Clonación de genes de enfermedades humanas

Clonación de genes
de enfermedades
humanas
Curso de Genética Molecular
Ciencias Biológicas
Universidad de Jaén
Antonio Caruz Arcos
Dpto. Biología Experimental, Área de Genética
Universidad de Jaén
Prevalencia aproximada de las enfermedades
genéticas en la población general
Tipo de enfermedad
Prevalencia
(1000 nacimientos)
Autosómica dominante
Autosómica recesiva
Ligada al cromosoma X
Trastornos cromosómicos
Malformaciones congénitas
3-9,5
2-2,5
0,5-2
6-9
20-50
Ambiental
gripe
sarampión
enfermedades
infecciosas
diabetes
arteriosclerosis
cáncer
fibrosis quística
hemofilia
distrofia muscular
Genético
Número de enfermedades genéticas descritas
en las últimas décadas
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
1966
1968
1971
1975
1978
1983
1986
1988
1990
1992
1994
1996
1998
Autosómica Dominante
Autosómica Recesiva
Ligada al X
Total
Estrategias de clonación (I)
Clonación funcional
Cuando se tiene información bioquímica sobre un rasgo monogénico,
es posible en principio diseñar alguna estrategia para seleccionar el
gen correspondiente de la genoteca, lo que se ha llamado clonación
funcional. Este es el caso del factor VIII de coagulación (hemofilia).
Estrategias de clonación (II)
Clonación Posicional
La clonación funcional no siempre es posible. Cuando, como
ocurre con la gran mayoría de enfermedades genéticas, se
desconoce la base bioquímica del rasgo, hay que recurrir a otras
estrategias, a menudo laboriosas. Como ejemplo, la clonación
posicional de genes de enfermedades: consiste en ir
estrechando el cerco al gen a partir de su localización
cromosómica (genética inversa). La clonación posicional era una
estrategia ya empleada antes del PGH.
Estrategias de clonación (III)
Análisis de genes candidatos
Se han aislado muchos genes por clonación posicional, pero la
mayoría de ellos sobre la base de mutaciones de deleción,
translocación o amplificaciones de trinucleótidos. La clonación
posicional a partir de mutaciones puntuales es más ardua, y suele
requerir muchos marcadores cercanos al gen y una cartografía fina
de desequilibrio de ligamiento. Por ello, se recurre a otra
estrategia: enfoque del candidato posicional: se usa información
disponible sobre función y posición en el mapa de genes
previamente aislados, información que puede proceder de otros
proyectos genoma o de ESTs/ADNc.
Algunos ejemplos
o
Cl
C
á
n
A
n
ó
i
c
na
n
ó
i
ac
n
lo
is
il s
de
fu
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c
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ici
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po
s
e
n
ge
l
na
al
n
o
i
d
n
ca
os
t
da
Talasemia
Anemia falciforme
Fenilcetonuria
Tay-Sachs
ADA-SCID
Fibrosis quística
Distrofia muscular de Duchenne
Neurofibromatosis tipo 1
Alzheimer familiar
Cloroidemia
Gen
Gen de
de la
la retinitis
retinitis pigmentosa.
pigmentosa.
Síndrome
Síndrome de
de Marfan.
Marfan.
Cardiomiopatía
Cardiomiopatía hipertrófica
hipertrófica familiar
familiar
Atrofia
Atrofia muscular
muscular espinal
espinal yy bulbar
bulbar
Síndrome
Síndrome de
de Waandenburg
Waandenburg
Esclerosis
Esclerosis lateral
lateral amiotrófica.
amiotrófica.
Establecer modo de herencia
Mendeliano
Defecto determinado por
métodos bioquímicos
Complejo
Sin pistas
bioquímicas
Análisis de ligamiento
Identificación proteína
Identificación región
cromosómica
Identificar polimorfismos
que estén asociados a la
enfermedad
Clonar el gen
Estrategia General
identificación de
genes
asociados con
enfermedades
Gen
candidato
Búsqueda
mutaciones
Probar que la
mutación causa la
enfermedad
Diagnóstico
Tratamiento
Clonación funcional
Defecto bioquímico conocido
Talasemia
Anemia falciforme
Fenilcetonuria
Tay-Sachs
ADA-SCID
Aislamiento proteína
Proteína purificada y secuenciada, producción de anticuerpos
Búsqueda en base de datos
Identificación ADNc
Búsqueda de mutaciones en
individuos afectados
Clonación Posicional
Defecto desconocido
Sin datos cromosómicos
Búsqueda de anomalías cromosómicas
Distrofia muscular de Duchenne
Enfermedad poliquística renal
Poliposis de colon familiar
Búsqueda de ligamiento (linkage)
Encontrar ligamiento a marcador
polimórfico
Situar el gen lo más precisamente posible
preferentemente con menos del 1% de
recombinación
Situar el gen en un punto concreto de un
cromosoma
Clonación Posicional
Gen localizado en una región cromosómica
Clonación mediante
Genes candidatos
Proyecto genoma humano
Predicción de genes a partir de la
secuencia en bruto
Hay algún gen candidato?
NO
Tomarse unas vacaciones
o alternativamente
Buscar exones ocultos
SI
Elegir un ADNc
Modelos animales
Buscar todos los exones potenciales en la región
(exon trapping, genotecas de sustracción, genómica
comparativa
Buscar mutaciones
individuos afectados
¿Para qué sirve conocer el gen implicado
en una enfermedad?
Gen mutado identificado
Mejor comprensión de la enfermedad
Posibilidad de diagnó
diagnóstico
En pacientes asintomáticos,
sintomáticos o prenatalmente,
búsqueda mutación en otros
miembros de la familia y
consejo genético
Posible tratamiento
Terapia convencional más racional
Terapia génica y modelos animales
para desarrollo de tratamientos
Implicaciones en la prognosis, calidad de vida y seguros
Descubrimiento del ligamiento
por Bateson y Punnet en cruces
con guisantes
MAPAS GENÉTICOS
Mapas de ligamiento: basados en frecuencias de recombinación
(distancias arbitrarias no siempre coincidentes con físicas)
Mapas físicos: basados en localizaciones físicas en los cromosomas
(pares de bases)
LOCI PRESENTES EN EL MISMO CROMOSOMA
Productos meióticos
Meiosis sin
entrecruzamiento
entre los genes
A
B
A
B
A
B
A
B
a
b
a
b
a
b
a
b
Parentales
Entrecruzamiento (Crossover): El intercambio de cromátidas no hermanas entre cromosomas
homólogos durante la meiosis por un proceso de rotura y reunión del DNA
Meiosis con
entrecruzamiento
entre los genes
A
B
A
B
a
b
a
b
1
2
3
A
B
A
b
a
B
a
b
4
Recombinantes
MAPAS DE LIGAMIENTO
•Basados en la frecuencia de recombinación (θ
θ). Los loci en el
mismo cromosoma que presentan recombinación menos del
50% de las veces se dice que están ligados. (1 cM = 1% de
recombinación).
PROBLEMAS:
•La relación entre θ y distancia física es sólo aproximada ya
que los dobles recombinantes no producen recombinación.
•En humanos las frecuencias de recombinación se obtienen
observando la transmisión de alelos en familias.
NECESIDAD DE LOS MARCADORES EN MAPAS
HUMANOS
En humanos raramente se encuentran familias con dos enfermedades hereditarias que
segreguen.
Por esto se necesitan “puntos” del genoma independientes denominados marcadores
que se transmitan mendelianamente.
1910-60
Grupos sanguíneos
∼20 loci
1960-75
Proteínas séricas
∼30 loci
1970-
Alelos HLA
1 haplotipo
1975-
RFLPs de DNA
> 105 loci
1985-
Minisatélites (VNTRs)
> 104 loci
1989-
Microsatélites (STRs)
> 104 loci
1990-
SNPs
varios millones
Nomenclatura de los marcadores
MARCADORES MOLECULARES Y ANÁLISIS DE
LIGAMIENTO: RFLPs
(Restriction Fragment Length Polymorphisms)
MARCADORES MOLECULARES Y ANÁLISIS DE
LIGAMIENTO: RFLPs
VNTRs o MINISATÉLITES
(Variable Number of Tandem Repeats)
RAPDs: DNA POLIMÓRFICOS AMPLIFICADOS AL AZAR
(Random Arbitrarily Primed DNA)
Genotipado a gran escala
(Applied Biosystems)
MAPADO EN HUMANOS: VALORES
LOD
En un estudio estadístico de ligamiento con un número
limitado de individuos se require descartar que los resultados
se hayan dado por azar
Zx =
Probabilidad del resultado observado si θ = x
Probabilidad del resultado observado si θ = 1/2
LODθ = x = log10 Zx
LOD = 3 se toma como evidencia de ligamiento (1000 contra 1, 5% error)
LOD = -2 se toma como evidencia de ausencia de ligamiento
EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE LOD SCORE CON
LA FASE DE TODAS LAS MEIOSIS CONOCIDAS
EJEMPLO DE ASIGNACIÓN DE LOD SCORE CON
LA FASE DE TODAS LAS MEIOSIS CONOCIDAS
Clonación del gen de la fibrosis quística
Clonación del gen de la fibrosis quística
Clonación del gen de la fibrosis quística
Clonación del gen de la fibrosis quística
Clonación del gen de la fibrosis quística
Distrofia muscular de
Duchenne
1 / 3000 niños nacidos
(ligado al sexo recesivo)
Patient carried a visible deletion of the DNA in the region of the X-Chromosome where
Duchenne muscular dystropy had been mapped.
Can we use hybridization and cloning to compare his DNA with normal DNA to find the
gene responsible for DMD?
Clonación del gen de la distrofia muscular de Duchenne
Clonación del gen de la distrofia muscular de Duchenne
Clonación del gen de la distrofia muscular de Duchenne
Clonación del gen de la distrofia
muscular de Duchenne
Esquema de la proteína
Estrategia
global