Genetyka i reszta świata. Medycyna, biotechnologia, bioetyka i przysz ość cz owieka

Transkrypt

1 Genetyka i reszta świata Medycyna, biotechnologia, bioetyka i przysz ość cz owieka 1

2 Medycyna ewolucyjna

3 Medycyna ewolucyjna Dlaczego chorujemy? Przyczyny bezpośrednie Bo zainfekował nas wirus, bo złamaliśmy nogę itp. Przyczyny pierwotne Wyścig ewolucyjny pasożytów i gospodarzy Dlaczego nasze ciało jest zbudowane tak a nie inaczej ewolucyjne kompromisy Historia ewolucji naszych przodków a przystosowanie do współczesnego środowiska Nowotwór jako proces ewolucyjny Dlaczego się starzejemy?

4 Wyścigi z patogenami Sekwencje genów kodujących białka układu odpornościowego należą do najszybciej zmieniających się w ewolucji Sekwencje białek wirusów, bakterii itp. też szybko się zmieniają Szukając tych obszarów sekwencji, które zmieniają się najszybciej możemy wskazać, które białka powinny być celem dla leków, który szczep wirusa będzie najgroźniejszy itp. Bakterie i wirusy szybko uodparniają się na leki

5 Szczepionki przeciw grypie Każdego roku powstaje wiele (ok ) różnych wariantów wirusa. Trzeba przewidzieć, który z nich będzie zagrożeniem w następnym sezonie, żeby przygotować szczepionkę Analiza ewolucyjna wskazała 18 kodonów w genie kodującym hemaglutyninę wirusa, które podlegają silnemu działaniu doboru dodatniego Ten ze szczepów, u którego jest najwięcej zmian w tych kodonach najprawdopodobniej będzie źródłem następnej infekcji Trafność: 9 na11 = 0,818

6 Cia o cz owieka - ekosystem Ciało człowieka zawiera około (biliard, 1000 bilionów) komórek Ale tylko 5-10% to nasze, ludzkie komórki! Demodex folliculorum roztocza Helicobacter pylori - bakterie w żołądku

7 Wyścig z patogenami - oporność Staphylococcus aureus 1928: odkrycie penicyliny (Alexander Flemming) 1943: 1947: masowa produkcja i stosowanie penicyliny odkryte pierwsze oporne szczepy S. aureus 1997: S. aureus nabywa oporność na wankomycynę Dziś: 50% infekcji S. aureus oporne na penicylinę, metycylinę, erytromycynę i tetracyklinę Problem: oporność nie tylko na pojedyncze, ale i na wiele antybiotyków Doug Green -- SMC Bio March 2004 FYS 163: Science as a Way of Knowing

8 Oporność na penicylinę Pneumococcus u dzieci (Islandia)

9 Wyścigi z patogenami Terapia wieloelementowa (HAART, np. AIDS) Pojedyncze leki przeciwwirusowe nie są skuteczne bardzo szybko ewoluują oporne wirusy Sposób stosowanie kilku różnych leków działających na różne procesy cyklu życiowego wirusa nie daje szansy na wyewoluowanie oporności

10 Ewolucyjna medycyna mitochondrialna Niektóre polimorfizmy mtdna mają znaczenie selekcyjne Warianty zaadoptowane do zimnego klimatu: słabsze sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP, część energii gradientu protonowego rozpraszana w postaci ciepła Warianty zaadoptowane do ciepłego klimatu: wydajne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP, optymalne wykorzystanie energii z pokarmu

11 Adaptacje mtdna konsekwencje Ciepły klimat Silne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Wydajne wykorzystanie kalorii z pokarmu W połączeniu z wysokokaloryczną dietą zwiększone wytwarzanie ROS Krótszy czas życia Podatność na choroby degeneracyjne (np. AD), cukrzycę. Zimny klimat Słabsze sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Mniej wydajne wykorzystywanie kalorii z pokarmu, termogeneza Mniejsze wytwarzanie ROS przy diecie wysokokalorycznej Długowieczność Mniejsza zapadalność na choroby degeneracyjne (AD, PD, cukrzyca). Mniejsza zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON). Większa zapadalność na choroby związane z defektami OXPHOS (np. LHON).

12 Genetyka jako narzędzie Biotechnologia zielona rolnictwo czerwona farmacja i medycyna biała - przemysł Antropologia molekularna i archeologia Medycyna Ochrona przyrody Bioetyka - zagadnienia etyczne związane ze wszystkimi zastosowaniami biologii 12

13 Biotechnologia w rolnictwie Jedna z najstarszych gałęzi cywilizacji (od lat) Modyfikacje roślin za pomocą genetyki klasycznej i molekularnej 13

14 Rośliny GMO Transgeny wprowadzane dla: zmiany własności użytkowych (np. odżywczych) zwiększenia odporności na warunki środowiska (chłód, suszę, zanieczyszczenia) nadania odporności na środki ochrony roślin nadania odporności na szkodniki 14

15 Z oty ryż Ryż GMO ze zwiększoną zawartością prowitaminy A Ryż syntetyzuje β-karoten w częściach zielonych, ale nie w nasionach brak 2 enzymów (trzeci potrzebny do zwiększenia wydajności 15

16 Z oty ryż I generacja (1999) transgeny bakteryjne 6 µg/g β-karotenu II generacja (2005) transgeny roślinne (kukurydza i ryż) 31 µg/g β-karotenu g wystarczy by pokryć dzienne zapotrzebowania na witaminę A Większość krytyk dotyczy I generacji 16

17 Z oty ryż W krajach rozwiniętych sprzedaż (własności antyoksydacyjne) W krajach rozwijających się pomoc humanitarna 17

18 Kukurydza Starlink Gen Bt z Bacillus thuringensis Białko toksyczne dla owadów (omacnica prosowianka) W USA dopuszczona do uprawy dla celów przemysłowych i na pasze sprawa Taco Bell wpływ na zdrowie wpływ na bioróżnorodność owadów 18

19 Badania nad kukurydzą Bt W laboratorium 40% spadek przeżywalności larw motyla monarcha W badaniach terenowych brak wpływu 19

20 Rośliny oporne na herbicydy Niejednoznaczne wynki badań na skalę gospodarstwa Ważniejsze kwestie ekonomiczne i społeczne 20 B. Mepham, Bioetyka, PWN 2008

21 Często podnoszone wątpliwości Oporność na antybiotyki GMO obecnie kasety usuwane przez rekombinację Stosowane antybiotyki o małym znaczeniu medycznym Przekazywanie transgenu dzikim roślinom (superchwasty) GMO niepłodne (gen terminator) Problemy ekonomiczne, prawne i społeczne 21

22 GMO na świecie USA (2003) 81% soi; 40% kukurydzy; 84% rzepaku USA, Kanada, Argentyna, Chiny, > 90% areału GMO na świecie Europa niewielki wzrost, dyskusje 22

23 Kwestie sporne Bezpieczeństwo konsumentów brak jednoznacznych wyników wskazujących szkodliwość Bezpieczeństwo środowiska i bioróżnorodność wyniki na skalę gospodarstwa niejednoznaczne Ekonomia sprzeczne raporty, zależy od specyfiki kraju Etyka czy rośliny mają godność? 23

24 Wiedza w spo eczeństwie Nie chcemy DNA w ziemniakach 24 Eurobarometr 2005

25 Neoluddytyzm Luddyci w XIX wieku walczyli z rewolucją przemysłową Współcześni naśladowcy walczą z GMO klonowaniem wykorzystywaniem komórek macierzystych nauczaniem o ewolucji telefonami komórkowymi... 25

26 Genetyka w ochronie przyrody Badania zmienności populacji dla oceny bioróżnorodności dla planowania reintrodukcji dla tworzenia banków bioróżnorodności 26

27 Genetyka w antropologii i archeologii Badania sekwencji współczesnych DNA dla odtworzenia historii Antyczny DNA 27

28 Haplogrupy mtdna

29 Hipoteza ciąg ości regionalnej (multiregionalna)

30 OAR Out of Africa Replacement

31 Wnioski Drzewo ewolucyjne mtdna i haplotypów Y jest zakorzenione w populacjach afrykańskich TMRCA lat Wyniki wspierają hipotezę OAR (niedawne afrykańskie pochodzenie ludzi)

32 Historia w DNA

33

34 Genom Neandertalczyka Zsekwencjonowano fragmenty mtdna z kilku próbek (1997) Zsekwencjonowano ok bp DNA jądrowego (2006) 60% genomu jądrowego (2010)

35 Analizy ndna Green et al. (2006) Nature 444:330-6

36 Wyniki analizy genomu z 2010 Potwierdzenie, że ostateczna dywergencja populacji ~ tys. lat temu Analiza polimorfizmów Neandertalczyk bardziej podobny do mieszkańców Eurazji, niż Afryki 36 Green et al. (2010) Science 328:710-22

37 Czy cz owiek i Neandertalczyk się krzyżowali? Większe podobieństwo do mieszkańców Eurazji niż Afryki ok. w 4% genomach Eurazji bardzo podobnych do N. Prawdopodobnie dochodziło do krzyżowania przodków mieszkańców Eurazji z Neandertalczykami Wkład N. w genom człowieka jest bardzo niewielki Brak śladów wkładu człowieka do genomu N. 37

38 Scenariusze Green et al. (2010) Science 328: To, że podobieństwo N. do Europejczyków, Azjatów i Papuasów jest takie samo wskazuje na scenariusz 3 Krzyżowanie z przodkami E, A i PNG, na obszarze bliskiego Wschodu Nie można wykluczyć scenariusza 4 Do krzyżowania dochodziło bardzo rzadko niewielki wkład efekt fali szybka ekspansja populacji kolonizującej wzmacnia wkład z krzyżowania z populacją natywną 38

39 Diagnostyka genetyczna Badania nosicielstwa Badania prenatalne Badania asocjacji często wątpliwa wartość diagnostyczna Problem prywatności genetycznej Tajemnica lekarska a badania genetyczne Badanie stwierdza problemy, które już wystąpiły Genetyka problemy, które mogą wystąpić w przyszłości Profilowanie dla ustalania tożsamości Eugenika 39

40 Patenty genetyczne Co można opatentować sekwencję genu? test oparty na wykrywaniu mutacji? GMO? Ochronie patentowej podlegają wynalazki, nie odkrycia 40

41 Terapia genowa Zastępująca wprowadzenie genu, którego defekt powoduje chorobę Trudności z opracowaniem wektorów i zapewnieniem ekspresji, zwłaszcza dla komórek nie dzielących się Stosowana dla chorób związanych z ekspresją genów w komórkach krwi (np. SCID gen ADA) i innych, które łatwo wprowadzić do organizmu (np. makrofagi choroba Gauchera) Inaktywująca zmniejszenie ekspresji genu, którego ekspresja powoduje chorobę (np. nowotworową) Technicznie łatwiejsze i bezpieczniejsze (sirna, modyfikowane oligonukleotydy) Ograniczone zastosowania, pacjent musi ciągle przyjmować kosztowne leki Modyfikacja ekspresji np. korekta składania mrna korekta błędów składania (talasemie) przeskakiwanie eksonów z mutacją dystrofia Duchenne a

42 Ekspresja heterologiczna w biotechnologii

43 Inżynieria przeciwcia leki przysz ości W łańcuchach immunoglobulin obszary zmienne odpowiadają za rozpoznawanie różnych antygenów, obszary stałe nadają specyficzność gatunkową W klasycznych metodach wytwarzania przeciwciał monoklonalnych uzyskiwano przeciwciała zwierzęce Klonowanie i ekspresja genów kodujących przeciwciała jest alternatywnym sposobem ich uzyskiwania Możliwe jest uzyskiwanie przeciwciał humanizowanych obszary zmienne z genu przeciwciała zwierzęcego wstawione między obszary stałe przeciwciała ludzkiego Humanizowane i rekombinowane ludzkie przeciwciała są stosowane w terapii np. nowotworów

44 Wizje i pomy ki Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? Czy układ odpornościowy przestanie być potrzebny i zaniknie?

45 Wizje i pomy ki Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? Czy genetyczna diagnostyka prenatalna i inżynieria genetyczna doprowadzą do stworzenia super-człowieka?

46 Wizje i pomy ki Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? Czy pomagając ludziom z ciężkimi chorobami genetycznymi psujemy pulę genową gatunku?

47 Wizje i pomy ki Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? Czy człowiek podzieli się na dwa gatunki?