UnaVisiónPersonaldelaHistoriadelaBiologíaMoleculardesdeelDescubrimientoqueelmaterialgené<coesel

ADN(DNA)hastaelDesciframientodelGenomaHumanoRelatodeunTes<go

CursoTeóricoPrác<codeBiologíaMolecularyGenómica

www.laboratoriosporta<les.cl

JORGEE.ALLENDEEnero2-5,2018

•  Para aprenderCienciashayquehacer ciencias, para lascienciasexperimentalesestosignificaquelosestudiantesdeben hacer experimentos que demuestren algúnConceptoFundamentalqueseestáenseñando.

•  En la educaciónmedia en Chile, y en otros países deAmérica LaEna, se hacen muy pocos trabajosexperimentales.

•  Relato sobre una innovación en la Enseñanza de laBiologíaenEducaciónSecundariaqueseestáprobandoenChileyotros5paíseslaEnoamericanosyquepermiteque estudiantes hagan experimentos de la Biología delSigloXXIensusLiceos.

2

•  En1998organizamosuncursoteórico-prácEcoparacapacitarprofesoresdeBiologíaenBiologíaMolecular.

•  EsecursoserepiEóenChileyconapoyodeRELAByUNESCOorganizamosuncursoelaño2003paraprofesoresdeBiologíadevariospaíseslaEnoamericanos.

•  EstecursoqueserepiEóel2005enBuenosAiresyel2006enCostaRicaconalumnosdemuchospaísesdeCentroAmérica.

•  En general los cursos fueron muy bien recibidos por losprofesores que nos decían que habían aprendido mucho.PeroalgunossemostrabanfrustadospornopodercomparErconsusalumnoslapartemásdidácEcaymásentretenidadelcurso-laparteexperimental.

•  EnRomaelaño2001enlaAcademiaPonEficiadelaCiencia,presentéuntrabajoquesepublicóenun libro,yenesteyodecíaqueestábamosdesarrollandounlaboratorioportáEl.

3

NOVEMBER2001

In our InsEtute of Biomedical Sciences, FacultyofMedicine,UniversityofChile,weareacEvelyworking with biology teachers in the publicschools of SanEago, running courses onmorphology,physiology,geneEcsandmolecularbiology.In this last subject we have developed apracEcal one week course in which we havetrained more than one hundred high schoolteachers. It is great to see the excitement ofthese teacherswhentheycanclonegenesandtransformbacteriaandisolateDNA.We have the project of developing a mobileDNA laboratory that can visit schools and letthe students carry out experiments of gene<cengineering

PaperofJ.E.AllendeTheproblemsandPromisesofScience

EducaEoninChile

ProyectoWellcomeTrustpara“DifundirlasCienciasdelaVidaenlaSociedad”

20112012

RELABpresentóproyectoenelaño2011con3paísesparEcipantesconunaUniversidaddecadapaís:México–UNAMCostaRica–UniversidaddeCostaRicaChile–UniversidaddeChileSeapruebaproyectoconUSD$48.000

Ac<vidades:1.-Organización de Cursos Teórico-Prác<cos enBiologíaMolecular yGenómica para Profesores deBiologíaenEducaciónSecundariaCada país se organizaron cursos con similares contenidos que capacitaban y actualizaban a losprofesoresen4conceptos fundamentalesde laBiologíaMolecularyGenómica. Estoscursossondecarácter intensivo y tenían 40 horas de clases, experimentos y discusiones que se dictan de lunes aviernes.

2.-VisitaalosLiceosLosprofesoresqueapruebenloscursospuedensolicitarlavisitadellaboratorioportáElalliceodondeellostrabajan.LosprofesoresdictanlasclasesteóricasasusalumnosyparEcipanenlaorganizacióndelosexperimentosqueusandoel“laboratorioportáEl”hacensusalumnosconlaasesoríatécnicadelosestudiantesdepostgradodelaUniversidadqueacompañanallaboratorioportáEl.EstoúlEmoesclaveporquepermiteelcontactoentrelosestudiantesdemediaconlosestudiantesdepostgrado de las Universidades y este diálogo es tremendamente beneficioso para los dos Epos deestudiantes.Losliceanosvenquehayjóveneschilenosquesehanembarcadoenunavidadedicadaalacienciay losdepostgradoadquierenunaexperienciaclaveentransmiErlea lasociedadelporquéesimportantequeseculEvelasciencias. 5

ConceptosFundamentalesCubiertosenestecursoconClasesTeóricasyExperimentales

•  ConceptoFundamental1•  La idenEdadde lasespeciesyde los individuosestadeterminada por la información genéEca contenidaen la estructura del ADN de esas especies eindividuos

•  ElFeno<podependedelGeno<po

7

Premio Nobel de Medicina 1993

FromPhenotypetoGenotype–ThetastereceptorforPTC MutaEonofTasteReceptorTAS238

221

177

448

Se amplifica un fragmentodel Receptor GustaEvo TAS238 que Eene 220 pares debases y se corta con enzimade restricción Hae 3 quereconocesecuenciaGGCC.Corta en gustadores y nocortaenlosnogustadores.PCR gano Premio Nobel deQuímicaelaño1993.

DeFeno<poaGeno<po

ConceptosFundamentalesCubiertosenestecursoconClasesTeóricasyExperimentales

•  ConceptoFundamental2•  La mayoría de las células de los organismos mulEcelulares conEenen la misma

información genéEca que el total del organismo pero esas células presentandiferencias en morfología y expresan proteínas diferentes que les permitencumplirdiferentesfuncionesfisiológicas.EstoestámediadoporlaregulacióndelaexpresióngenéEca.

•  ConceptoFundamental3•  ElCódigoGenéEcoqueseusaparatraducirlainformacióngenéEcaparagenerar

proteínas es prácEcamente universal en todos los seres vivos que habitan ohabitaronennuestroplaneta y lamaquinariausadapara lograr la traducciónestambiénmuysimilarendiferentesseresvivos. Estosdoshechossonlabaseparapoder hacer ingeniería genéEca permiEendo que el material genéEco que esintroducidoen células vivasdeotraespeciepueda ser correctamenteexpresadaenlacélulareceptora.

•  Experimento de Transgénesis con gen de proteína fluorescente verde enbacterias – Plasmidio y foto de bacterias fluorescentes. Alumnos usan laproteínacuyodescubrimientoganóelPremioNobeldeQuímicael2008.

SetrasnsformaaE.coliconesteADNcircularqueconEenevariosgenes

PlasmidiopGLO

TransfecciónenE.coli

Apagaexpresión

11

PolerondeAlumnasLiceo7

12

ConceptosFundamentalesCubiertosenestecurso

•  ConceptoFundamental4•  LaevoluciónDarwinianapuedeser invesEgadapormediodeunestudio

comparaEvo de las secuencias nucleóEdicas de los genes o de lassecuenciasdeaminoácidospresentesenlasproteínascodificadasporesosmismosgenespresentesenespeciesrelacionadas.LagenómicamolecularnosaportainformaciónsobrelaescaladeEempoenlacuállasdiferentesramasfilogenéEcasfueronemergiendoenelprocesoevoluEvo.

•  Experimentocomputacionalentrandoabancodedatos(NCBI)queEenenla estructura de millones de genes y de las proteínas que estos genescodifican.

•  UnointroducelainformacióndeungenyusaunsoowarellamadoBLASTquebuscatodoslosgenessimilaresalhumano.

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1944 DNA es el material que tiene la información

Genética. The Professor, the Institute and DNA, René J. Dubos Experimento de Avery

Oswald Avery (Pneumococus)

1949 L a s p r o t e í n a s e s t á n d e t e r m i n a d a s genéticamente. La hemoglobina de las células falciformes – Hb S. Medicina Molecular. L. Pauling y H. Itano Biografía - Force of Nature

Linus Pauling * Electroforesis de proteínas F. Sanger Secuencia de insulina

1953 Las moléculas de DNA son cadenas que forman una doble hélice. Nature, 1953 El Dogma Central de la Biología Molecular.

J. Watson * y F. Crick

REVOLUCIÓNDELABIOLOGÍAMOLECULAR

PNEUMONIAEXPERIMENTODEGRIFFITH

OSWALDAVERYYLATRANSFORMACIÓNCONADNILUSTRACIÓNERRÓNEA

EXPERIMENTODEHERSHEY-CHASE

EXPERIMENTODEHERSHEY-CHASE

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1944 DNA es el material que tiene la

información Genética. The Professor, the Institute and DNA, René J. Dubos Experimento de Avery

Oswald Avery (Pneumococus)

1949 Las proteínas están determinadas genéticamente. La hemoglobina de las células falciformes – Hb S. Medicina Molecular. L. Pauling y H. Itano Biografía - Force of Nature

Linus Pauling * Electroforesis de proteínas F. Sanger Secuencia de insulina

1953 Las moléculas de DNA son cadenas que forman una doble hélice. Nature, 1953 El Dogma Central de la Biología Molecular.

J. Watson * y F. Crick

CartadePaulingaItanoen1950

•  “CreoquelaMedicinaestáenestemomentoentrandoaunanuevaeraenquelosavancesseránmuchomásrápidosqueantes, cuando los cienrficos descubrirán las basesmoleculares de las enfermedades y descubrirán el por quémoléculas de ciertas drogas resultan en tratamientoseficientes,mientrasqueotrasmoléculasnosonefecEvas.

•  Tuve el honor de conocerlo en SanEago en 1964, y haberconversadoconélpormásdeunahoraenmilaboratorio.»

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1944 DNA es el material que tiene la

información Genética. The Professor, the Institute and DNA, René J. Dubos Experimento de Avery

Oswald Avery (Pneumococus)

1949 Las proteínas están determinadas genéticamente. La hemoglobina de las células falciformes – Hb S. Medicina Molecular. L. Pauling y H. Itano Biografía - Force of Nature

Linus Pauling * Electroforesis de proteínas F. Sanger Secuencia de insulina

1953 Las moléculas de DNA son cadenas que forman una doble hélice. Nature, 1953 El Dogma Central de la Biología Molecular.

J. Watson * y F. Crick

ELDOGMACENTRALDELABIOLOGÍAMOLECULAR–NOV.1952

LibrodeDoubleHelix,1968deJ.D.Watson

Feno<po

Geno<po

POLIRRIBOSOMAS

LaideadeCrick

SegúnelsueñodeCrick

WatsonenmicasaenlaReina

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1960 Teoría del RNA mensajero

La Estatua Interior 1987 Tomando Té el Viernes Santo de 1960 en la casa de Brenner

Jacob* y Monod*

1961 Uuu es fenilalamina Piedra Rosetta del código Mi fracaso como futurologo

M. Niremberg*

1961-1965 Se completa el código genético Niremberg*, Ochoa*, Khorana*

1962-1967 Mecanismo de traducción para síntesis de proteínas. Mi participación en el laboratorio Lipmann y posteriormente en el de Niremberg

Lipmann* y varios laboratorios

MiclasedeMedicinade1961

El DOGMA CENTRAL DE LA BIOLOGÍA MOLECULAR

MiclaseaEstudiantesdeMedicinayPredicción1961

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1960 Teoría del RNA mensajero

La Estatua Interior 1987 Tomando Té el Viernes Santo de 1960 en la casa de Brenner

Jacob* y Monod*

1961 Uuu es fenilalamina Piedra Rosetta del código Mi fracaso como futurologo

M. Niremberg*

1961-1965 Se completa el código genético Niremberg*, Ochoa*, Khorana*

1962-1967 Mecanismo de traducción para síntesis de proteínas. Mi participación en el laboratorio Lipmann y posteriormente en el de Niremberg

Lipmann* y varios laboratorios

MiclasedeMedicinade1961

1961-1965

-universal-degenerado-sincomasperoconpuntoaparte

AÑO DESCUBRIMIENTO INVESTIGADORES 1960 Teoría del RNA mensajero

La Estatua Interior 1987 Tomando Té el Viernes Santo de 1960 en la casa de Brenner

Jacob* y Monod*

1961 Uuu es fenilalamina Piedra Rosetta del código Mi fracaso como futurologo

M. Niremberg*

1961-1965 Se completa el código genético Niremberg*, Ochoa*, Khorana*

1962-1967 Mecanismo de traducción para síntesis de proteínas. Mi participación en el laboratorio Lipmann y posteriormente en el de Niremberg

Lipmann* y varios laboratorios

MiclasedeMedicinade1961

GrupodelLaboratoriodelDr.Lipmann1962

EnReñaca1963

JORGEE.ALLENDE,†ROBINMONRO,ANDFRITZLIPMANN.RESOLUTIONOFTHEE.COLIAMINOACYLsRNATRANSFERFACTORINTOTWOCOMPLEMENTARYFRACTIONS

PNAS.USA.51,1211–1216(1964)

JorgeE.Allende,RobinMonroandFritzLipmann

ReprintedfromtheProceedingsoftheNaEonalAcademyofSciencesVol.54,N.6,pp.1211-1216,July,1964*

JORGEE.ALLENDE,ANDHERBERTWEISSBACK(1964)GTPINTERACTIONWITHAPROTEINSYNTHESISINITIATIONFACTORPREPARATIONFROM

ESCHERICHIACOLIBIOCHENBIOPHYS.RES.COMM.28,82-88,1967

ByJORGEE.ALLENDE,†NICHOLASW.SEEDS,‡THOMASW.CONWAY,‡ANDHERBERWEISSBACH§GUANOSINETRIPHOSPHATEINTERACTIONWITHANAMINOACID

POLYMERIZATIONFACTORFROME.COLI*

PNAS.,USA58,1566–1573(1467

PUBLICACIONESDEJ.E.ALLENDEsobrelaSíntesisdeProteínas

DANIELNATHANS,2JORGEE.ALLENDE,3THOMASW.CONWAY,4GEORGEJ.SPYRIDES,ANDFRITZLIPMANN,PROTEINSYNTHESISFROMAMINOACYLsRNA’s

SymposiumonInformaEonalMacromolecules

AcademicPress,NEWYORK,1963pp.349-365

1962-1968MayormenteenU.S.A.

Etapaenlaquepar<cipéac<vamente

1963-1966EnChileAminoacil–tRNASintetasasLasenzimasinteligentesquesonbilingüesCatalizanreacción

1.-Aminoacido(X)+ATP+Enz------->aminoacido(X)-AMP-ENZ+P-P <--------

2.-Aminoacido(X)-ATP–Enz++RNA(X)------->AAx-tRNA(X)+AMP+ENZAA(X)+ATP+tRNA------->AA(X)–tRNA(x)+AMP+P-P

<--------ENZ

v Allende, C.C., andAllende, J.E. (1964) PurificaEonand substrate specificity of arginyl-ribonucleic acidsynthetasefromratliver.J.Biol.Chem.239,1102-1106.

v Allende,J.E.,Allende,C.C.,GaEca,M.,andMatamala,M. (1964) IsolaEonofthreonyladenylate-enzymecomplex.Biochem.Biophys.Res.Commun.16,342-346.

v Allende, C.C., Allende, J.E., GaEca, M., Celis, J., Mora, G., andMatamala, M. (1966) The aminoacylribonucleic acid synthetases: I. ProperEesof the threonyladenylate-enzymecomplex. J. Biol. Chem.241,2245-2251.

v Allende,C.C.,Chaimovich,H.,GaEca,M.,andAllende,J.E.(1970)Theaminoacyltransferribonucleicacidsynthetases: II. ProperEes of an adenosine triphosphate-threonyl transfer ribonucleic acid synthetasecomplex.J.Biol.Chem.245,93-101.

AÑO Descubrimiento Investigadores 1969 Transcriptasa Reversa

Retrovirus pueden sintetizar DNA a partir de RNA (flecha 4) Baltimore * y Temin *

1963-1972 Enzimas de restricción cortan DNA en sitios específicos – trozos manejables.

Arber* Brown* Nathans*

1973 Plasmidios – circulitos de DNA de las bacterias sirven para introducir DNA de otras especies a bacterias.

Berg*, Cohen*, Boyer

1977 1979

Método para determinar la secuencia del DNA. • Con esto se hace posible la ingeniería genética y surge la biotecnología. • Bacterias sintetizan insulina humana y hormona de crecimiento humana “la biología del terror”.

• Genes de escariontes están interrumpidos por intrones

Gilbert, *Sanger*

1981 Animales transgénicos – ratones Palmiter, Brinster

1983 Plantas Transgénicas usando Agrobacterium tumefasciens Van Montagu y Schell

1985 Reacción de la Polimerasa en cadena – Amplifica DNA millones de veces (PCR).

Mullis*

BASES CONCEPTUALES PARA LA INGENIERÍA GENÉTICA • EL CÓDIGO GENÉTICO ES DEGENERADO Y PRÁCTICAMENTE

UNIVERSAL CON UN MECANISMO DE TRADUCCIÓN MUY SIMILAR

• ERGO: TODAS LAS FORMAS DE VIDA SON COMPATIBLES

CON RESPECTO A LA INFORMACIÓN GENÉTICA. • ESTE CONOCIMIENTO HIZO LA INGENIERÍA GENÉTICA

TEÓRICAMENTE POSIBLE. • SE PUEDE INTRODUCIR INFORMACIÓN GENÉTICA EXÓGENA

A CUALQUIER ORGANISMO VIVO QUE LA VA A PODER INTERPRETAR CORRECTAMENTE

1970

ENZIMASDERESTRICCIÓNYDNARECOMBINANTE

T-DNA Ti plasmid

vir genes

In response to chemical signals, the vir genes become activated and direct a series of events to transfer the T-DNA to the plant cell.

bacterial chromosome T-DNA border

region

AgrobacteriumtumefaciensPlantasTransgénicas

MARKVANMONTAGU-SALASAZIÉ–FAC.DEMEDICINA

2001 •  La gran sorpresa que nos dio el texto completo de las

secuencias del genoma es que el ser humano solo tiene ~ 26000 genes que es igual al de los ratones y mucho menos que algunas plantas y animales. Golpe a nuestro orgullo. Solo el 3% del Genoma codifica para proteínas.

•  Esto nos presentó con el concepto del “DNA basura” y que la complejidad humana no se basa en genes sino más bien en sus interrelaciones.

•  Con el genoma aparecen nuevos enfoques que buscan encontrar la

base de esas interrelaciones – los microconjuntos.

•  No hay relaciones de causa efecto lineales sino que estímulos y señales encienden o apagan circuitos enteros de cientos de genes.

•  PROYECTO ENCODE •  Se vuelve a examinar el genoma en un trabajo laborioso que se

inicia el 2003 y sigue actualmente que se encuentra que el 80% del genoma se usa para activar o reprimir genes.

•  Septiembre 6 del año 2012 – Se publica la Enciclopedia de elementos del DNA (ENCODE) y el 60% del genoma se transcribe. Esto nos dice que prácticamente gran parte del trabajo con microconjuntos es irrelevante porque estábamos mirando al 3% que codifica proteínas y olvidándonos del 80% que tiene función. Esto quiere decir que hay 3-4 millones de elementos en el genoma que cumplen funciones y esa es una complejidad apabullante. En este momento realmente no sabemos como atacar esa complejidad.

•  Nuevamente, las bacterias nos dan la pista para una nueva metódica de ingeniería de genomas.

•  (CRISPR-Cas9) - Esta metódica esta causando una nueva revolución en la biotecnología pero también ha causado la preocupación desde el punto de vista ético en cuanto se podría usar en la línea germinal humana.

SCIENCEEXPRESS-PERSPECTIVES,19March2015

•  L a n u e v a g e n e r a c i ó n d esecuenciadores permite tener unperfil genómico de una persona porpoco más de lo que cuesta unaresonanciamagnéEcanuclear.

• Medicinapersonalizada