ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ. Γ. Κρητικός, Βιολογία Κατ. Γ Λυκείου 1

Transcript

1 ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΘΕΤΙΚΗΣ ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗΣ Γ ΓΕΝΙΚΟΥ ΛΥΚΕΙΟΥ 1

2 Η ΒΙΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ Έγκαιρη διάγνωση εντοπισμός μιας ασθένειας στα αρχικά της στάδια, πριν εμφανιστούν τα συμπτώματα ανίχνευση κάποιας μόλυνσης διαπίστωση της ύπαρξης μιας κληρονομικής ασθένειας Πρόληψη ηπατίτιδα Β, πολιομυελίτιδα, φυματίωση (υπάρχουν εμβόλια) AIDS, μηνιγγίτιδα, καρκίνος (υπό έρευνα για εμβόλια) Αποτελεσματική θεραπεία προϋποθέτει την κατανόηση των βιοχημικών μηχανισμών και του γενετικού υποβάθρου της ασθένειας με φαρμακευτική αγωγή με γενετική διόρθωση της βλάβης Τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA, Τεχνική PCR, Ανιχνευτές μορίων DNA βελτίωση και παραγωγή διαγνωστικών ουσιών π.χ. μονοκλωνικά αντισώματα, εμβόλια, φάρμακα Η γονιδιακή θεραπεία στηρίζεται στην τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA π.χ. κυστική ίνωση, AIDS, διάφοροι τύποι καρκίνου 2

3 ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Πριν την ανάπτυξη της τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA, οι φαρμακευτικές πρωτεΐνες ήταν διαθέσιμες σε μικρές ποσότητες η παραγωγή τους ήταν ακριβή η βιολογική τους δράση δεν ήταν πλήρως κατανοητή. Σήμερα έχουν κλωνοποιηθεί ανθρώπινα γονίδια για περισσότερες από 300 φαρμακευτικές πρωτεΐνες. π.χ. ινσουλίνη, ιντερφερόνες, αυξητική ορμόνη Ινσουλίνη Χρησιμοποιείται για τη θεραπεία διαβητικών Πριν από το 1982 οι κύριες πηγές ήταν το πάγκρεας από χοίρους και βοειδή, με εκχύλιση δαπανηρή και πολύπλοκη διαδικασία προκαλούσε αλλεργία, επειδή είχε μικρές διαφορές στη σύσταση των αμινοξέων της από την ανθρώπινη Αποτελείται από δύο μικρά πεπτίδια, Α και Β (συνολικά 51 αμινοξέων), που συγκρατούνται με δισουλφιδικούς δεσμούς. Το γονίδιό της παράγει ένα πρόδρομο μόριο, την προϊνσουλίνη Μία από τις μεθόδους παραγωγής ινσουλίνης: παραγωγή του πρόδρομου μορίου σε βακτηριακή καλλιέργεια και μετατροπή σε ινσουλίνη με ενζυμική κατεργασία. cdna βιβλιοθήκη από κύτταρα του παγκρέατος και επιλογή του κλώνου που περιέχει το γονίδιο Απομόνωση του συνολικού mrna, από κύτταρα του ανθρώπινου παγκρέατος. Κατασκευή δίκλωνων μορίων DNA και ενσωμάτωσή τους σε πλασμίδια. Μετασχηματισμός βακτηρίων με τα ανασυνδυασμένα πλασμίδια και πολλαπλασιασμός τους σε θρεπτικό υλικό. Επιλογή των βακτηρίων που περιέχουν το γονίδιο που κωδικοποιεί την προϊνσουλίνη. Ανάπτυξη των επιλεγμένων βακτηρίων σε βιοαντιδραστήρα για παραγωγή της προϊνσουλίνης. Συλλογή της προϊνσουλίνης με κατάλληλο ένζυμο, από την οποία αφαιρείται το ενδιάμεσο πεπτίδιο και μετατρέπεται σε ινσουλίνη. 3

4 ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ Ιντερφερόνες Αντιϊκές πρωτεΐνες, που παράγονται από κύτταρα μολυσμένα από ιούς. Επάγουν την παραγωγή άλλων πρωτεϊνών από τα γειτονικά υγιή κύτταρα εμποδίζουν τον πολλαπλασιασμό των ιών σ αυτά. Οικογένεια συγγενών πρωτεϊνών, που ταξινομούνται σε τρεις ομάδες ανάλογα με τη χημική και βιολογική ενεργότητά τους: ιντερφερόνες α, β και γ. Είναι πιθανό να λειτουργούν και αντικαρκινικά. Παράγονται σε ελάχιστες ποσότητες στο σώμα. Με την κλωνοποίηση ορισμένων γονιδίων ιντερφερονών παράγονται σε μεγάλες ποσότητες, με παρόμοια μέθοδο παραγωγής με αυτή της ινσουλίνης. 4

5 ΜΟΝΟΚΛΩΝΙΚΑ ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΑ Ehrlich (Γερμανός γιατρός): το ιδανικό φάρμακο πρέπει να μπορεί να εξουδετερώνει τις μολύνσεις χωρίς να προκαλεί παρενέργειες στον οργανισμό. Η φύση έχει φτιάξει ένα «τέλειο φάρμακο»: τα αντισώματα. Πρωτεϊνικά μόρια που παράγονται από τα Β-λεμφοκύτταρα όταν ένα αντιγόνο προσβάλει τον οργανισμό. Αντιδρούν με το αντιγόνο και το εξουδετερώνουν. Ένα αντίσωμα αναγνωρίζει μόνο μία περιοχή του αντιγόνου, που ονομάζεται αντιγονικός καθοριστής. Ένα μεγάλο αντιγόνο (π.χ. μικροοργανισμός) έχει πολλούς αντιγονικούς καθοριστές πολλά αντισώματα. Κάθε είδος αντισώματος που αναγνωρίζει έναν αντιγονικό καθοριστή παράγεται από μία ομάδα όμοιων Β- λεμφοκυττάρων, που αποτελούν έναν κλώνο μονοκλωνικά αντισώματα. Χρησιμοποιούνται ως διαγνωστικά ασθενειών ή ως εξειδικευμένα φάρμακα εναντίον παθογόνων μικροοργανισμών ή καρκινικών κυττάρων. Τα Β-λεμφοκύτταρα δεν επιβιώνουν για πολύ έξω από το σώμα και δεν μπορούν να διατηρηθούν σε κυτταροκαλλιέργειες. Μπορούν όμως μετά από σύντηξη με καρκινικά κύτταρα υβριδώματα (1975). Ένα επιλεγμένο αντιγόνο χορηγείται με ένεση σε ποντίκι παράγονται αντισώματα. Ύστερα από δύο εβδομάδες αφαιρείται ο σπλήνας και απομονώνονται τα Β-λεμφοκύτταρα. Συντήκονται με καρκινικά κύτταρα και παράγονται υβριδώματα παράγουν μονοκλωνικά αντισώματα. Τα υβριδώματα μπορούν να διατηρούνται για μεγάλα χρονικά διαστήματα στην κατάψυξη (-80 C). 5

6 ΜΟΝΟΚΛΩΝΙΚΑ ΑΝΤΙΣΩΜΑΤΑ Εφαρμογές μονοκλωνικών αντισωμάτων Ανοσοδιαγνωστικά Μπορούν να ανιχνεύσουν στα υγρά του σώματος: ουσίες που είναι υπεύθυνες για ποικίλες ασθένειες παθογόνους μικροοργανισμούς τη διακύμανση της συγκέντρωσης διαφόρων προϊόντων του μεταβολισμού μπορεί να προοιωνίζει την πιθανότητα εμφάνισης μιας ασθένειας Γρήγορη, απλή, ευαίσθητη, ακριβής διάγνωση ασθενειών. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της ομάδας αίματος και την εξακρίβωση μιας πιθανής κύησης. μονοκλωνικά αντισώματα για ειδικές ορμόνες που παράγονται κατά την κύηση. Θεραπευτικά Θεραπεία του καρκίνου Τα καρκινικά κύτταρα έχουν μεγάλη ποικιλία αντιγόνων: καρκινικά αντιγόνα Κατασκευάζονται μονοκλωνικά αντισώματα για τα καρκινικά αντιγόνα Μπορούν να «μεταφέρουν» αντικαρκινικά φάρμακα Επιλογή συμβατών οργάνων για μεταμόσχευση Τα κύτταρα των οργάνων έχουν στην επιφάνειά τους ειδικά αντιγόνα επιφανείας. Με τα μονοκλωνικά αντισώματα γίνεται έλεγχος για συμβατότητα των οργάνων του δωρητή με του ασθενή. 6

7 ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ Πάνω από 4000 ασθένειες οφείλονται σε γονιδιακές μεταλλάξεις (ενός ή περισσότερων γονιδίων). Οι περισσότερες οφείλονται σε συνδυασμό γενετικών και περιβαλλοντικών παραγόντων (π.χ. ακτινοβολίες, χημικές ουσίες). Σχεδόν όλες προκαλούν δυσμορφίες. Το 80% προκαλούν διανοητική καθυστέρηση. Το 1/5 (20%) προκαλούν θάνατο στην παιδική ηλικία. Με την τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA και σε συνδυασμό με την παραδοσιακή Γενετική (γενεαλογικά δέντρα), εντοπίστηκαν οι θέσεις των μεταλλαγμένων γονιδίων στα χρωμοσώματα (χαρτογράφηση). π.χ. Κυστική ίνωση, ασθένεια του Huntington, μυϊκή δυστροφία Duchenne. Γονιδιακή θεραπεία: έχει στόχο να διορθώσει τη γενετική βλάβη εισάγοντας στους ασθενείς φυσιολογικά αλληλόμορφα του μεταλλαγμένου γονιδίου. Εφαρμόστηκε για πρώτη φορά το Σεπτέμβριο του 1990 σε ένα τετράχρονο κορίτσι που έπασχε από ανεπάρκεια του ανοσοποιητικού συστήματος. Έλλειψη του ενζύμου ADA (απαμινάση της αδενοσίνης), που παίρνει μέρος στο μεταβολισμό των πουρινών στα κύτταρα του μυελού των οστών. Οφείλεται σε μετάλλαξη του γονιδίου που παράγει το ένζυμο ADA. Εμφανίζει αυτοσωμικό υπολειπόμενο τύπο κληρονομικότητας. Οι ασθενείς πάσχουν από χρόνιες μολύνσεις, έχουν προδιάθεση για ανάπτυξη καρκίνου σε πολύ μικρή ηλικία, πολλοί πεθαίνουν ύστερα από λίγους μήνες ζωής. 7

8 ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ Παράδειγμα γονιδιακής θεραπείας Ένα παιδί έζησε εννιά χρόνια σε έναν πλαστικό θάλαμο, για να εμποδιστεί η επαφή του με τους ιούς, επειδή το ανοσοποιητικό του σύστημα δεν μπορούσε να τους καταπολεμήσει. Διαδικασία για τη γονιδιακή θεραπεία αυτής της ασθένειας: Λεμφοκύτταρα του παιδιού παραλαμβάνονται και πολλαπλασιάζονται σε κυτταροκαλιέργειες. Το φυσιολογικό γονίδιο της απαμινάσης της αδενοσίνης ενσωματώνεται σε έναν ιό-φορέα (αβλαβή) με τις τεχνικές του ανασυνδυασμένου DNA. Ο γενετικά τροποποιημένος ιός εισάγεται στα λεμφοκύτταρα. Τα τροποποιημένα λεμφοκύτταρα εισάγονται με ενδοφλέβια ένεση στο παιδί και παράγουν το ένζυμο ADA. Τα τροποποιημένα λεμφοκύτταρα δε ζουν για πάντα στον οργανισμό Η θεραπεία δεν είναι μόνιμη Χρειάζεται συνεχής έκχυση τέτοιων κυττάρων. Οι ασθενείς μπορούν να ζουν φυσιολογικά κάνοντας τη θεραπεία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Ex vivo θεραπεία. 8

9 ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ Δεν μπορούν να τροποποιηθούν τα κύτταρα όλων των οργάνων, π.χ. του πνεύμονα. Anderson κ.ά.: Ανέπτυξαν «έξυπνους» φορείς, οι οποίοι προσβάλλουν τα κύτταρα του ιστού που πάσχει. Τα φυσιολογικά γονίδια ενσωματώνονται σε μόρια-φορείς που εισάγονται κατευθείαν στον οργανισμό. In vivo θεραπεία (εφαρμόστηκε για τη θεραπεία της κυστικής ίνωσης το 1993). Κυστική ίνωση: οφείλεται σε μεταλλάξεις ενός γονιδίου που κωδικοποιεί μια πρωτεΐνη για τη σωστή λειτουργία των επιθηλιακών κυττάρων. Αυτοσωμική υπολειπόμενη κληρονομικότητα. Επηρεάζει πρωτίστως τη λειτουργία των πνευμόνων. Το αρχικό γονίδιο ενσωματώθηκε αρχικά σε έναν αδενοϊό. Ο ανασυνδυασμένος ιός εισήλθε στον οργανισμό με ψεκασμό (βρογχοσκόπιο) και μόλυνε τα κύτταρα του αναπνευστικού συστήματος. Το φυσιολογικό γονίδιο ενσωματώθηκε στο γονιδίωμά τους και παρήγαγε το φυσιολογικό προϊόν. Παρότι η γονιδιακή θεραπεία εμφανίζεται ως πανάκεια για την Ιατρική, η εφαρμογή θα καθυστερήσει μέχρι να ξεπεραστούν προβλήματα που αφορούν στη χρήση των φορεών: μπορεί να προκαλέσουν παρανέργειες και μερικές φορές και καρκίνο. ΠΡΟΣΟΧΗ!!! Δε γίνεται αντικατάσταση του μεταλλαγμένου γονιδίου, αλλά ενσωμάτωση του φυσιολογικού. ΔΕΝ ΚΛΗΡΟΝΟΜΕΙΤΑΙ 9

10 ΓΟΝΙΔΙΑΚΗ ΘΕΡΑΠΕΙΑ 10

11 ΤΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΓΟΝΙΔΙΩΜΑΤΟΣ Η αποκρυπρογράφηση της αλληλουχίας των βάσεων στον άνθρωπο ( ζεύγη) θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς έχει «κατασκευστεί» και λειτουργεί ο οργανισμός μας. 1986: ξεκίνησε μια διεθνής συνεργασία με σκοπό τη χαρτογράφηση. 1990: ξεκίνησε το πρόγραμμα υπό την αιγίδα του Εθνικού Ινστιτούτου Υγείας και του Τμήματος Ατομικής Ενέργειας των ΗΠΑ. Αρχικά υπήρχε εκτίμηση ότι θα ολοκληρωνόταν το Χάρη στην αυτοματοποίηση των εργαστηριακών μεθόδων ολοκληρώθηκε το Η ανάλυση του ανθρώπινου γονιδιώματος θα συμβάλει: Στη μελέτη της οργάνωσης και λειτουργίας του ανθρώπινου γονιδιώματος. Προσδιορίστηκε το σύνολο των γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες, οι ρυθμιστικές περιοχές των γονιδίων αυτών και οι περιοχές του γονιδιώματος με άγνωστη λειτουργία. 1990: εκτιμούσαν ότι περίπου γονίδια κωδικοποιούν πρωτεΐνες. Σήμερα: εκτιμάται ότι τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες είναι λιγότερα από Στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για τη διάγνωση και τη θεραπεία των ασθενειών με τον προσδιορισμό της θέσης και της αλληλουχίας των γονιδίων που έχουν μεταλλαχθεί και σχετίζονται με διάφορες ασθένειες. Στη μελέτη της εξέλιξης του ανθρώπινου γονιδιώματος. Βρίσκονται σε εξέλιξη προγράμματα για προσδιορισμού της αλληλουχίας άλλων ειδών, τα οποία θα συμβάλουν στην αποκάλυψη των εξελιγκτικών σχέσεων των ειδών. π.χ. σκύλος, αγελάδα, διάφορα έντομα, γεωσκώληκας, μικροοργανισμοί. Στη μαζική παραγωγή προϊόντων (Βιοτεχνολογία), μετά την απομόνωση των γονιδίων, που είναι χρήσιμα για τη φαρμακοβιομηχανία, βιομηχανία, γεωργία, κτηνοτροφία. 11