1 GENÓMICA, MEDICINA GENÓMICA, PATENTES DE GENES HUMANOSJuan-Ramón Lacadena Colegio Libre de Eméritos 15 noviembre 2016

2 GENÓMICA HIPÓTESIS DE LA SECUENCIA (Crick, 1958)La ordenación secuencial de las bases nitrogenadas (A, T, G, C) que componen el ADN determina la secuencia de aminoácidos de la proteína que tal gen codifica y, por tanto, su especificidad funcional

3 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULARADN hélice codificadora (secuencia de bases nitrogenadas) transcripción ARNm (secuencia de bases nitrogenadas) traducción PROTEÍNA oooooooo (secuencia de aminoácidos) especificidad funcional de la proteína

4 GENÓMICA (Roderick, 1986; McKusick y Ruddle, 1987)GENÓMICA: “DISECCIÓN MOLECULAR DEL GENOMA DE LOS ORGANISMOS” Genómica estructural Genómica funcional Genómica comparada Genómica ambiental y Metagenómica Genómica sintética

5 GENÓMICA “Los laboratorios genómicos serán el lugar de formación de los científicos del futuro: nueva raza de científicos preparados para capitalizar tanto la revolución de la Genética Molecular como la revolución de la computación. Ellos serán los líderes de la Biología del siglo XXI” (McKusick,1992) “Genómica: viaje al centro de la Biología” (Lander y Weinberg, 2000)

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9 TÉCNICAS DE SECUENCIACIÓNGENÓMICA LA NUEVA GENÉTICA TÉCNICAS DE SECUENCIACIÓN Sanger Método “menos–más” (Sanger y Coulson, 1975) Método didesoxi (Sanger, Nicklen y Coulson, 1977) Gilbert Método de modificación química (Maxam y Gilbert, 1977)

10 SECUENCIACIÓN DEL ADN Método “menos – más” (Sanger y Coulson, 1975)

11 SECUENCIACIÓN DEL ADN Método “menos – más” (Sanger y Coulson, 1975)

12 SECUENCIACIÓN DEL ADN Método de modificación química (Maxam y Gilbert, 1977)

13 SECUENCIACIÓN DEL ADN Método de modificación química (Maxam y Gilbert, 1977)

14 SECUENCIACIÓN DEL ADN Método de modificación química (Maxam y Gilbert, 1977)

15 GENÓMICA: ANTECEDENTESSecuenciación de genomas de virus y ADN mitocondrial Fago X 174: b (Sanger et al., 1977) ADNmt humano: pb (Sanger et al., 1981) Fago : pb (Sanger et al., 1982)

16 SECUENCIACIÓN AUTOMÁTICA DEL ADN Método didesoxi (Sanger, Nicklen y Coulson, 1977)

17 SECUENCIACIÓN AUTOMÁTICA DEL ADN Método didesoxi (Sanger, Nicklen y Coulson, 1977)

18 SECUENCIACIÓN AUTOMÁTICA DEL ADN Método didesoxi (Sanger, Nicklen y Coulson, 1977)

19 SECUENCIACIÓN AUTOMÁTICA DEL ADN Método didesoxi (Sanger, Nicklen y Coulson, 1977)

20 BACTERIAS (PRIMEROS GENOMAS SECUENCIADOS)GENÓMICA BACTERIAS (PRIMEROS GENOMAS SECUENCIADOS) Haemophilus influenzae: pb (Venter et al., 1995) Mycoplasma genitalium: pb (Venter et al., 1995) Methanococcus jannaschii: pb (Venter et al., 1996) Helicobacter pylori: pb (Venter et al., 1997) Escherichia coli: pb (Blattner et al., 1997) Bacillus subtilis: pb (Kunst et al., 1997) Treponema pallidum: pb (Venter et al., 1998) etc.

21 GENOMAS DE MAMÍFEROS SECUENCIADOSGENÓMICA GENOMAS DE MAMÍFEROS SECUENCIADOS Ratón (Mus musculus): Mpb (2002) Rata (Rattus norvegicus): Mpb (2004) Perro (Canis familiaris): Mpb (2005) Vaca (Bos taurus): Mpb (2009) Caballo (Equus caballus): Mpb (2009) Cerdo ( Sus scrofa): Mpb (2009) Macaco rhesus (Macaca mulatta): Mpb (2007) Chimpancé (Pan troglodytes): Mpb (2005) Orangután de Borneo (Pongo pygmaeus) y de Sumatra (P. pygmaeus abelii): Mpb (2011) Gorila (Gorilla gorilla gorilla): (2012) Hombre (Homo sapiens): Mpb (90%, 2001; 99%, 2004)

22 EL GENOMA DE “EL QUIJOTE”ANALOGÍA: 4 letras (bases A, T, G, C), 20 palabras (aminoácidos), ilimitadas frases (proteínas), ilimitados libros (organismos, todos diferentes). En los 126 capítulos de los dos tomos de El Quijote se pueden contar un total de letras (genoma, bases). El número total de palabras (secuencias con significado funcional) es de y entre ellas solamente son distintas. De éstas, aparecen una sola vez a lo largo del texto (secuencias únicas). Sin embargo, las palabras “que”, “y” y “de” son las más repetidas (20.233, y veces, respectivamente) (secuencias repetidas). Con las 50 palabras más repetidas se podría escribir la mitad de El Quijote. La palabra más larga es “bienintencionadamente” (21 letras, aparece una sola vez en el texto) (genes “mamut”, distrofina).

23 EL PROYECTO GENOMA HUMANOASPECTOS CIENTÍFICOS Antecedentes al proyecto (1984 – 1990) Revoluciones científicas previas (técnicas de secuenciación, YACs, informática) Planteamiento inicial Definición de objetivos Lanzamiento internacional

24 EL PROYECTO GENOMA HUMANOASPECTOS CIENTÍFICOS Desarrollo del proyecto (1990 – 2004) Mapas genéticos (5cM-2cM, 1cM ≈ 10 6 pb) Mapas físicos (1ª y 2ª generación, baja y alta resolución) Secuenciación final (J.C. Venter, Celera Genomics – F. Collins, International Consortium)

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29 EL PROYECTO GENOMA HUMANOASPECTOS CIENTÍFICOS Presente Genómica funcional: Proteómica Genómica comparada Medicina genómica Farmacogenética y Farmacogenómica

30 EL PROYECTO GENOMA HUMANOSECUENCIACIÓN (CELERA GENOMICS, 2001) Secuencia de consenso de millones de pb. Leído 5,11 veces el genoma. genes (más por computación). 50% de los genes dispersos en regiones con bajo contenido en G+C y separados por largos espacios no codificadores. 75% ADN intergénico, 24% intrones, 1% exones. Duplicaciones de grandes segmentos abundantes. 2,1 millones polimorfismos SNPs (1/1250 pb). Menos del 1% de los SNPs producen variaciones en las proteínas.

31 PROYECTO GENOMA HUMANO Método “shotgun” (Venter)

32 EL PROYECTO GENOMA HUMANOSECUENCIACIÓN (INTERNATIONAL HUMAN GENOME SEQUENCING CONSORTIUM, 2001) 20 grupos investigación, 6 países Secuenciación del 94% del genoma genes Cientos de genes procedentes de bacterias Grandes duplicaciones segmentales Más de 1,4 millones de SNPs

33 EL PROYECTO GENOMA HUMANOSECUENCIACIÓN FINAL DEL GENOMA HUMANO (INTERNATIONAL HUMAN GENOME SEQUENCING CONSORTIUM, 2004) Kpb 99% de la eucromatina, 341 gaps (frente al 90% y gaps de 2001, respectivamente) Error menor 1/ – genes Duplicaciones segmentales

34 EL PROYECTO GENOMA HUMANOEl PGH y la Medicina La Medicina genómica La Medicina predictiva El paciente como población El problema del in-paciente La información: ¿quién? ¿cómo? ¿cuándo? ¿a quién? Farmacogenómica y Farmacogenética – La Medicina personalizada – Proyecto Genoma Cáncer

35 EL PROYECTO GENOMA HUMANOFarmacogenómica Medicina personalizada Medicina de precisión (Precision Medicine Initiative, USA, 2015): Secuenciación de un millón de genomas (jóvenes y viejos, sanos y enfermos, diferentes etnias) 215 millones dólares (presupuesto 2016) Francis Collins (NIH) J. Craig Venter (Human Longevity Inc.)

36 EL PROYECTO GENOMA HUMANOPrecision Medicine Initiative, USA (febrero 2015)

37 EL PROYECTO GENOMA HUMANOPROYECTO GENOMA CÁNCER (The Cancer Genome Atlas Project, International Cancer Genome Consortium, Cancer Genome Atlas Research Network) 3.131 pacientes, 26 tipos diferentes de cáncer, 158 regiones genómicas afectadas de las que en 122 era desconocida su relación con el cáncer Comparando el ADN del genoma de cada paciente y el de sus muestras tumorales, el 75% de los genes alterados son comunes a los distintos tipos de cáncer y el 25 % son diferentes para cada tipo de cáncer (Meyerson, Lander et al. 2010)

38 EL PROYECTO GENOMA HUMANOEL PGH Y EL DERECHO Privacidad: relaciones laborales y seguros de enfermedad y vida Patentes de genes humanos: El genoma humano ¿patrimonio de la humanidad? ¿Sacralización del ADN humano?

39 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: PATENTES DE GENES ¿SÍ O NO?EL COSTO DE LOS MEDICAMENTOS ¿Qué cuesta poner un fármaco en la oficina de farmacia? Tiempo: años 7 millones de horas de trabajo 4.000 personas/año en jornada laboral normal Inversión: mil millones de US $

40 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: PATENTES DE GENES ¿SÍ O NO?REQUISITOS DE PATENTABILIDAD Invención, no un mero descubrimiento Novedoso, según el estado del arte Utilidad práctica

41 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: PATENTES DE GENES ¿SÍ O NO?LA DECLARACIÓN UNIVERSAL DE LA UNESCO SOBRE EL GENOMA HUMANO Y LOS DERECHOS HUMANOS (1997) Artículo 1 El genoma humano es la base de la unidad fundamental de todos los miembros de la familia humana y del reconocimiento de su dignidad intrínseca y su diversidad. En sentido simbólico, el genoma humano es el patrimonio de la humanidad.

42 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (I)Declaración Universal de la UNESCO (1997) Art. 1: “...En sentido simbólico, el genoma humano es el patrimonio de la humanidad” Art. 4: “El genoma humano en su estado natural no puede dar lugar a beneficios pecuniarios” Convenio de Derechos Humanos y Biomedicina (1997) Art. 21: “El cuerpo humano y sus partes no deben ser, como tales, fuente de lucro”

43 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (II)Ley 10/2002, que modifica la Ley 11/1986 de Patentes (incorpora al Derecho español la Directiva 98/44/CE relativa a la protección jurídica de las invenciones biotecnológicas) Art. 5: No podrán ser objeto de Patente: 4. El cuerpo humano, en los diferentes estadios de su constitución y desarrollo, así como el simple descubrimiento de uno de sus elementos, incluida la secuencia o secuencia parcial de un gen. Sin embargo, un elemento aislado del cuerpo humano u obtenido de otro modo mediante un procedimiento técnico, incluida la secuencia o secuencia parcial de un gen, podrá considerarse como una invención patentable, aun en el caso de que la estructura de dicho elemento sea idéntica a la de un elemento natural. La aplicación industrial de una secuencia total o parcial de un gen deberá figurar explícitamente en la solicitud de patente.

44 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (II)La Ley 24/2015 de 24 de julio, de Patentes, que entrará en vigor el 1 de abril de 2017, mantiene la literalidad de la Ley 10/2002 … Art. 5: Excepciones a la patentabilidad No podrán ser objeto de Patente: 5. El cuerpo humano, en los diferentes estadios de su constitución y desarrollo, así como el simple descubrimiento de uno de sus elementos, incluida la secuencia o secuencia parcial de un gen.

45 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (II)Sin embargo, un elemento aislado del cuerpo humano u obtenido de otro modo mediante un procedimiento técnico, incluida la secuencia o secuencia parcial de un gen, podrá considerarse como una invención patentable, aun en el caso de que la estructura de dicho elemento sea idéntica a la de un elemento natural. La aplicación industrial de una secuencia total o parcial de un gen deberá figurar explícitamente en la solicitud de patente. 6. Una mera secuencia de ácido desoxirribonucleico (ADN) sin indicación de función biológica alguna.

46 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (III)Patentes de secuencias de ADN humano registradas entre 1981 y 1995 (Thomas et al., 1996) 76% sector privado (213 compañías USA y Japón) Total % instituciones públicas (la mayoría USA) (3 sec./pat) % individual 40% propiedad USA EPO = 50% % propiedad Japón (80% públ , 20% priv) 24% propiedad Europa USPO = 16% (59% públicas, 41% privadas, casi todas USA) JPO = 34% Compañías privadas: USA (pequeñas, muchas patentes; grandes, pocas patentes), EUROPA (grandes, muchas; pequeñas, pocas)

47 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULARADN hélice codificadora (secuencia de bases nitrogenadas) transcripción ARNm (secuencia de bases nitrogenadas) traducción PROTEÍNA oooooooo (secuencia de aminoácidos) especificidad funcional de la proteína

48 EL DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR: LOS GENES DISCONTINUOS (ROBERTS Y SHARP, 1977)ADN hélice codificadora intrón-exón-intrón-exón (secuencia de bases nitrogenadas) transcripción ARN transcrito (pre-ARNm) procesamiento pre-ARNm ARNm (secuencia de bases nitrogenadas) traducción PROTEÍNA oooooooo (secuencia de aminoácidos) especificidad funcional de la proteína

49 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (IV)CÁNCER DE MAMA Y DE OVARIO Genes BRCA1 y BRCA2 En Estados Unidos la mujer tiene una probabilidad de un 12-13% de cursar un cáncer de mama, pero si es portadora de estas mutaciones aumenta hasta un 50-80% y hasta un 20-50% la del cáncer de ovario. BRCA1: 17q21.1, pb, 24 exones, pb BRCA2: 13q12, pb, 27 exones, pb Myriad Genetics (1994, 1995, 500 millones $) mujeres/año se analizan en Estados Unidos 3.000 $/prueba diagnóstica

50 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (V)

51 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (V)

52 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: Patentes de genes humanos (VI)Sentencia del Tribunal Supremo EEUU (13 junio 2013) Association for Molecular Pathology vs. Myriad Genetics Inc. sobre la patente de los genes BRCA1- BRCA2 Resolución: “Por las razones que siguen, nosotros [el tribunal] sostenemos que un segmento natural de ADN es un producto de la naturaleza y no es patentable por el mero hecho de haber sido aislado, pero que el ADNc (ADN complementario) es patentable porque no ocurre de forma natural”

53 EL PROYECTO GENOMA HUMANO: ¿Y DESPUÉS, QUÉ?El PROYECTO ENCODE (Encyclopedia of DNA elements, International Consortium, 2012) Del ADN basura a la regulación de la expresión de los genes 75% ADN intergénico, 24% intrones, 1% exones.

54 EL PROYECTO GENOMA HUMANO ¿Y DESPUÉS, QUÉ?EL PROYECTO EPIGENOMA En Embriología, por “epigénesis” – en contraposición a la “preformación”– se entiende la teoría de que las estructuras nuevas y los organismos se desarrollan a partir de una masa indiferenciada original de materia viva en el curso del desarrollo embrionario. Epigenética, rama de la Biología que se ocupa del análisis causal del desarrollo (Waddington (1939, 1940):

55 EPIGÉNESIS Waddington (1939, 1940):Epigenética, rama de la Biología que se ocupa del análisis causal del desarrollo Epigenotipo, sistema de desarrollo total que está compuesto por series de desarrollo interrelaciona-das a través de las cuales se realiza la forma adulta de un organismo y que comprende la totalidad de las interacciones entre los genes y entre los genes y el ambiente no genético que da como resultado el fenotipo (epifenotipo). El epigenotipo de una célula es un carácter estable y heredable, al menos durante muchas generaciones celulares, cuyo modo de impresión está por encima o además del genotipo clásico, esto es, la secuencia de bases del ADN.

56 EPIGÉNESIS En tiempos recientes ha surgido dentro de la Genética un nuevo concepto de “epigenética” en relación con los mecanismos genéticos que influyen en el fenotipo sin alterar las secuencias del ADN, siendo la metila-ción del ADN (generalmente de las citosinas) uno de los mecanismos epigenéticos más importantes (patrón de metilación del ADN o metiloma). Mecanismos epigenéticos son también las alteraciones de la estructura o remodelación de la cromatina por modificación de las histonas (metilación, acetilación, fosforilación). La estructura local de la cromatina es un estado epigenético que puede cambiar de forma reversible por diversos tipos de mecanismos (remodelación de la cromatina).

57 EPIGÉNESIS El hecho de que la actividad génica diferencial no implique cambios en la secuencia original del ADN explica por qué son posibles los mecanismos de reprogramación celular tales como la clonación por transferencia nuclear y la inducción de células troncales pluripotentes (iPS) que han sido objeto del Premio Nobel en Fisiología o Medicina 2012.

58 EPIGÉNESIS Epigenética: Estudio de los procesos moleculares que influyen en el flujo de información entre una secuencia constante del ADN y los patrones variables de la expresión génica Epigenética: Estudio de los cambios hereditarios en la expresión génica que no son debidos a cambios en la secuencia del ADN El genoma es estático, el epigenoma es dinámico El genoma es el “hardware”, el epigenoma es el “software”

59 EL PROYECTO GENOMA HUMANO ¿Y DESPUÉS, QUÉ?EL PROYECTO EPIGENOMA Programa del Mapa Epigenómico NIH Roadmap Epigenomic Mapping Consortium 2008: Epigenomic Mapping Centers (4) Data Analysis and Coordinating Center Estado actual (febrero 2015): 24 artículos científicos en la revista Nature International Epigenomic Mapping Consortium

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61 Hamilton O. Smith (Premio Nobel, 1978)

62 GENÓMICA AMBIENTAL Y METAGENÓMICAJ. Craig Venter, Institute for Biological Energy Alternatives (IBEA) La biodiversidad invisible Proyecto Genoma Océano Proyecto Genoma Aire Proyecto Genoma Suelo

63 PPROYECTO GENOMA OCÉANO

64 PROYECTO GENOMA OCÉANOGlobal Ocean Sampling Expedition J.Craig Venter Institute

65 PROYECTO GENOMA OCÉANO

66 LA BIODIVERSIDAD INVISIBLEProyecto Genoma Océano Mar de los Sargazos: Estimación de 1030 organismos unicelulares y 1031 virus 200 litros de agua superficial, más de genes nuevos Identificadas proteínas implicadas en el procesa-miento del hidrógeno 800 genes nuevos capaces de aprovechar energía luminosa (nueva “biología lumínica”) Metagenómica del ADN: 400 nuevos microorganismos, millones de genes nuevos Proyecto Genoma Aire Manhattan Proyecto Genoma Suelo Suelo agrícola de Minnesota: 1gramo → especies de microorganismos