6000
GENES
450-600
PROTEÍNAS
500-600 METABOLITOS
DEL GENOMA AL
PROTEOMA Y
METABOLOMA
BACTERIAS
Y MICROORGANISMOS
EUCARIÓTICOS
Más de 400.000 metabolitos
(primarios + secundarios) en el
conjunto de los microbios
En microorganismos
eucarióticos la escala genómica
puede suponer 6000-12000
genes, un número similar de
proteínas y unos 800
metabolitos
La variedad de metabolitos
secundarios puede ser similar
20000-
50000
GENES
20000-50000
PROTEÍNAS
5000-10000
METABOLITOS
VEGETALES
La variedad metabólica del
reino vegetal puede alcanzar
unos 200.000 metabolitos
(primarios + secundarios)
DEL GENOMA AL
PROTEOMA Y
METABOLOMA
aprox.
19.000
GENES
> 100.000
PROTEÍNAS
METABOLOMA ENDOG.
1500
METABOLOMA EXÓG.
10.000
LA ESPECIE
HUMANA
El metaboloma exógeno
resultado de una dieta variada, de
las aportaciones de la microbiota y
la exposición a xenobióticos,
nutracéuticos, etc.
DEL GENOMA AL
PROTEOMA Y
METABOLOMA
Desde la Biomedicina
también hablamos de salud
y de enfermedad……
Desde 1911 se sitúan genes
asociados e enfernedades en el
cromosoma X.
1973, 60 genes humanos
localizados en los 22 autosomas
1981, tras introducción de los
métodos de ADN recombinante el
número asciende 400.
1991, el número asciende a 2100
De Berg y Singer. Tratar con genes. Editorial Omega 1994
Antecedentes: la correspondencia mapa genético-mapa físico.
Secuenciación del genoma humano: estructura y organización.
Número de genes y proteínas que codifican
Control y regulación de su funcionalidad
Variación genética humana.
Genes, ambiente y enfermedad.
Implicaciones éticas y sociales de los datos genéticos.
EL GENOMA HUMANO Y SU SIGNIFICACIÓN BIOMÉDICA
3,120 GB pero sólo 20,000-22,000 genes (revisado a 19.000)
Proteoma innovador (varias proteínas por gen)
Importancia del análisis de la variación genética (polimorfismos en el
genoma humano)
Los proyectos de análisis de polimorfismos en gran escala
Genes y enfermedad. Perspectivas de avance:
Diversidad
Predisposición
Susceptibilidad
Enfermedad monogénica y genéticamente compleja
El análisis del genoma humano
Perspectivas abiertas
EL GENOMA DEL NÚCLEO
Integrado por 3.200 millones de pares de bases (genoma haploide)
repartidas en los 22 autosomas y el cromosoma determinante del sexo
Sólo el 1,5% es DNA codificante de proteínas. Supone solamente
19.000 genes aproximadamente.
36% de DNA no codificante (intrones, pseudogenes, elementos
flanqueantes).
46% de DNA de secuencias altamente repetitivas:
Secuencias repetidas en tandem (satélites, microsatélites,
minisatélites)
Secuencias dispersas (elementos genéticos similares a
retrovirus y transposones).
EL GENOMA MITOCONDRIAL
Integrado por 16.600 pares de bases en un solo
cromosoma circular
13 genes de proteínas
2 genes de RNA ribosómico
22 genes de t-RNAs
Un gran proporción de las funciones mitocondriales
están codificadas por genes del núcleo.
Genoma humano, cada vez menos genes…..no es la
cantidad sino la cualidad y la calidad
Pero, el organismo humano alberga
multitud de otros genomas, además del
propio……
…..el microbioma, incluido el viroma,
comensales o patógenos.
EL MICROBIOMA HUMANO
¿CABE HABLAR DEL ÚLTIMO ÓRGANO DEL CUERPO?
El ser humano nace libre de microbios, pero es inmediatamente colonizado por
un conjunto complejo de especies de microorganismos.
1014 células (aprox. 2 Kg de peso) integran la microbiota humana, 9 de cada 10
células de las que alberga nuestro organismo.
Microbioma básicamente simbionte, integrado por especies mutualistas,
comensales y, algunas, eventualmente patógenas (anfi-biosis).
La colonización microbiana tras el nacimiento genera una microbiota humana
caracterizada por su funcionalidad, más que la homogeneidad de su
composición, alta variabilidad individual.
Numerosas indicaciones de una co-evolución humanos-microbiota.
La alteración de estos equilibrios se asocia a patología. El conocimiento
desarrollado plantea la posibilidad de intervenciones que restablezcan la
normalidad.
Qin et al. (MetaHIT Consortium) Nature 464, 59 (2010)
La composición de la microbiota de
las distintas superficies y cavidades
abiertas, un reflejo de las capacidades
adaptativas de los microorganismos.
Co-evolución, co-adaptación y co-
dependencia
La dotación genética que supone el
microbioma, un reflejo de
capacidades metabólicas
complementarias a las del organismo
humano.
La indudable contribución del
microbioma (incluyendo viroma) a la
maduración inmunitaria del
organismo humano.
EL MICROBIOMA HUMANO Y SU
VARIEDAD
I. Cho y M.J. Blaser Nature Revs. Genetics 13, 260 (2012)
Human Microbiome Project Consortium. Nature 486 207 (2012)
Science 1-Julio-2005
Kellis et al. PNAS 111, 6131 (2014)
Exploración funcional del genoma humano mediante
aproximaciones bioquímicas, genéticas y evolutivas
Mutación, en células somáticas o germinales. Generación
contínua.
Mutaciones en genes codificantes de proteínas (sólo el 1% del
ADN se transcribe, gran parte en forma de intrones que se
eliminan).
Pérdida de función en la proteína, normalmente recesiva (en
homocigosis pueden suponer diversas enfermedades
monogénicas).
Mutaciones en regiones no codificantes (intrones, otras regiones
regulatorias) pueden tener también consecuencias fenotípicas de
diversa índole.
Mutaciones neutrales, beneficiosas o perjudiciales. Los ejemplos
de la anemia falciforme o los variantes del gen CCR5 (resistencia
a VIH).
Los SNPs. Como promedio uno por cada 1250 bases.
Un único genoma de la especie, múltiples posibilidades de
variación individual
Genoma humano: importancia de los
polimorfismos
Una de las principales fuentes de variabilidad genética se basa en cambios en puntos concretos del genoma (SNPs)de los que se han identificado cientos de miles
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/SNP
varios millones de SNPs mapeados,
se estima en más de 10 millones
E. Check. Nature 437, 1084 (Octubre, 2005)
La recombinación
meiótica por
entrecruzamiento
genera variabilidad
Repeticiones en tandem. Número variable de
repeticiones en tandem (VNTRs), microsatélites,
minisatélites. Elevada heterozigosis. Inestabilidad
genética. Síndrome del X frágil (repetición de GCC en el
gen FMR1 (20-50 copias a 200). Corea de Huntington,
distrofia miotónica, atrofia muscular espinal o bulbar.
Recombinación como proceso frecuente en meiosis y
como sistema para establecer ligamiento.
Análisis de ligamiento para establecer los genes
responsables de diversas enfermedades monogénicas.
Estudio de familias con diversos integrantes afectados.
Enfermedades genéticamente complejas y su análisis.
Ligamiento en haplotipos y desequilibrio de ligamiento.
Aún más posibilidades para la variación
genética humana
Genocentrismo Ambientalismo
Alteraciones monogénicas
HLA, asociación
con patología
Base genética de
la propensión
Alteraciones poligénicas
Posibilidades de la
Medicina predictiva
Complejidad genética y
ambiental de las enfermedades
más comunes
Genes y enfermedad: el laborioso estudio
de un fenómeno complejo
FENOTIPOPATOLÓGICO
Ambiente Fondogenético
Polimorfismo
ENFERMEDADES MONOGÉNICAS: UN SOLO POLIMORFISMO ALTERADO, CAUSA PRINCIPAL. MUY NUMEROSAS, POCO FRECUENTES (RARAS)
J Marx. Science296, 686. 2002
La diabetes 2 se incrementa en USA un 49% entre 1991 y 2000
150 millones de afectados en el mundo, duplicación prevista a 2025
En USA, 13% de afectados en afroamericanos, 10,2% en hispánicos y 6,5% en
blancos
Obesidad incrementada
indios Pima de Arizona
de 1900 a la actualidad
Componente genético heredable pero no basado en alelos de
un único gen.
Fenotipo debido a la interacción de varios o muchos alelos.
Ninguno de ellos es determinante en exclusiva, pero cada
uno de los genes puede considerarse factor de riesgo.
En algunos casos los alelos responsables pueden ser
diferentes y estar distribuidos por el genoma (enfermedades
diferentes con síntomas comunes).
Marcadores para la predicción de riesgos. Se pueden
determinar analizando genéticamente grandes poblaciones
en las que correlacionar perfil genético y padecimiento de la
enfermedad.
Análisis de múltiples polimorfismos y su grado de ligamiento.
Ligamiento en haplotipos y desequilibrio de ligamiento.
Variaciones significativas en el tamaño de los bloques de
marcadores ligados.
Bases de la variación genética humana.
Enfermedades genéticamente complejas
FENOTIPOPATOLÓGICO
AmbienteFondo
genético
Polimorfismos
ENFERMEDADES GENÉTICAMENTE COMPLEJAS: MÚLTIPLES POLIMORFISMOS EN INTERACCIÓN CON FACTORES AMBIENTALES Y FONDO GENÉTICO. LAS MÁS FRECUENTES: DIABETES, CARDIOPATÍAS, TRASTORNOS NEUROPSIQUIÁTRICOS, ETC
Asociación
de
marcadores
genéticos de
distintos
cromosomas
con diabetes
J Couzin & J Kaiser. Science 316, 820-822 (2007)
ALGUNOS EJEMPLOS DE ASOCIACIÓN DE MARCADORES
GENÉTICOS CON PATOLOGÍAS HUMANAS
Demostraciones obtenidas en al menos dos estudios
independientes. Alshuler et al., Science 322, 881 (2008)
Diabetes Tipo 2. Genes PPARG, KCNJ11, WSF1 y TCF2. Regiones
cromosómicas 8q24, 10q23, 3q27, 9p21, 6p22, 10p23, 3p14 y 2p21
Artritis reumatoide. Genes HLA, PTNP22, STAT4, TRAF1/C5, TNFAIP3
Cáncer de próstata. Gen TCF2 y regiones cromosómicas 8q24 y 17q24
Obesidad. Gen MCR4 y región cromosómica 16q12
Infarto de miocardio. Regiones cromosómicas 9p21, 1p13, 1q41, 10q11,
6q25
Esclerosis múltiple. Genes ILR2RA, IL7R
ALGUNOS EJEMPLOS DE ASOCIACIÓN DE MARCADORES
GENÉTICOS CON PATOLOGÍAS HUMANAS
Demostraciones obtenidas en al menos dos estudios
independientes. Alshuler et al., Science 322, 881 (2008)
Degeneración macular senil. Gen CFH y regiones cromosómicas 10q26,
6p21
Asma. Región cromosómica 17q21
Enfermedad celiaca. Región cromosómica 4q27
Alteraciones colesterol LDL. Genes APOB, APOE, HMGCR, LDLR, PCSK9 y
regiones cromosómicas 1q13 y 9p13
Alteraciones colesterol HDL. Genes GALNT2, ABCA1, APOA5, CETP, LIPC,
LIPG, LPL, ANGPTL4 y región 12q24
Fibrilación atrial. Región 4q25
La correlación estadística entre variantes genéticos y enfermedad
puede tener resultados variables.
Otros factores hasta ahora poco considerados:
Epigenética. Alteraciones del molde cromatínico que se establecen
y propagan distintos patrones de expresión y silenciamiento de
genes.
Metilación del DNA que modula la transcripción.
Modificación covalente de histonas que induce o reprime
determinadas secuencias.
Regulación de la expresión mediante RNAs no codificantes de
pequeño tamaño.
Modificaciones en la maduración del RNA mensajero.
Transposición de elementos genéticos (LINEs).
Mosaicismo.
Variantes estructurales (variación de número de copias)
Limitaciones de los estudios genómicos globales de
asociación a enfermedades (GWAS)
Nature 518 197 (2015)
Estudio basado en la correlación genómica entre Índice de Masa Corporal
(IMC) y variación genética en 339.224 individuos.
Se identifican 97 loci asociados a variaciones significativas en IMC.
Muchos de ellos son conocidos por su implicación en diversos fenotipos
metabólicos.
Los resultados permiten postular un papel fundamental del sistema
nervioso en la predisposición a la obesidad.
También implican a genes y vías implicadas en la función sináptica,
señalización por glutamato, secreción/función de la insulina, metabolismo
energético, metabolismo de lípidos y adipogénesis.
El rastro mutacional del cáncer. Datos del análisis de 7042 tumores
Datos anunciados por la revista Nature
El proyecto ExAC (Exome Aggregation Consortium) incorpora datos de
60.706 individuos obtenidos en 14 estudios….
Shendure J. Nature 536, 277 (2016)
Insomnio familiar fatal
Mutación en el codón 178 del
gen PRNP (cromosoma 20)
Unos 3200 genes casi
nunca aparecen como
portadores de mutación
alguna en los genomas del
proyecto ExAC
Hayden E.C. Nature 538, 154 (2016)
De la individualidad genética a la terapia
individualizada
Un camino iniciado, previsiblemente largo.
La complejidad de la base genética de la mayor parte
de las patologías se amplía a la respuesta y las
reacciones adversas a medicamentos.
En perspectiva pueden estar:
Segmentación basada en la variación genética
Desarrollo de fármacos aplicables en función de un perfil
genético
Importancia de los biomarcadores: determinación, relevancia
fisiológica, toxicológica, clínica.
V. Weigman & P. Hugo. Precision Medicine (2016)
V. Weigman & P. Hugo. Precision Medicine (2016)
LO QUE FALTA POR SABER DEBE ABRIR CAMINOS PARA…
Terapia génica
Nuevos y abundantes fármacos biotecnológicos
Estrategias de reprogramación
Tratamientos con células madre
Retardar el envejecimiento
……..
Etapas iniciales en el desarrollo embrionario de
mamíferos. Posibilidad de su manejo in vitro: la
concepción humana fuera del seno materno
Mórula
Blastocisto
La masa interna de
células del blastocisto
origen del nuevo
organismo
El organismo adulto se genera
por la proliferación y
diferenciación de células
embrionarias tempranas
totipotentes.
Cigoto
Células madre mesenquimales, una reserva de notable potencial terapéutico
Nombela-Arrieta et al. Nat. Revs. Mol. Cell Biol. 12, 126 (2011)
Gradación en la
potencialidad de las
células troncales, en
cuanto a
crecimiento y
diferenciación
Células
totipotentes
Células
multipotentes
en estadíos
fetales y
adultos
Células
pluripotentes
Células
iPS (pluripotentes
Inducidas) ¡la última
gran novedad!
López-Otín et al. Cell. 153, 1194 (2013)
Doudna & Charpentier. Science
346, 6213 (2014)
EL SER HUMANO Y SUS GENES: UNA PERSPECTIVA ÉTICA
El ser humano no es reducible a sus genes.
Protección de la dignidad humana en la investigación
genómica. Consentimiento, etnicidad, etc.
Protección de los derechos en Medicina genómica. Intimidad
genética, el alcance de los datos y la información.
Aspectos jurídicos y legales. Patentabilidad de los genes.
El futuro de la naturaleza humana. Reprogramación,
transevolución, transhumanización.
