GENOMA: GEN: PROTEÍNA: CONJUNTO DE TODOS LOS GENES DE UN ORGANISMO

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1 GENOMA: GEN: PROTEÍNA: CONJUNTO DE TODOS LOS GENES DE UN ORGANISMO
UNIDAD DE ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN GENÉTICA CUALQUIER ELEMENTO DEL CROMOSOMA MEDIANTE EL CUAL SE TRANSMITEN LOS CARACTERES DE UN ORGANISMO SECUENCIA DE ADN (O ARN), ESENCIAL PARA UNA DETERMINADA FUNCIÓN FISIÓLÓGICA PROTEÍNA: SECUENCIAS DE AMINOÁCIDOS QUE ACTUAN COMO ENZIMAS, ELEMENTOS ESTRUCTURALES, HORMONAS, ETC.

2 DEL GENOMA ESTÁTICO, ÚNICO AL PROTEOMA DINÁMICO, MÚLTIPLE

3 LOS GENES NO ACTÚAN DE FORMA AISLADA, EXISTEN REDES DE INTERACCIÓN
FÍSICA (DIRECTA O INDIRECTA) FUNCIONAL CIERTA CO-REGULACIÓN ES NECESARIA VARIOS NIVELES: TRANSCRIPCIÓN MADURACIÓN TRANSPORTE AL CITOPLASMA DEGRADACIÓN TRADUCCIÓN POST-TRADUCCIÓN

4 Avance en las técnicas moleculares y desarrollo de la bioinformática.
Las disciplinas denominadas “omicas” :genómica, proteómica, transcriptómica… Importantes consecuencias: Diagnóstico Pronóstico Seguimiento Tratamiento La disponibilidad y el buen uso de estas tecnologías es cada vez más necesaria en el medio asistencial Requiriéndose personal de laboratorio especializado en estas metodologías

5 La técnica de los microarrays surge a mediados de los años 90 como método para estudiar la expresión de miles de genes de manera simultánea, en diferentes condiciones fisiológicas. Posteriormente, se ha ido modificando para el abordaje de otros estudios como el cribado masivo de mutaciones en un genoma. Los estudios con microarrays han permitido un avance en el conocimiento de la biología de muchas patologías: Clasificar genómicamente diversas entidades clínicas como el cáncer de mama y varias neoplasias hematológicas. Además, su inclusión en la práctica clínica ha supuesto una mejora muy importante en el diagnóstico citogenético y molecular.

6 Hibridación de las muestras
PREGUNTA Diseño experimental Hibridación de las muestras Análisis de imagen Preprocesamiento de datos Análisis estadístico Extracción de genes relevantes RESPUESTA

7 ¿QUÉ ES UN MICROARRAY? Los microarrays o micromatrices son: Un formato experimental Basado en la síntesis o fijación de sondas, que representan los genes (o proteinas, o metabolitos) Sobre soportes sólidos (cristal, plástico, silice,...), en los que se disponen, de manera ordenada, las sondas específicas de ADN Expuestos a las moléculas diana (la muestra). Basada en la propiedad física de los ácidos nucleicos para hibridar con secuencias complementarias, a temperaturas y pH adecuados.

8 ¿QUÉ ES UN MICROARRAY? Pasos: 1.-La muestra biológica se marca con un trazador fluorescente. 2.-Hibridación entre la muestra y las sondas del microarray. 3.-Tras una serie de lavados, las sondas hibridadas emiten luz fluorescente. 4.-El microarray se escanea y se visualiza una imagen. 5.-Se cuantifica la señal de las imágenes mediante software especializado. 6.-Se realiza un tratamiento informático de los datos, para: Minimizar las variaciones inherentes a la técnica Optimizar la extracción fiable de los datos Correlacionar dichos datos con el proceso biológico.

9 Microarrays: Condiciones de trabajo controladas, que minimicen la variabilidad de la técnica Estudiar simultáneamente, varios miles de genes Análisis robusto y cuidadoso que garantice la fiabilidad y reproductibilidad de los resultados Aplicaciones más frecuentes son: Estudio de expresión de genes en diferentes tejidos Identificación de SNP que se asocian a una condición (ej: sanos/enfermos) Clasificación molecular de enfermedades Predicción de respuesta al tratamiento Detección de mutaciones Polimorfismos y alteración en el número de copias características de una determinada condición o población.

10 TIPOS DE MICROARRAYS Existen varios tipos de microarrays, específicos para el tipo de estudio: Microarrays de expresión Fabricados con sondas de cDNA o de oligonucleótidos de zonas codificantes, están diseñados para el estudio de la expresión del RNA. – Arrays de 2 colores Diseño y producción del chip Preparación de la muestra Hibridación Escaneado del chip Análisis de la imagen

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14 Portaobjeto y cabezal de impresión

15 – Microarrays de oligos sintetizados in situ
• Diseño más avanzado que los de 2 colores • Utilizan tecnologías desarrolladas en el entorno de la microelectrónica • Algunos rasgos distintivos – No se basan en hibridación competitiva: cada chip contiene muestras de un solo tipo (”1 color”) – Las sondas se sintetizan directamente sobre el chip en vez de sintetizarlas in vitro y adherirlas después – Cada gen esta representado por un grupo de sondas cortas

16 Los GeneChips de Affymetrix
• Affymetrix ( es la compañía lider en este tipo de chips • Se denominan genericamente GeneChips • Cada gen esta representado por un conjunto de secuencias cortas que lo caracterizan • Algunos chips contienen genomas completos con más de grupos de sondas (Probesets) Un grupo de sondas se utiliza para medir niveles de mRNA de un único gen • Cada grupo (probeset) consta de múltiples pares de celdas (probe cells) – Con millones de copias de un oligo de 25bp – Organizadas en parejas (probe pairs) con un Perfect Match (PM) y un Mismatch (MM) • PM: coincide exactamente con una parte del gen • MM: idéntico al PM excepto en el nucleótido central reemplazado por su complementario

17 Distintos “Pares de Sondas” representan partes distintas
del mismo gen (1 gen=1 grupo de sondas)

18 Resultado de la sintesis de oligos en el chip
Cada celda contiene múltiples copias de la misma secuencia

19 Un segmento de un spot de un microarreglo - las hebras son las moléculas de ADN depositadas - figura tomada de (Duggan et al., Nature Genetics 21: 10-14, 1999)

20 •Tras la síntesis de los “oligos” se realiza la hibridación, depositando el mRNA marcado del tejido a estudiar sobre cada chip

21 Visión general del proceso (Affy)

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23 COMPARACIÓN ENTRE LOS 2 TIPOS DE CHIPS
Microarrays de cdna Microarrays de Oligonucleótidos VENTAJAS • Económicos • Flexibilidad en el diseño experimental • Elevada intensidad de señal (secuencias largas) DESVENTAJAS • Baja Reproducibilidad • Hibridación cruzada (baja especificidad) • Elevada manipulación manual (Posibilidad de contaminación) VENTAJAS • Fabricación Rápida y más robotizada • Elevada Reproducibilidad • Elevada especificidad • Utiliza muchas sondas/gen DESVENTAJAS • Requiere equipamiento más especializado • Caros • Poca flexibilidad

24 TIPOS DE MICROARRAYS Los SNP-arrays Diseñados para detectar cambios en la secuencia del DNA. Permiten estudiar de forma rápida y simultánea múltiples cambios conocidos, en distintos genes, asociados a distintas patologías, respuesta a tratamiento o susceptibilidad a enfermedades. En investigación se emplean para escanear todo el genoma para identificar variaciones genotípicas entre distintos individuos o poblaciones que se asocien a una condición determinada.

25 TIPOS DE MICROARRAYS Los arrays- CGH (Comparative Genome Hibridization arrays): Determinan alteraciones en el número de copias de regiones de ADN y se emplean frecuentemente en el diagnóstico de patologías asociadas a ganancias o pérdidas de material genético. Microarrays para el estudio de miRNAS (micro ARN (miARN o miRNA)). Microarrays de metilación Estudio masivo de la metilación, en las regiones promotoras de los genes Microarrays de proteínas Las sondas son sustituidas por Ac. fijados a portaobjetos de vidrio. Una variante de esta técnica es la vertiente aplicada al diagnóstico de la alergia, donde las proteínas alergénicas están ancladas a la superficie del microarray para detectar anticuerpos específicos.

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27 BASES DE LA TECNOLOGÍA DE DNA MICROARRAYS
TIPOS DE DNA MICROARRAYS MACROARRAYS MICROARRAYS GENECHIP (AFFYMETRIX)

28 Gran potencial en el campo sanitario
Esta técnica de microarrays que surgió en el campo de la investigación Gran potencial en el campo sanitario Su inclusión en la práctica clínica mejora el estudio de enfermedades: Diagnóstico molecular Pronóstico, Tratamiento Seguimiento Han surgido numerosas compañías, que han desarrollo de microarrays “a medida”, orientados a patologías o agrupaciones de las mismas:

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30 La implementación de los microarrays se caracteriza:
APLICABILIDAD CLÍNICA DE LOS MICROARRAYS La implementación de los microarrays se caracteriza: Utilización actual en la práctica clínica relativamente escasa. Transformación de la citogenética y la genética molecular. Su capacidad de diagnóstico supera los protocolos de diagnóstico genético empleados hasta el momento para determinadas patologías. Existen muchos tipos de microarrays, sus aplicaciones al diagnóstico, son muy variadas, algunos de los campos en los que se están aplicando son los siguientes:

31 Retraso mental y síndromes asociados al mismo
Los arrays-CGH constituyen una metodología más sensible que el cariotipo convencional, para la detección de duplicaciones o deleciones cromosómicas, El desarrollo de esta tecnología ha favorecido un incremento en la detección de reordenamientos crípticos y pequeñas delecciones o amplificaciones no detectables por citogenética convencional. Actualmente, existen en el mercado microarrays diseñados específicamente para la detección de alteraciones cromosómicas asociadas con retraso mental o malformaciones congénitas. Microarrays diseñados específicamente para el diagnóstico prenatal de síndromes asociados con ganancias o pérdidas de material genético.

32 Retraso mental y síndromes asociados al mismo
Ventajas de esta técnica, frente al cariotipo convencional: El estudio se puede hacer sin necesidad de realizar un cultivo celular. Permite analizar simultáneamente la mayoría de las causas genéticas conocidas para estas patologías. Desventajas: No detecta reorganizaciones equilibradas ni mosaicismos de bajo porcentaje. En los últimos protocolos para el estudio de estos pacientes se contempla como una herramienta diagnóstica fundamental, que probablemente, en un futuro precederá al cariotipo tradicional (o el de alta resolución) o al MLPA

33 Enfermedades oftalmológicas y otorrinolaringología
Oftalmología: Existen SNP-arrays para el diagnóstico de patologías monogénicas poco frecuentes. Retinosis pigmentaria recesivas, dominantes, ligadas al cromosoma X Distrofias maculares recesivas, dominantes, ligadas al cromosoma X Distrofias corneales Atrofias ópticas Degeneración macular asociada a la edad, entre otros. Otorrinolaringología: Existen SNP-arrays Estudio de los genes más frecuentemente responsables de hipoacusias familiares (genes nucleares y mitocondriales.)

34 Enfermedades hematológicas
Ha permitido clasificar molecularmente muchas neoplasias hematológicas, de manera que se han podido distinguir entidades clínicas nuevas. Los arrays-CGH en este campo: Detección de mutaciones somáticas (pérdidas y ganancias) características de algunas entidades oncohematológicas Los SNP-arrays: Permiten la identificación de disomías uniparentales Permiten identificar nuevas alteraciones. Clasificación Diagnóstico concreto rápido Pronóstico Respuesta a tratamiento

35 Enfermedades infecciosas
Identificación de patógenos en poco tiempo de diferentes muestras : Microarrays para determinación de patógenos respiratorios Microarrays para patógenos urinarios en orina, Microarrays para septicemias en sangre, Microarrays para identificación de HPV en secreciones genitales, etc. Identificación de resistencias al tratamiento antimicrobiano, permitiendo instaurar de forma rápida un tratamiento específico. Evaluar los cambios en la expresión génica del hospedador: lo que implica una gran cantidad de información con potencial para: el diagnóstico, el tratamiento el pronóstico de los pacientes.

36 Otras enfermedades En el diagnóstico de: Fibrosis quística Factores de riesgo tromboembólico Hiperlipidemias Factores de riesgo para el desarrollo de múltiples patologías: Diabetes, Alzheimer, Enfermedades autoinmunes, etc En resumen, los microarrays presentan un alto potencial en su aplicación clínica: Permiten estudiar de forma sencilla y rápida las enfermedades genéticas, permitiendo un barrido rápido de los cambios conocidos. Pueden ser diseñados a medida para la patología de interés, cubriendo muchos genes o exones concretos, cambios puntuales, variciones en número de copia, variaciones en mRNAs… etc.

37 FIRMAS GENÓMICAS Se han desarrollado una serie de firmas genómicas: Predecir el pronóstico o curso de una enfermedad (firmas pronósticas) La respuesta a un determinado tratamiento (firmas predictivas). Identificar y clasificar distintas entidades clínicas (firmas diagnósticas). Patología mamaria MammaPrint® (Agendia) Aprobada por la FDA (Food and Drug Administration) en febrero del 2007 70 genes, capaz de pronosticar el curso de la enfermedad con mayor eficacia que los parámetros habitualmente utilizados (metástasis en ganglios, grado histológico). Uso: Autorizado para Tumores invasivos menores de 5 cm, en estadios iníciales, con ganglios linfáticos axilares negativos. Limitaciones: Sólo informa del pronóstico del tumor, y no acerca de la naturaleza del mismo por lo que no ayuda a orientar el diagnóstico ni la terapia.

38 Patología mamaria Oncotype Dx (Genomic Health). 21 genes, está diseñada para estimar si un paciente de cáncer de mama requiere o no ser tratado con quimioterapia Recomendado su uso en la guias de la sociedad Americana de Oncología Clínica (ASCO) y la National Comprehensive Cancer Network. Uso: Aplicación en pacientes con: Tumores invasivos de mama. Receptores hormonales positivos. Mujeres premenopausicas con ganglios linfáticos axilares negativos. Mujeres postmenopáusicas con ganglios linfáticos axilares positivos. Limitaciones: El principal inconveniente es que estratifica a los pacientes en tres grupos y no está claro cómo debe ser el manejo del grupo intermedio

39 FIRMAS GENÓMICAS Patología mamaria PAM 50 (ARUP laboratorios) 49 genes, basada en la clasificación genómica del cáncer de mama publicada por Charles M Perou y colaboradores. Se identifican los distintos subtipos genómicos, a saber; Luminal A, Luminal B, Her2 enriched y Basal-like. Uso:Los distintos subtipos tienen características propias, orientando: La naturaleza del tumor Las opciones terapéuticas, El pronóstico. Limitaciones: La principal limitación, es que la firma no identifica el subtipo claudin-low recientemente descrito.

40 CONCLUSIONES Desde los años 90 los microarrays han contribuido al conocimiento de las bases moleculares de muchas patologías. La introducción de estas técnicas a la práctica clínica, ha representado un complemento importante para las técnicas convencionales, ya que constituyen una forma rápida, sencilla y cada vez más económica de diagnóstico. Esto ha sido especialmente notorio en el ámbito de la citogenética donde los array-CGH han supuesto un cambio irreversible en cuanto a los métodos diagnósticos, si bien no han suplantado a la genética convencional. En otros campos, como la microbiología, oftalmología, etc., los microarrays han demostrado tener un alto potencial en cuanto a su capacidad diagnóstica y aunque su aplicabilidad aún no está plenamente validada, su utilización es cada vez mayor