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La genómica y sus aplicaciones
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La genómica y sus aplicaciones
La Genética, que es una rama del conocimiento muy joven, sus comienzos
empíricos datan de hace unos 7000 años cuando se inció la domesticación de las
plantas, se podria decir que realmente empezo cuando Gregor Mendel (nacido el
22 de julio de 1822 en Heinzendford, Austria), un modesto fraile agustino,
presenta en 1865 su trabajo de investigación a la Sociedad de Historia Natural de
Brün, con el título de "Hibridos en plantas".
Orígenes de la Genética
Primera Ley de Mendel
Las Unidades Hereditarias
(genes) se dan por pares (alelos)
en los individuos.
Los alelos segregan (se
separan) para formar gametos.
Algunos alelos ocultan el efecto
de otros (dominan)
En 1953, Watson (izquierda) y Francis Crick
(derecha) describieron la estructura en doble
hélice de la molécula de ADN. En 1962 Watson
y Crick recibieron el Premio Nobel de Medicina
por su trabajo.
La Doble Hélice
Rosalin Franklin en 1953, obtuvo datos precisos
de difracción de Rayos X de ADN y sugirió que la
estrucctura del ADN era algún tipo de hélice
“Deseamos sugerir una estructura para el ácido desoxirribonucleico (ADN). Esta
estructura tiene características novedosas que son de considerable interés desde
el punto de vista biológico”.
Los genes contienen
las instrucciones
para fabricar
proteínas
Las proteínas llevan a
cabo la mayoría de las
funciones de un ser
vivo
Genoma
CélulaCromosomas
Proteínas
¿Qué es el genoma?
• El genoma es el conjunto de información
hereditaria que define y determina como
funcionan cada organismos viviente.
• Conjunto de todos los genes de un organismo.
• El depósito de ésta información es el Ácido
Desoxiribonucleico o ADN.
• El genoma esta organizado en cromosomas.
El genoma contiene toda la información
de cómo funciona un organismo
AGCTAGCTGATTTCGTACCTTCCGATCGGATCGATTTGATCAAAGTCTGGC
CGCGCTAGCGCTTAATATAGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTAGCTGG
AGCTAGCTGATTTCGTACCTTCCGATCGGATCGATTTGATCAAAGTCTGGC
CGCGCTAGCGCTTAATATAGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTAGCTGG
AGCTAGCTGATTTCGTACCTTCCGATCGGATCGATTTGATCAAAGTCTGGC
CGCGCTAGCGCTTAATATAGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTAGCTGG
AGCTAGCTGATTTCGTACCTTCCGATCGGATCGATTTGATCAAAGTCTGGC
CGCGCTAGCGCTTAATATAGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTAGCTGG
AGCTAGCTGATTTCGTACCTTCCGATCGGATCGATTTGATCAAAGTCTGGC
CGCGCTAGCGCTTAATATAGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTAGCTGG
GCTAGCTAGCTGGGCTAGCTAGCTGGTT
La genómica se dedica a identificar los genes presentes
en los cromosomas y determinar cual es su función
El genoma es como una receta de cocina
que contiene las instrucciones de cómo
funciona un organismo
TGGGTATTGATCGTCAGTCAGTCGTCATGAATGAGAGATCG
GAGCCTACTTGIncubar los frijoles en agua durante al
menos una nocheTTTGACTAGTCAATGG Tirar el agua
AGCCCTGATGCTACocer los frijoles en olla express con
ajo, cebolla, chile picado y sal hasta que se ablanden
GCTAGCCATG Machacar mientras se fríen lentamente
con aceiteGGCTAGTCGTAGGATCGTTGCTAGCTATAGCT
GGGCTAGCTAGCTGGGTATTGATCGTCAGTCAGTCGTACC
La genómica descifra esas instrucciones
Organismo Tamaño del
genoma
Número de genes
estimado
Maíz 2000-2500
millones
50,000
Humano 3000 millones 30,000
Ratón 2600 millones 30,000
Fríjol 637 millones 40,000
Arabidopsis 120 millones 28,000
Mosca de la fruta 137 millones 13,000
Levadura 12 millones 6,000
Bacteria (E.coli) 4.6 millones 3200
Frederick Sanger recibió
el Premio Nobel de
Química en 1958 y en
1980
En 1977 Federick Sanger Publica su Técnica
de Secuenciación de ADN
Sanger, capitalizó la habilidad de las polimerasas para
incorporar desoxinucleótidos, así como di-
desoxinucleótidos a la cadena en crecimiento.
ddNTP´s
+
dNTP´s
+
DNAPolimerasa
PRIMER
DNA Templado5´3´
5´ 3´
SINTESIS DE LA CADENA
COMPLEMENTARIA
5´
3´5´
3´
LECTURA ó
DETERMINACIÓN
DE LAS BASES
Data Collection
Sequencing
Analysis
•Gel de Poliacrilamida
•Químicos Fluorescentes
•CCD cámara
•Uso de software
El ABI 377 Apliedd Biosystems
SEMI-AUTOMATICA
LI-CO 4300
MANUAL
•Gel de Poliacrilamida
•Radioisotopo S35 o P32
•Film de Rayos X
•Lectura Manual
El ABI 3730xl de la
marca Applied
Biosystems realiza 40
(96 capilares) corridad
por día y detecta 1 920
000 bases por día
El MegaBACE 4000 de la
empresa Amerhsam
Phermacia procesa 384
muestras simultaneamente y
genera 2.8 million de bases
por día
AUTOMATIZADA
Tecnologia del Capilar
Capilares
Laser
CCD camara
Data Collection
PROYECTO DEL GENOMA HUMANO (HGP)
•Inicia oficialmente en junio de 1991 por el Instituto Nacional de Salud de U.S.
•Es un proyecto comparado al apolo XI (Primer hombre en la luna)
•Participan 6 países (U.S. Inglaterra, Francia, Canada, Alemania y Japón)
•La Meta: Secuenciar 3.2 x 109 bases durante los próximos 15 años
Equivale a leer durante 9.5 años en voz alta
•En 1996 se funda el National Human Genoma Research
Institute (NHGRI) con la intención de secuenciar, utilizando
metodología de gran escala, el Genoma Humano
•Involucra a las Universidades y Centros de Investigación más
reconocidos de los Estados Unidos, como:
Institute for Genomic Research, Rockville,MD
Baylor College of Medicine, Houston,TX
Whiteheat Institute for Biomedical Research,
Cambridge, MA
Stanford Universty, Stanford, CA
University of Washington, Seattle, WA
Washington University, St Louis, MO
•Colabora el Instituto Sanger
•Se dividen el trabajo por cromosomas
•Utiliza sistemas Robotizados y Bioinformáticos más adelantados
•La meta se piensa cumplir para el 2005 con una probabilidad de
error de 0.01% por base
James Watson
Francis S. Collins
En 1992 J. C. Venter funda
The Institute for Genomic Research (TIGR)
Y en 1998 funda Celera asociado con ABI
•Dice que va a secuenciar el genoma humano en 3 años.
•ABI proporciona un poco más de 300 secuenciadores de 96 capilares
para este proyecto.Costo 200 millones de dólares
•Se interesa principalmente en zonas codificantes del DNA.
•El tamaño del genoma es de 3 000 millones de bases.
•Solamente el 3% del genoma es codificante.
•Son apróximadamente 80 000 genes potenciales.
•Su intención es patentar genes.
•Celera significa velocidad.John Craig Venter
PROYECTO DEL GENOMA HUMANO (HGP)
La Clave del Exito: las estrategias “shot gun”
Velocidad de secuenciadores ==> reducción de costos
Poder computacional
Una vez identificada la utilidad de un gen, se puede patentar
La utilidad de los genes de la enorme cantidad de
Microorganismos, animales y plantas nativos de México
tiene un enorme valor $$$$$$$$$
Importancia de la genómica en México
México tiene el 10% de la diversidad biológica del planeta
Es número 1 en reptiles, 3 en plantas y anfibios, y 4 en animales
La biodiversidad a nivel regional es excepcional México, Colombia y Costa Rica poseen más del 25% de la biodiversidad mundial.
México además de tener una enorme riqueza en biodiversidad es el centro de origen, diversidad y domesticación de un gran número de las especies agrícola de mayor importancia económica.
MaízChileFrijolJitomateTomateCacahuateGirasolCalabazaAguacateAgave
Y muchas más
IMPORTANCIA DE LA GENOMICA EN MEXICO
“DNA sequencing is where a developing country can compete
in big science that can yield powerful new technologies”.
Institute Director Yang Huanming
Laboratorio Nacional de Genómica para la Biodiversidad
(LANGEBIO)
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Langebio inició sus labores
en mayo del 2005
Dos secuenciadores ABI3700 de 96 capilares totalmente
automatizados
Dos secuenciadores MegaBACE4000 de 384 capilares
Dos secuenciadores basado en amplificación múltiple en paralelo
(454)
Un secuenciador de alta capacidad SOLID de ABI (20 Gb por
corrida)
Robot picador de colonias Genetix (4000 colonias por hora)
Robot para impresión de microarreglos (Virtek)
Lector confocal de microarreglos (Virtek)
Robot para preparación de reacciones de secuenciación
Capacidad y usos de los distintos secuenciadores
1) Secuenciadores tipo Sanger (ABI3700 y MegaBACE4000). Pueden
procesar entre 96 y 384 muestras generando de 800 a 1000 pares de bases
de alta calidad por muestra en 4 h. Se usan para secuenciar moléculas
específicas y como base de proyectos genómicos.
2) Secuenciadores en paralelo en nanoesféras 454. Procesan Un millón de
moléculas generando 400 bases por muestra dando un total de 400 Mb en
8 h. En una corrida se pueden secuenciar hasta 5 genomas bacterianos con
una cobertura 20X. Tiene algunos errores cuando hay hileras de más de 7
bases idénticas (GTCTGGGGGGGGTTCTGCTT)
3) Secuenciadores tipo SOLID o Solexa. Tienen una capacidad de secuenciar
hasta 100 millones de moléculas generando 35 bases por molécula. Muy
útil para re-secuenciar genomas ya conocidos, por ejemplo humanos,
arabidopsis, arroz y maíz entre otros. Ensamblado de novo de genomas aún
muy complejo pero se está trabajando para resolverlo.
Secuenciación del genoma codificante del maíz y uso del genoma para identificar genes de
tolerancia a sequía
El genoma del maíz palomero toluqueño es el más pequeño de los 350 genotipos analizados
Zapalote Chico 3200 100%Tepezintle 2900 90%B73 2700 84%Tuxpeño 1 2500 78%Tuxpeño 2 2300 71%Chalqueño 2300 71%Bolita 2200 68%Palomero 1 1950 60%
LandraceGenome(Mb) B73%
LABORATORIO NACIONAL DE GENOMICAPARA LA BIODIVERSIDAD
Validación de genes funcionales por transcripción
Se secuenció el equivalente a 4.7 veces el genoma completo del maíz palomero
Se identificaron 54 203 genes en el maíz palomero•
# Genes con evidencia transcripcional por 454: 42,664 (78%)
• # Genes funcionales adicionales por ESTs: 4,436
Total: 47,100 Genes validados por transcripción (87%)
•Adicionalmente tenemos 183,015 Contigs que aparentemente
no tienen genes pero que son transcripcionalmente activos.
Cinvestav
OBJETIVO
Identificar las respuestas fisiológicas y génicas entre tres variedades demaíz bajo condiciones de sequía e identificar aquellos genes asociados a surespuesta por sequía.
Se usaron dos razas tolerantes a la sequía (Cajete Criollo y Michoacán 21,y una susceptible (85-2)
“ANÁLISIS DE LA RESPUESTA A NIVEL FISIOLÓGICO Y DE EXPRESIÓN GÉNICA BAJO SEQUĺA EN TRES MATERIALES CRIOLLOS MEXICANOS DE MAĺZ”
Cinvestav
Cy3 Cy5+
CONTROL TEST
Cy3 Cy5
17 días de estrés (Inducidos)
85-2 Cajete criollo
Michoacán 21
611
Michoacán 21
143
85-2 Cajete criollo
106
17 días de estrés (Reprimidos)
85-2
Cajete criollo Michoacan 21
85-2 Cajete criollo Michoacan 21
FOTOSINTESIS
85-2 Cajete criollo Michoacan 21
FOTOSINTESIS
Factores de transcripción inducidos por sequía en variedades tolerantes a la sequía
12 comunes a las variedades tolerantes y susceptibles a la sequía
5 comunes a las variedades tolerantes a la sequía
3 específicos para la Cajete Criollo y 5 para la Michoacán 21
Pozas Cuatro Ciénegas Pools
Una de las zonas más ricas en biodiversidad del mundo,
equiparable a las islas Galapagos. Datos geológicos
sugieren que las pozas son remantes de un mar muy
antiguo
Cuatro Ciénegas: a living laboratory to
understand bacterial evolution
Cerca de 170 pozas con muchas especies endémicas incluyendo peces,
caracoles y tortugas, además de una gran riqueza en
microorganismos. Galapagos: islands isolated by water
• 4C is a reversed Galapagos: Ponds isolated by sand and mountains
• El agua es oligotrófica con concentraciones extremadamente bajas
de fósforo. No soporta el crecimiento de algas, pero es rica en
bacterias fotosintéticas.
• Secuenciando el genoma de bacterias de las pozas podemos definir
si efectivamente las bacterias de las pozas son de origen marino.
Metagenomic analysis using 20 universally present genes in Bacillus
sp. shows that Bacillus coahuilensis is indeed closest to marine
Bacillus but basal to all
Bacillus from the Gulf of Mexico
Phylogenomics analysis
Agradecimientos
MaízJune SimpsonOctavio MartínezCorina HayanoAlfredo HerreraJeanPphilippe VielleGrupo de secuenciacióny microarreglos
AlkamidasJosé López Bucio UMSNHJorge MolinaAlfonso Hernández UMSNH
Formas alternas de fósforoDamar López
FinanciamientoSAGARPACONACyTSEPCONCyTEGHHMI
