De la Biología Molecular a laBiomedicina

Margarita SalasCentro de Biología Molecular Severo Ochoa

(CSIC–UAM)

Premio Syva 2011

León, 31 de Mayo de 2011

o

1944 - Avery, McLeod y McCarthy demostraron que el DNA es el “principio transformante” en pneumocco (el material genético)

Propuesto por Propuesto por James WatsonJames Watson y y Francis CrickFrancis Crick en 1953 en 1953Basado en datos de difracciBasado en datos de difraccióón de rayos X n de rayos X y estudios de la composiciy estudios de la composicióón qun quíímica del mica del DNADNA

El DNA es una doble hEl DNA es una doble héélicelice

Rosalind Elsie Franklin

• Londres,1920-1957

Una fotografía importante

• Cristalografía de rayos X del DNA B obtenida por Rosalind Franklin

• De esta foto se obtuvieron datos cruciales para proponer la estructura en doble hélice del DNA

Reglas de ChargafReglas de Chargaf [A] = [T] y [C] = [G][A] = [T] y [C] = [G]

Apareamiento de bases complementariasApareamiento de bases complementarias

Estructura del DNAEstructura del DNA

• Vuelta completa de hVuelta completa de héélicelice (360°) es (360°) es 3.4 nm3.4 nm

• bases espaciadas bases espaciadas .34nm.34nm• 10 bases/vuelta10 bases/vuelta

Modelo de Watson-Crick de replicación Modelo de Watson-Crick de replicación

1955: Arthur Kornberg

Descubrió la primera DNA polimerasa en Escherichia colicon la que sintetizó por primera vez ácido desoxiribonu- cleico en el tubo de ensayo

1959: Arthur Kornberg (Stanford University) & Severo Ochoa (NYU)

Central Dogma of Biology

SEVERO OCHOA (1905-1993)

Premio Nobel 1959

Descubrió la Polinucleótido fosforilasa: sintetizó por primera vez ácido ribonucleico en el tubo de ensayo

Código genético

Algunas contribuciones de la Biotecnología

– Sector farmacéutico: Insulina, hormona de crecimiento,interferones, vacunas, etc

– Sector medioambiental: Bacterias modificadas parabiodegradar compuestos tóxicos

– Sector agrícola: Plantas transgénicas resistentesa insectos, virus, suelos salinos, etc.

ALGUNOS GENOMAS SECUENCIADOS

Eucariotas

Saccharomyces cerevisiaeArabidopsis thalianaOryza sativaPlasmodium falciparumAnopheles gambiaeTrypanosoma bruceiTrypanosoma cruziLeishmania majorDrosophila melanogasterCaenorhabditis elegansFugu rubripesGallus gallusMus musculusRattus norvegicusPan troglodytesHomo sapiens

Procariotas

Escherichia coliBacillus subtilisBacillus anthracisBorrelia burgdorferiChlamydia trachomatisClostridium perfringensHaemophilus influenzaeHelicobacter pyloriMycobacterium lepraeMycobacterium tuberculosisNeisseria meningitidisSalmonella entericaSalmonella typhiStaphylococcus aureusStreptpcoccus pneumoniaeVibrio choleraeYersinia pestis

14000

30-40000

19000

26000

60004000

Genes

Genome(Mb)

4,6 12,1 125 97 180 3200

Estructura estándar de un gen

Procesamiento del mRNA

A. RNA editing

B. Alternative splicing

"Tout ce qui est vrai pour le Colibacille est vrai pour l'éléphant"

Jacque Monod (1972) 1965 Nobel laureate

• Are we ‘just’ E. coli, except more so?

Humanos y Chimpancés

Homo sapiens 99.9% idénticosHomo sapiens y Pan troglodytes 99.0% idénticos

Qué nos dice el genoma?

• ~ el mismo tamaño (3.200 millones de nucleotidos)• ~el mismo número de genes (~25.000)• ~los mismos genes

Todavía no mucho…

Expresión de genes

Hipótesis: No son las diferencias estructurales de las proteinas, sino las diferencias en su expresión entre los humanos y los chimpancés lo que da cuenta de nuestra “humanidad.”

Telómeros y Telomerasa

1. Los extremos de los cromosomas eucarióticos tienen miles de copias de una secuencia de DNA de 6 nucleótidos (telómeros).

2. Telomerasa, enzima que cataliza la adición de nuevas secuencias repetidas.

3. La ausencia o la mutación de la telomerasa produce acortamiento del cromosoma y división celular limitada.

SNPs

• Los polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) representan el tipo de variación más frecuente en el DNA de los humanos.

• Ocurren con una frecuencia de 1 por cada 1000 nucleótidos

y tienen una gran importancia en el fenotipo. Cambio sinónimo: TTA (Leu) a TTG (Leu) Cambio no sinónimo: TTA (Leu) a TTT (Phe)

Breast and ovarian cancerBurkitt lymphomaChronic myeloid leukemiaColon cancerLung cancerMalignant melanomaMultiple endocrine neoplasiaNeurofibromatosisp53 tumor suppressorPancreatic cancerProstate cancerRas oncogeneRB: retinoblastomavon Hippel-Lindau syndrome

AsthmaAutoimmune polyglandular syndromeCrohn's diseaseDiGeorge syndromeFamilial Mediterranean feverImmunodeficiency with Hyper-IgMSevere combined immunodeficiency

Alzheimer diseaseAmyotrophic lateral sclerosisAngelman syndromeCharcot-Marie-Tooth diseaseEpilepsyEssential tremorFragile X syndromeFriedreich's ataxiaHuntington diseaseNiemann-Pick diseaseParkinson diseasePrader-Willi syndromeRett syndromeSpinocerebellar atrophyWilliams syndrome

BIOMEDICINA

- La mayoría de enfermedades tienen alguna base genética

- Algunas son monogénicas: unas 1500 asociadas a genes de secuencia conocida

- Otras, las más comunes (cáncer, obesidad, cardiopatías)dependen de más de un gen y el medio ambiente desempeña un importante papel

El conocimiento de los genes implicados en la enfermedad, de sus mecanismosde control y del efecto de los SNPs y mutaciones permitirá:

1. DIAGNOSTICO: tests genéticos para detectar predisposición a enfermedades

2. PREVENCION: Evitar la exposición a factores ambientales que favorezcanla aparición de enfermedades. Evaluación de riesgos por exposición a contaminantes, agentes químicos o radiaciones.

3. TERAPEUTICA:

- Terapia génica- Farmacogenómica: drogas personalizadas. Diseño de medicamentosespecíficos para un patrón genético determinado. Reducción de losefectos secundarios al conocer la capacidad genética del pacientepara asimilarlos.

Genómica ComparadaHumanos vs. Roedores

La mutación c-kit de humanos y ratones tiene fenotipos similares Puede observarse el mismo tipo de hipopigmentación en ambos organismos

Por tanto los ratones son buenos modelos para estudiar enfermedades humanas