Genetyka i reszta świata. Medycyna, biotechnologia, bioetyka i przyszłość człowieka

Transkrypt

1 Genetyka i reszta świata Medycyna, biotechnologia, bioetyka i przyszłość człowieka

2 Medycyna ewolucyjna 2

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? 3

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 4

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 5 Trafność: 9 na11 = 0,818

6 Ciało człowieka - 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 6

7 Wyścig z patogenami - oporność Staphylococcus aureus } 1928: odkrycie penicyliny (Alexander Flemming) } 1943: masowa produkcja i stosowanie penicyliny } 1947: 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 7

8 Oporność na penicylinę Pneumococcus u dzieci (Islandia) 8

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 9

10 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 10

11 Biotechnologia w rolnictwie } Jedna z najstarszych gałęzi cywilizacji (od lat) } Modyfikacje roślin za pomocą genetyki klasycznej i molekularnej 11

12 Dobór sztuczny manipulacje ewolucyjne Stopniowe zmiany kierowane przez selekcję mogą dać spektakularne efekty Brassica oleracea var. silvestris Brassica oleracea odmiany uprawne Nie potrafimy tego dokonać planowo modyfikując genom 12

13 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 13

14 Złoty 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 14

15 Złoty 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 15

16 Złoty ryż } W krajach rozwiniętych sprzedaż (własności antyoksydacyjne) } W krajach rozwijających się pomoc humanitarna 16

17 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 17

18 Badania nad kukurydzą Bt } W laboratorium 40% spadek przeżywalności larw motyla monarcha } W badaniach terenowych brak wpływu 18

19 Rośliny oporne na herbicydy } Niejednoznaczne wynki badań na skalę gospodarstwa } Ważniejsze kwestie ekonomiczne i społeczne 19 B. Mepham, Bioetyka, PWN 2008

20 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 20

21 GMO na świecie } USA (2003) } 81% soi; 40% kukurydzy; 84% rzepaku } USA, Kanada, Argentyna, Chiny, > 90% areału GMO na świecie } Europa niewielki wzrost, dyskusje 21

22 Kwestie sporne } Bezpieczeństwo konsumentów } brak jednoznacznych wyników wskazujących szkodliwość } Na kim spoczywa ciężar dowodu } Bezpieczeństwo środowiska i bioróżnorodność } wyniki na skalę gospodarstwa niejednoznaczne } Ekonomia } sprzeczne raporty, zależy od specyfiki kraju } Etyka } czy rośliny mają godność? } Konstytucja Szwajcarii: Die Würde der Kreatur 22

23 Wiedza w społeczeństwie } Nie chcemy DNA w ziemniakach 23 Eurobarometr 2005

24 Neoluddytyzm } Luddyci w XIX wieku walczyli z rewolucją przemysłową } Współcześni naśladowcy walczą z } GMO } klonowaniem } wykorzystywaniem komórek macierzystych } nauczaniem o ewolucji } telefonami komórkowymi }... 24

25 Genetyka w ochronie przyrody } Badania zmienności populacji } dla oceny bioróżnorodności } dla planowania reintrodukcji } dla tworzenia banków bioróżnorodności } Genetyka konserwatorska (conservation genetics) 25

26 Genetyka w antropologii i archeologii } Badania sekwencji współczesnych DNA dla odtworzenia historii } Antyczny DNA 26

27 Ponad milion lat temu 27

28 Hipoteza multiregionalna = hipoteza ciągłości regionalnej 28

29 Hipoteza multiregionalna } Przodkowie człowieka, którzy opuścili Afrykę ponad milion lat temu ewoluowali na różnych kontynentach } Następowała wymiana genetyczna (ciągłość) między populacjami regionalnymi 29

30 Model OAR (czyli Out of Africa Replacement) 30

31 Model OAR } Out of Africa Pożegnanie z Afryką } Ok lat temu jedna z populacji przodków człowieka (to już był H. sapiens) rozpoczęła migrację z Afryki na pozostałe kontynenty } Nowi migranci wyparli żyjące już w tych regionach hominidy potomków wcześniejszych migracji i nie mieszali się z nimi } Wszyscy współcześni ludzie są potomkami tych ostatnich migrantów 31

32 Historia w DNA 32

33 Nie tylko geny 33

34 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 34

35 Adaptacje mtdna konsekwencje Ciepły klimat Silne sprzężenie OXPHOS z wytwarzaniem ATP Zimny klimat Słabsze 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. 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). 35

36 36

37 Genom Neandertalczyka } Zsekwencjonowano fragmenty mtdna z kilku próbek (1997) } Zsekwencjonowano ok bp DNA jądrowego (2006) } 60% genomu jądrowego (2010) 37

38 Analizy ndna 38 Green et al. (2006) Nature 444:330-6

39 Wyniki analizy genomu z 2010 } Potwierdzenie, że ostateczna dywergencja populacji ~ tys. lat temu } Analiza polimorfizmów Neandertalczyk bardziej podobny do mieszkańców Eurazji, niż Afryki 39 Green et al. (2010) Science 328:710-22

40 Czy człowiek 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. 40

41 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 41

42 Nie tylko Neandertalczyk } } } Szczątki z jaskini Denisowa (Ałtaj) Współcześni Neandertalczykom } Prawdopodobnie grupa siostrzana Ślady krzyżowania z ludzkimi migrantami w populacjach Oceanii } Epizody krzyżowania podczas migracji do Azji Pd.-Wsch. 42

43 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 43

44 Patenty genetyczne } Co można opatentować } sekwencję genu? } test oparty na wykrywaniu mutacji? } GMO? } Ochronie patentowej podlegają wynalazki, nie odkrycia 44

45 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 45

46 Ekspresja heterologiczna w biotechnologii 46

47 Inżynieria przeciwciał leki przyszłości } 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 47

48 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy układ odpornościowy przestanie być potrzebny i zaniknie? 48

49 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy genetyczna diagnostyka prenatalna i inżynieria genetyczna doprowadzą do stworzenia super-człowieka? 49

50 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy pomagając ludziom z ciężkimi chorobami genetycznymi psujemy pulę genową gatunku? 50

51 Wizje i pomyłki } Czy współczesna medycyna i biotechnologia ma wpływ na naszą ewolucję? } Czy człowiek podzieli się na dwa gatunki? 51