transcriptoma y proteómica

Transcriptoma

Proteoma

Dr. Edgar A. COTRINA GAVEDIA

Introducción

• En la jerga biológica últimamente son muy abundantes los denominados “omas”.

• Genoma, transcriptoma, metaboloma y proteoma.

• Niveles de análisis para estudiar el funcionamiento de nuestras células, órganos, tejidos u organismos.

Introducción• El genoma (constituido por ADN) es el

conjunto de genes.• El transcriptoma es el conjunto de ARN

mensajero de esos genes . • El proteoma es el conjunto de todas las

proteínas obtenidas directamente o tras diversas transformaciones .

• Metaboloma se reservaría al conjunto de los diferentes metabolitos existentes, con diversas naturalezas químicas.

Introducción

• Las proteínas son las verdaderas expresiones funcionales del genoma, de los genes.

• Uno de los dogmas de la biología fue la idea de un gen-una proteína.

Introducción

• Desde un cierto número de genes se puede producir un número mucho mayor de proteínas

• Mecanismos de modificación postrasduccionales de las proteínas: fosforilación, glicosilación, polimerización, etcétera, afectan a aspectos esenciales de su funcionalidad.

• Influencias medioambientales o las relaciones multigénicas que subyacen en la mayoría de las enfermedades o en el envejecimiento.

• Todo ello no podría aclararse por el mero examen y conocimiento del genoma humano.

Historia

• En el siglo XIX, las observaciones del monje austriaco Gregor Mendel sugirieron que existía una relación entre un rasgo o carácter en un individuo y cierta información (almacenada en las células) que lo determinaba, y esta hipótesis llevó a proponer la existencia de lo que luego se denominó como genes.

Historia

• A mediados del siglo XX se postuló un modelo estructural del ADN que permitió comprender las bases moleculares de los eventos que determinan la herencia, estableciendo las conceptos para el desarrollo de la tecnología.

Historia

• Posteriormente, en los años 80 se vislumbró la posibilidad de determinar las secuencias completas de los genomás de varios organismos, incluyendo el humano, dando así origen a la "genómica estructural"

Genoma Humano - Historia

• En el mes de Febrero de 2001, la revista Nature [The Genome International Sequencing Consortium, Nature, 409, 860-921 (2001)] publica el primer borrador del genoma humano cuyo desciframiento completo se prevé para el año 2003, coincidiendo con el cincuenta aniversario de la publicación del modelo estructural del DNA por Watson y Crick [Watson JD y Crick F., Nature, 171, 737 (1953)].

Historia

• Más tarde, surgió el término "genómica funcional" para el entendimiento de las funciones de genes y/o proteínas, que permiten establecer vías genéticas integradas que gobiernan la fisiología de un organismo

Proyecto Genoma humano• La determinación casi

completa de la secuencia de bases nitrogenadas (adenina, A; timina, T; guanina, G; y citosina, C), que en número de 3,2x109 (tres mil doscientos millones de pares de bases) conforman los 23 cromosomas humanos y que son los elementos fundamentales de nuestros casi 30 mil genes

Genoma Humano

• Operómica : como el conjunto de abordajes de estudio a realizar durante todo el trayecto que va desde el ADN, pasando por el ARN, hasta las proteínas y el análisis molecular y celular de sus funciones

Genética y Genómica

• La Genética : mecanismos de la herencia, que se expresan a través de los genes.

• La Genómica : la naturaleza íntima de los genes y su funcionamiento.

• Proyecto Genoma Humano : identificación y secuenciación de nuestros alrededor de 40.000 genes.

Genoma Humano• Para muchas personas

quizá supuso una decepción saber que “solo” poseemos unos 40.000 genes.

• La relación entre número de proteínas y genes es sólo de 1-2 en bacterias, de 3 en levaduras, algo más superior en organismos intermedios, pero en los humanos ese número es mucho más elevado, posiblemente en el rango de 6-8.

Genoma Humano

• El conocimiento final de la secuencia del genoma puso más o menos en claro que estamos hablando de la identificación y de la secuenciación de una cantidad de entre 40.000 y 60.000 genes del genoma humano.

Proyecto Proteoma Humano

• Proyecto Proteoma Humano (PPH) Posiblemente quedará fijada la fecha de abril del 2001 como la del nacimiento del coincidente con la primera reunión internacional que se celebró para presentar a HUPO, es decir, la organización mundial creada para coordinar y estimular todos los estudios proteómicos que se pretenden integrar dentro del PPH.

Proteoma

• "proteoma“ : conjunto completo de proteínas expresadas por una célula durante su tiempo de vida.

• conjunto total de proteínas expresadas por un genoma completo, incluyendo las modificadas después de la traducción

Proteoma

• Una vez secuenciado el genoma, comienza la tarea de desentrañar lo que hacen los genes, es decir, para qué sirven las proteínas que fabrican, por ejemplo.

Proteoma

• Un gen es un almacén de información para elaborar una proteína. Cada proteína es una máquina diminuta a la que está encomendada el cumplimiento de una función dentro de la célula

Proteoma

• A partir de ahora, las palabras proteoma, bioinformática, biochips y polimorfismos serán de uso corriente y aparecerán en los diarios y revistas con asiduidad.

• Estamos ya en el futuro.

Proteoma

• la Proteómica será la tecnología fundamental para lograr convertir los avances genómicos en una comprensión más profunda de la naturaleza de las enfermedades y de los modos de combatirlas.

Proteoma

• La proteómica : es el estudio del proteoma .

• Es sumamente compleja debido que habrá de aclarar cuestiones relacionadas con la abundancia de las proteínas, la dinámica de las proteínas, de su estado de activación y de la interacción de una proteína con otra.

Proteoma

• Para este fin los investigadores poseen una herramienta hasta ahora fundamental para el estudio del proteoma como lo es el método de la electroforesis bidimensional en gel de poliacrilamida.

Proteoma

• Las proteínas son separadas primero en base a su carga eléctrica y luego por su masa en la segunda dirección, las que luego son teñidas con plata lográndose visualizar mezclas de entre 1000 a 3000 proteínas.

• "softwares" especiales permite la comparación de múltiples genes dentro del mismo laboratorio y también mediante la utilización de Internet la comparación con otras bases de datos.

Proteoma

• Para identificar la proteína, los perfiles de masa molecular o secuencias de aminoácidos obtenidos se comparan con las bases de datos de proteínas existentes utilizando potentes programas bioinformáticos.

Proteoma - Utilidad

• Resultará así sin duda de un beneficio extraordinario el poder desarrollar drogas sobre la base de regular la producción de una proteína muy específica en distintas afecciones, neoplásicas, neurológicas, enfermedades infecciosas y cardíacas y preparación de vacunas

Proteoma Humano

• Celera Genomics negocia con Gene-Bio, una rama del Instituto Suizo de Bioinformática de Ginebra, un acuerdo para constituir una compañía dedicada a catalogar el proteoma humano completo.

• El método que actualmente se utiliza para estudiar las proteínas está basado en un desarrollo electroforético bidimensional sobre gel

Transcriptoma

• Trascriptoma : El estudio del ARNm total de una célula.

• cobra gran valor gracias a la relación existente entre la expresión génica y la función de un gen

Transcriptoma- Utilidad

• El Instituto Nacional del Cáncer americano, de Bethesda, Maryland, lleva ya cerca de tres años examinando los ARNm producidos por varios tipos de células cancerosas.

Genoma - Transcriptoma - Proteoma

• Comparativamente, si el ADN es el anteproyecto que la célula utiliza para construir las proteínas, el ARNm sería el plano parcial que el contratista lleva a la obra cada día. El ADN permanece en el núcleo de la célula; los ARNm transcritos desde los genes activos lo abandonan para ocuparse de la fabricación proteica.

Genes Tumorales Humanos

• En el Proyecto Índice de los Genes Tumorales Humanos, en el que colaboran, además, las compañías farmacéuticas Bristol-Meyers Squibb, Glax o Wellcome y Merck. Hasta la fecha se han identificado más de 50.000 genes que están activos en uno o más tipos de cánceres.

Genes Tumorales Humanos• Se ha objetivado que en

las células de algunos cánceres de mama actúan 5.692 genes, entre ellos 277 que no lo hacen en otros tejidos. Por consiguiente, productos farmacológicos dirigidos contra las proteínas producidas por esos 277 genes, podrían servir como tratamiento con menos efectos secundarios que los actuales, al ser más específicos.

Utilidad del Transcriptoma - Proteoma en el Cáncer

• El cáncer es una enfermedad genética.

• la definición del cáncer como enfermedad genética es que la piedra angular para la investigación oncológica ha de estar basada en herramientas de análisis genético.

Utilidad Gen - Enfermedad

• ¿cómo se investiga la relación gen-enfermedad?

• las herramientas de análisis genético han sufrido una revolución técnica comparable a la incorporación del microscopio en los laboratorios

Análisis genómico

• Han aparecido sistemas de análisis genómico masivo

• permiten analizar en un solo experimento el estatus de miles de genes

Gen - Enfermedad

• estudiar la relación gen-enfermedad no está basado en analizar un gen único y sus efectos sino en analizar el comportamiento de miles de genes de forma simultánea

Matrices – Microarrays -Biochips

• Estos sistemas son denominados genéricamente como matrices, arrays, microarrays o biochips

Micromatrices de ADN

• Las micromatrices son placas de cristal, plástico o nylon con un tamaño de pocos centímetros cuadrados de superficie, en las que se distribuyen ordenadamente de cientos a miles de secuencias de ADN . Al igual que las técnicas de Southern y de Northern, el principio de las micromatrices es la hibridación (apareamiento complementario) entre ácidos nucleicos conocidos que son fijados químicamente a una superficie sólida (matriz), y fragmentos de ácidos nucleicos complementarios presentes en las muestras en estudio


• Un array de expresión puede identificar el nivel de expresión de un gen individual asociado a un determinado fenotipo

• Los niveles más alto de complejidad, sin embargo, permiten examinar la figura completa del conjunto del transcriptoma


• la mayor contribución de los estudios con arrays tiene su nicho natural en la taxonomía.

• Clasificar un determinado tumor con un nombre y apellidos lo más certero posible permite ajustar el diagnóstico y el tratamiento casi de forma individual.


• La tecnología de microarrays puede usarse para derivar clasificaciones, establecer asociaciones con la línea celular de origen y ayudar en el pronóstico, pero con la ventaja añadida de ser capaz de identificar los genes que determinan esa clasificación.


• En la actualidad existen en el mercado científico herramientas de análisis genómico (matrices o microarrays) diseñadas a partir de ácidos nucleicos en forma de cDNA (DNA monocatenario y complementario al RNA mensajero que contiene la secuencia codificante de un gen), secuencias cortas de nucleótidos (oligonucleótidos), o DNA de doble cadena.


• El material obtenido de la muestra problema, convenientemente tratado y marcado (radioactividad, fluorescencia) se pone en contacto con el array, hibridando en aquellas posiciones en que se complemente con las sondas


• El patrón de hibridación es revelado empleándose un escáner basado en microscopía confocal, y la imagen resultante se convierte a valores numéricos que constituyen los resultados del ensayo

• El nivel de expresión de un gen se refleja en el número de copias de mRNA presentes en la muestra problema y, por tanto, es proporcional al nivel de señal detectado



• En el campo clínico, las micromatrices han facilitado la comprensión de los mecanismos moleculares de carcinogénesis, conocer nuevos marcadores tumorales, clasificar neoplasias de difícil diferenciación, identificar patrones de expresión diferencial de genes involucrados en la génesis de metástasis, así como determinar los genes involucrados en las respuestas inmunes en diferentes enfermedades o en la respuesta a diferentes microorganismos


• En el futuro se espera que el conocimiento del genoma de cada individuo permita dilucidar la predisposición a sufrir determinadas enfermedades y de esta manera desarrollar terapias específicas para cada persona.

• Las micromatrices son uno de los instrumentos que harán posible este anhelo médico.


• Comúnmente en los estudios de este tipo, estos datos se corroboran realizando análisis de Northern (ARNm) o de Western (proteínas) blots para aquellos genes que muestran una expresión diferencial


• Las micromatrices aunque muy convenientes para el estudio global de la expresión de genes, tienen algunas desventajas con respecto a otras metodologías

Micromatrices de ADN• Las ventajas son • Facilitan el estudio de la expresión de miles de genes

en forma simultánea en un sistema celular determinado.• Permiten establecer una conexión biológica racional

entre la función de un producto génico y su patrón de expresión, así como su relación con los patrones de expresión de muchos otros genes simultáneamente, es decir, facilitan identificar el grupo de genes expresados en una célula en un momento determinado. Esto permite analizar a fondo los sistemás bioquímicos y regulatorios que están operando y que funciones puede o no realizar la célula en un momento dado.


• La viabilidad técnica: es una tecnología de fácil transferencia (de hecho ya existe en nuestro medio tecnología adecuada para construirlas), la medición depende de una hibridación sencilla y hay suficiente información de libreras de secuencias para construirlas

Micromatrices de ADN• Sus desventajas son:• El costo elevado de su elaboración• La necesidad de fluorómetros y de software

especializados en el análisis de la información que dependen en forma importante de la casa comercial que los suministra.

• La reproducibilidad de los datos no siempre es consistente. Este problema se ha resulto parcialmente haciendo mediciones por duplicado (dos puntos en la matriz que corresponden al mismos gen).


• La repetición de un experimento a otro puede mostrar variaciones importantes en el patrón de expresión lo cual hace necesario en algunos casos obtener múltiples réplicas


• Las micromatrices están siendo empleadas en la investigación biomédica cubriendo áreas tales como la fisiología, la genética, la embriología, etc. Sin embargo, los avances más importantes se han realizado empleando esta tecnología en el campo de la inmunología básica y aplicada.

Metaboloma

• conjunto total de metabolitos de una célula, consecuencia de la función de RNAs y proteínas.

• permitan identificar metabolitos en la célula y determinar perfiles de abundancia en relación a los estudios del transcriptoma y el proteoma.

Nivel de análisis Definición Método de análisis

GENOMAConjunto completo de genes de un organismo o sus organelas

Secuenciación sistemática del ADN

TRANSCRIPTOMAConjunto completo de moléculas de ARN mensajero presentes en una célula, tejido u órgano.

Hibridización. SAGE (serial analysis of gene expresion)

PROTEOMATotal de moléculas proteicas presentes en una célula, tejido u órgano.

Electroforesis bi-dimensional.

METABOLOMAConjunto completo de metabolitos (intermediarios de bajo peso molecular) en una célula, tejido u órgano.

Espectroscopía con luz infrarroja. Espetrometría de masa. Espectrometría con resonancia nuclear magnética.

Adaptado de Nature. Febrero de 2000. Vol 403 pag 601

Francis Crick ( 1919- ) James Watson ( 1928- )

El AmpliChip ArrayPermite detectar mutaciones en los 60 genes del P450 especialmente elCyP2D6 y el CYP2D19.Este conocimiento permitirá detectar Variaciones genéticas que alteren el Metabolismo de los fármacos y su respuesta terapéutica.

La Molécula del DNA: Vista Superior

Cromosoma

ADN

El ADN es como una madeja de hilo enrrollada en el cromosoma

Proteina

Receptor

Niveles de Intervención

Genómica

Proteómica

Genoma

Proteómica

Genómica y Proteómica

Genética Molecular

Hemos DescifradoEl Genoma Humano Si.. Pero aún

No logro Entender a las

Mujeres…..

GRACIAS

transcriptoma y proteómica

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