From traditional medicine to personalized medicine

From prehistory, where medicine started began with plants, minerals and parts of animals; until today, medicine has evolved very quickly. Much of the “fault” of his fact is due to genetics, which allows us to talk about personalized medicine. In the following article we discuss this.

THE EVOLUTION OF DISEASES

To talk about medicine, we have first to know diseases. We cannot think that all diseases are genetic, but there are diseases related to anatomical changes, fruit of our evolution.

Chimpanzees are the closest animal to us, humans, with which we share 99% of our genome. Despite this, humans have very particular phenotypic characteristics as the brain most develop, both in size and expansion of the cerebral cortex; hairless sweaty skin, bipedal posture and prolonged dependence on offspring, allowing the transmission of knowledge for longer; among other.

Possibly, the bipedal position was key to the early development of the divergence between the chimpanzee lineage and that of humans; and is also the reason for the appearance of some diseases related to anatomical factors. Among them are hernias, haemorrhoids, varices, disorders of the spine, such as herniated intervertebral discs; osteoarthritis in the knee joint, uterine prolapse and difficulties in childbirth.

The fact that the pelvis was remodelled (Figure 1) and narrower resulted in obstetric problems millions of years later, when the brain expanded. Consequently, the skull as well. The heads of the foetuses were longer and larger, making birth difficult. This explains why the deliveries of humans are longer and longer compared to those of chimpanzees and other animals.

Figure 1. Comparison between human pelvis and chimpanzee pelvis in bipedal position (Source: Libros maravillosos – La especie elegida (capítulo 5))

The evolution towards modern life has behaved many changes in every way. In comparison to our hunter-gatherer ancestors (Figure 2), our diet has changed a lot and has nothing to do with what other primates eat. For the latter, the fruit represents most of the intake, but for us it is red meat. In addition, we are the only animals that continue to feed us milk after the lactation period.

Figure 2. Picture of hunter-gatherer humans (Source: Río Verde en la historia

If we add to the sedentary lifestyle and the limited physical activity of modern humans, it can help explain the seriousness and frequency of some modern human diseases.

Lifestyle can also affect us. For example, myopia, which rate is higher in western individuals who read a lot or do activities of near vision, compared to individuals of Aboriginal’s towns.

Another clear example is the alteration in the female reproductive stage. Currently, women have children more and more later. This is also linked to a decrease in the duration of breastfeeding. These changes, which can be considered socially positive, have negative effects on the health of the reproductive organs. It has been shown that the combination of early menarche, limited or no breastfeeding and later menopause are the main risk factors for breast and ovarian cancer.

Humans increasingly live more years and we want the best quality of life. It is easy for more longevity to appear more diseases, by the deterioration of the organism and its cells.

THE EVOLUTION OF MEDICINE

The history of medicine is the history of the struggle of men against disease and since the beginning of this century, is also the history of human effort to maintain health.

We have acquired the scientific knowledge of medicine based on observation and experience, but it has not always been so. Our ancestors experienced sickness and the fear of death before a rational picture could be made of them, and the medicine of that time was immersed in a system of beliefs, myths and rites.

However, in the last years it has been born personalized genomics, which tells you your risk factors. This opens a door to personalized medicine, which adjusts treatments to patients depending on their genome (Figure 3). It uses information from a person’s genes and proteins to prevent, diagnose and treat a disease, all thanks to the sequencing of the human genome.

Figure 3. Personalized medicine that treats people individually, according to their genome (Source: Indiana Institute of Personalized Medicine)

Molecular methods that make precision medicine possible include tests of gene variation, proteins, and new treatments targeting molecular mechanisms. With the results of these tests and treatments can determine the state of the disease, predict the future state of the disease, the response to the drug and treatment or even the role of the food we eat at certain times, which results of great help to the doctors to individualize the treatment of each patient.

To do this, we have within our reach the nutrigenetics and the nutrigenomics, that like the pharmacogenetics and the pharmacogenomics, they help the advance of a medicine is more and more directed. Therefore, these disciplines are today one of the pillars of personalized medicine since it involves treating each patient individually and tailor-made.

The evolution towards precision medicine is personalized, preventive, predictive and participatory. There is increasing access to information and the patient is more proactive, getting ahead of problems, preventing them or being prepared to deal with them efficiently.

REFERENCES

• Varki, A. Nothing in medicine makes sense, except in the light of evolution. J Mol Med (2012) 90:481–494
• Nesse, R. and Williams, C. Evolution and the origins of disease. Sci Am. (1998) 279(5):86-93
• Mackenbach, J. The origins of human disease: a short story on “where diseases come from”. J Epidemiol Community Health. (2006) 60(1): 81–86
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De la medicina tradicional a la medicina personalizada

Desde la prehistoria, donde la medicina tuvo sus comienzos con plantas, minerales y partes de animales; hasta día de hoy, la medicina ha evolucionado a pasos de gigante. Gran parte de la “culpa” de este hecho se la debemos a la genética, que nos permite hablar de medicina personalizada. De este tipo de medicina es de la que trata el siguiente artículo.

LA EVOLUCIÓN DE LAS ENFERMEDADES

Para hablar de medicina debemos conocer primero las enfermedades. Pero no podemos pensar que todas las enfermedades son genéticas, sino que existen enfermedades relacionadas con cambios anatómicos, fruto de nuestra evolución.

El chimpancé es el animal actual más cercano a nosotros, los humanos, con el que compartimos el 99% de nuestro genoma. A pesar de esto, los humanos tenemos características fenotípicas muy particulares como el cerebro más desarrollo, tanto a tamaño como a expansión de la corteza cerebral; piel sudorosa sin pelo, postura bípeda y dependencia prolongada de las crías, que permite la transmisión de conocimientos durante más tiempo; entre otras.

Posiblemente, la postura bípeda fue clave para que se produjera pronto la divergencia entre el linaje de chimpancé y el de humanos; y también es la razón de la aparición de algunas enfermedades relacionadas con factores anatómicos. Entre ellas encontramos hernias, hemorroides, varices, desórdenes de la columna, como hernias de los discos intervertebrales; osteoartritis en la articulación de la rodilla, prolapso uterino y dificultades en el parto.

El hecho de que la pelvis se remodelara (Figura 1) y fuera más estrecha resultó en problemas obstétricos millones de años después, cuando el cerebro se expandió y, por consecuencia, el cráneo también. Las cabezas de los fetos eran más largas y grandes dificultando el parto. Esto explica porque los partos de los humanos son más largos y prolongados en comparación con los de los chimpancés y otros animales.

Figura 1. Comparación de la pelvis en humanos y chimpancés en postura bípeda (Fuente: Libros maravillosos – La especie elegida (capítulo 5))

La evolución hacia la vida moderna nos ha comportado muchos cambios en todos los sentidos. En comparación con nuestros antepasados cazadores y recolectores (Figura 2), nuestra dieta ha cambiado mucho y no tiene nada que ver con lo que comen el resto de primates. Para estos últimos, la fruta representa la mayoría de la ingesta, pero para nosotros lo es la carne roja. Además, somos los únicos animales que seguimos alimentándonos de leche pasado el período de lactancia.

Figura 2. Imagen de humanos cazadores y recolectores (Fuente: Río Verde en la historia)

Si al cambio en la dieta le añadimos el sedentarismo y la poca actividad física de los humanos modernos, puede ayudar a explicar la gravedad y frecuencia de algunas enfermedades humanas modernas.

El estilo de vida también puede producirnos afectaciones. Por ejemplo la miopía, que su tasa es mayor en individuos occidentales que leen mucho o hacen actividades de visión cercana, en comparación a individuos de pueblos aborígenes.

Otro ejemplo claro es la alteración en la etapa reproductiva femenina. Actualmente las mujeres tienen hijos cada vez más tarde. Esto también va ligado a una disminución de la duración de la lactancia materna. Estos cambios, que socialmente se pueden considerar positivos, tienen efectos negativos sobre la salud de los órganos reproductivos. Está demostrado que la combinación de menarquia precoz, la lactancia limitada o inexistente y una menopausia más tardía son los principales factores de riesgo para cáncer de mama y ovario.

Los seres humanos cada vez vivimos más años y queremos la mejor calidad de vida. Es fácil que a mayor longevidad aparezcan más enfermedades, por el deterioro del organismo y de sus células.

LA EVOLUCIÓN DE LA MEDICINA

La historia de la medicina es la historia de la lucha de los hombres contra la enfermedad y, desde comienzos de este siglo, también es la historia del esfuerzo humano por mantener la salud.

Los conocimientos científicos de la medicina los hemos adquirido basándonos en la observación y en la experiencia, pero no siempre ha sido así. Nuestros antepasados experimentaron las enfermedades y el temor a la muerte antes de poderse hacer una imagen racional de ellas, y la medicina de entonces se hallaba inmersa en un sistema de creencias, mitos y ritos.

Pero en los últimos años ha nacido la genómica personalizada, que te dice tus factores de riesgo. Esto abre una puerta a la medicina personalizada, que ajusta los tratamientos a los pacientes dependiendo de su genoma (Figura 3). Utiliza la información de los genes y proteínas de una persona para prevenir, diagnosticar y tratar una enfermedad, y todo gracias a la secuenciación del genoma humano.

Figura 3. La medicina personalizada pretende tratar a las personas individualmente, según su genoma (Fuente: Indiana Institute of Personalized Medicine)

Los métodos moleculares que hacen posible la medicina de precisión, incluyen pruebas de variación de genes, proteínas y nuevos tratamientos dirigidos a mecanismos moleculares. Con los resultados de estas pruebas y tratamientos se puede determinar el estado de la enfermedad, predecir el estado futuro de la misma, la respuesta al medicamento y el tratamiento o, incluso, el papel de los alimentos que ingerimos en determinados momentos, lo que resulta de gran ayuda a los médicos a individualizar el tratamiento de cada paciente.

Para ello tenemos a nuestro alcance la nutrigenética y la nutrigenómica, que al igual que la farmacogenética y la farmacogenómica, ayudan al avance de una medicina cada vez más dirigida. Por lo tanto, estas disciplinas son hoy en día uno de los pilares de la medicina personalizada, ya que supone tratar cada paciente de forma individualizada y a medida.

La evolución hacia la medicina de precisión es personalizada, preventiva, predictiva y participativa. Cada vez hay más acceso a la información y el paciente es más proactivo, adelantándose a los problemas, previniéndolos o estar preparados para enfrentarlos eficientemente.

REFERENCIAS

• Varki, A. Nothing in medicine makes sense, except in the light of evolution. J Mol Med (2012) 90:481–494

• Nesse, R. and Williams, C. Evolution and the origins of disease. Sci Am. (1998) 279(5):86-93

• Mackenbach, J. The origins of human disease: a short story on “where diseases come from”. J Epidemiol Community Health. (2006) 60(1): 81–86
• Foto portada: Todos Somos Uno

How is genetic engineering done in plants?

For years, by crossing, scientists have achieved plants with a desired characteristic after many generations. Biotechnology accelerates this process and allows to catch only the desired genes from a plant, achieving the expected results in only one generation. Genetic engineering allows us to do all this. In this article I will explain what it is and how does it work.

WHAT IS GENETIC ENGINEERING?

Genetic engineering is a branch of biotechnology that consists in modifying hereditary characteristics of an organism by altering its genetic material. Usually it is used to get that certain microorganisms, such as bacteria or viruses, increase the synthesis of compounds, form new compounds or adapt to different environment.

It is a safer and more efficient tool for improving species than traditional methods (crossing) as it eliminates much of the randomness. On the other hand, modern biotechnology also becomes a new technology that has the power to modify the attributes of living organisms by introducing genetic material prepared in vitro.

It could be defined as the set of methodologies to transfer genes from one organism to another and express them (to produce proteins for which these genes encode) in different organisms of the original organism. DNA which combines fragments of different organisms is called recombinant DNA. Consequently, genetic engineering’s techniques are called recombinant DNA techniques.

Currently there are more plant organisms genetically modified than animal organisms. For this reason I will explain genetic engineering based on plants.

GENETIC ENGINEERING vs. TRADITIONAL METHODS

This methodology has 3 key advantages compared with traditional methods of genetic improvement based on hybridization:

• The genes could come from any specie (for example a bacteria’s gene can be incorporated in soy‘s genome).
• At genetically improved plant you may introduce a single new gene preserving the remaining genes from the original plant to their offspring.
• This modification process delays less the deadlines than improvement by crossbreeding.

With this way you can modify properties of plants more broadly, more accurate and faster.

In traditional crossing it generates a hybrid which combines randomly genes of both parental organisms, including the gene of interest encoding the desired trait. In contrast, biotechnology techniques only pass one or few genes which encode a specific trait known. The new plant has all the original genes of the plant and an introduced gene accurately and directed (Figure 1).

Figure 1. (A) Traditional method where, by crossing, a new variety is obtained. This carries the gene of interest (red), but also another genes randomly. (B) With genetic engineering we obtain a new variety of commercial plant with the gene of interest (red) of any other species (Source: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

METHODOLOGY OF GENETIC ENGINEERING

Obtaining a transgenic organism through genetic engineering techniques involves the participation of an organism who gives the gene of interest and a receptor organism who will express the desired quality. The steps and the process techniques are:

0/ DECIDE THE AIM: MAKE KNOCK IN OR KNOCK OUT

KNOCK OUT:

This technique is to remove the expression of a gene, replacing it with a mutated version of itself, this being a non-functional copy. It allows the gene is not expressed.

KNOCK IN:

It is the opposite of the knock out process. A gene is replaced by a modified version of itself, which produces a variation in the resulting function of it.

In medicine, the knock in technique has been used as a strategy to replace or mutate genes that cause diseases such as Huntington’s chorea, in order to create a successful therapy.

1/ DOUBLE CHECK THAT THERE IS A GENE CODING FOR THE CHARACTERISTIC OF INTEREST

Firstly, you have to check the characteristic of interest comes from a gene, as this will be easier to transfer to a living organism that does not.

2/ CLONING THE GENE OF INTEREST

It is a complex process, but outline the steps are the following:

• Extract DNA
• Find a gene among the genes of this DNA
• Sequence it
• Build the recombinant vector

The DNA of interest is inserted into a plasmid, a circular DNA molecule with autonomous replication. The plasmids of bacterial origin are the most used (Video 1).

Video 1. “Clonación de un gen en un plásmido vector”. Explaining the use of plasmids as a vector in the process of cloning (Source: YouTube)

The development of these techniques was possible by the discovery of restriction enzymes. These enzymes recognize specific sequences and cut the DNA by these points. The generated ends can be sealed with ligase enzyme and to obtain a new DNA molecule, it called recombinant DNA (Figure 2).

Figure 2. (1) Plasmid’s DNA (2) DNA from another living organism (3a, 3b) The restriction enzyme cuts DNA (4) The restriction enzyme recognizes AATT sequence and cuts between A and T nucleotides (5) The two DNAs are contacted with the purpose of forming recombinant molecules (6) A ligase enzyme joins the DNA ends (Source: GeoPaloma)

3/ CHARACTERISE GENE OF INTEREST

If we know the gene sequence we can compare this sequence with known gene sequence through bioinformatics, provided to determine which gene looks and assign a possible function. So when we have predicted the function of cloned gene we confirm it in vivo, usually transferring it to a model organism.

4/ MODIFY GENE OF INTEREST

We can add (promoter, introns…) or mutate sequences inside the encoding region.

5/ TRANSFORMATION OF A LIVING ORGANISM WITH GENE OF INTEREST

When we have finished the gene building with the desired gene and the promoter, the recombinant DNA is inserted into the cells of the living organism that we want to modify.

6/ CHARACTERIZATION GMO

When we already have the GMO (Genetically Modified Organism) it is analysed from the molecular and biological point. In the molecular analysis it must demonstrate if you have one or more copies of the transgene or how and what tissues the gene is expressed. In the biological analysis it looks if it achieves the objective for which it was designed.

REFERENCES

• Por qué biotecnología
• Cultivos Transgénicos: Introducción y Guía a Recursos
• Agricultura Transgénica
• Main picture: FarmacoSalud

¿Cómo se aplica la ingeniería genética en plantas?

Durante años, mediante el cruzamiento, se han conseguido plantas con una característica deseada después de muchas generaciones. La biotecnología acelera este proceso y permite a los científicos coger sólo los genes deseados de una planta, consiguiendo así los resultados esperados en una generación. La ingeniería genética nos permite hacer todo esto. En este artículo explicaré en qué consiste y su metodología.  

¿QUÉ ES LA INGENIERÍA GENÉTICA?

La ingeniería genética es una rama de la biotecnología que consiste en modificar las características hereditarias de un organismo mediante la alteración de su material genético. Habitualmente se utiliza para conseguir que determinados microorganismos, como bacterios o virus, aumenten la síntesis de compuestos, formen compuestos nuevos o se adapten a medios diferentes.

Es una herramienta más segura y más eficiente para el mejoramiento de especies que los métodos tradicionales (cruzamientos), ya que elimina gran parte de la aleatoriedad y del azar. Por otro lado, la biotecnología moderna también una deviene una nueva tecnología en disponer de la facultad de modificar los atributos de los organismos vivos mediante la introducción de material genético preparado in vitro.

Se podría definir como el conjunto de metodologías que permiten transferir genes de un organismo a otro y expresarlos (producir proteínas para las cuales estos genes codifican) en organismos diferentes al de origen. El ADN que combina fragmentos de organismos diferentes se llama ADN recombinante. Como consecuencia, las técnicas que utiliza la ingeniería genética se llaman técnicas de ADN recombinante.

A día de hoy hay muchos más organismos vegetales modificados genéticamente que no organismos animales. Por esta razón explicaré la ingeniería genética basándome en plantas.

INGENIERÍA GENÉTICA vs. MÉTODOS TRADICIONALES

Esta metodología tiene tres ventajas fundamentales respecto a las técnicas convencionales de mejora genética basadas en la hibridación:

• Los genes que se tienen que incorporar pueden venir de cualquier especie, emparentada o no (por ejemplo un gen de una bacteria se puede incorporar al genoma de la soja).
• A la planta mejorada genéticamente se le puede introducir un único gen nuevo preservando el resto de los genes de la planta original a su descendencia.
• Este proceso de modificación retrasa mucho menos los plazos que la mejora por cruzamiento.

De esta forma se pueden modificar propiedades de las plantas de manera más amplia, más precisa y más rápida.

Con el cruzamiento tradicional se genera un híbrido que combina al azar genes de los dos organismos parentales, entre ellos el gen de interés que codifica para el rasgo deseado. Con las técnicas de la biotecnología se pasan uno o algunos genes, que codifican una característica específica conocida. La planta nueva está integrada con todos los genes originales de la planta y un gen introducido de manera precisa y dirigida (Figura 1).

Figura 1. (A) Método tradicional donde, mediante el cruzamiento, se obtiene una nueva variedad. Ésta lleva el gen de interés (rojo) pero también otros genes al azar. (B) Con la ingeniería genética obtenemos una nueva variedad de la planta comercial con el gen de interés (rojo) de cualquier otra especie (Fuente: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

METODOLOGÍA DE LA INGENIERÍA GENÉTICA

La obtención de un organismo transgénico a través de técnicas de ingeniería genética implica la participación de un organismo que da el gen de interés y un organismo receptor del gen que expresará la nueva característica deseada. Las etapas y técnicas del proceso son las siguientes:

0/ DECIDIR EL OBJETIVO: REALIZAR UN KNOCK-IN O UN KNOCK-OUT

Técnica KNOCK-OUT:

El bloqueo de genes o knock-out es la técnica que consiste en suprimir la expresión de un gen, sustituyéndolo por una versión mutada de sí mismo, siendo esta copia no funcional. Esta técnica permite hacer que un gen se deje de expresar.

Técnica KNOCK-IN:

La técnica del knock-in es el proceso opuesto al del knock-out. Se remplaza un gen por una versión modificada de sí mismo, el cual produce una variación en la función resultante de éste.

En el ámbito de la medicina, el knock-in de genes se ha aplicado como estrategia para sustituir o mutar los genes que causan enfermedades como la Corea de Huntington, con el fin de ayudar a crear una terapia exitosa.

1/ CORROBORAR QUE EXISTE UN GEN QUE CODIFICA PARA LA CARACTERÍSTICA DE INTERÉS

Primero se tiene que comprobar que la característica que interesa proviene de un gen, ya que así será más fácil transferirla a un organismo que no la tenga.

2/ CLONAR EL GEN DE INTERÉS

Es un proceso complejo, pero a rasgos generales los pasos que se siguen son los siguientes:

• Extraer el ADN
• Buscar un gen entre todos los genes de este ADN
• Secuenciarlo
• Construir el vector recombinante

El ADN de interés se inserta en un plásmido, una molécula de ADN circular con replicación autónoma. Los más utilizados son los plásmidos de origen bacteriano (Video 1).

Video 1. “Clonación plásmido traducido”. Explicación de la utilitzación de plàsmidos en el proceso de clonación  como vector (Font: YouTube)

El desarrollo de estas técnicas fue posible gracias al descubrimiento de las enzimas de restricción. Estas enzimas reconocen secuencias específicas, de pocas bases, y cortan por este punto el ADN. Los extremos generados se pueden sellar con la enzima ligasa y obtener así una nueva molécula de ADN, nombrada recombinante (Figura 2).

Figura 2. (1) ADN del plásmido. (2) ADN de otro organismo. (3a, 3b) Se corta el ADN con una enzima de restricción. (4) La enzima de restricción reconoce la secuencia AATT y corta entre los nucleótidos A y T de las cadenas de ADN. (5) Se ponen en contacto los dos ADN para que se formen moléculas recombinantes. (6) Una enzima ligasa une los extremos del ADN con tal de tener una nueva molécula (Fuente: GeoPaloma)

3/ CARACTERIZAR EL GEN DE INTERÉS

Conociendo la secuencia del gen se puede comparar con esta secuencia con la de genes ya conocidos a través de la bioinformática, con tal de determinar a qué gen se parece y asignarle una posible función. Después de haber predicho la función del gen clonado se confirma la función in vivo, normalmente transfiriéndolo a un organismo modelo.

4/ MODIFICAR EL GEN DE INTERÉS

Si se desea se puede agregar (promotor, intrones…) o mutar secuencias dentro de la región codificante para que se puede expresar en el sistema de interés.

5/ TRANSFORMACIÓN DE UN ORGANISMO CON EL GEN DE INTERÉS

Una vez finalizada la construcción genética con el gen y el promotor deseado, se inserta el ADN recombinante a las células del individuo que se quiere modificar.

6/ CARACTERIZACIÓN DEL OGM

Cuando ya se tiene el OGM (Organismo Genéticamente Modificado) se analiza desde el punto de vista molecular y biológico. En el análisis molecular se tiene que demostrar, entre otros, si tiene una (o más) copias del transgen o como y a qué tejidos se expresa el gen. En el análisis biológico se mira si cumple el objetivo por el cual se ha diseñado.

REFERENCIAS

• Por qué biotecnología
• Cultivos transgénicos: Introducción y Guía a Recursos
• Agricultura Transgénica
• Foto portada: FarmacoSalud

Nutritional genomics: À la carte menu

When Hipprocrates said “let food be your medicine and medicine be your food” he knew that food influences our health. And it tells us that nutritional genomics, which I will discuss in this article; a new science appeared in the post genomic era as a result of the sequencing of human genome (all DNA sequences that characterize an individual) and the technological advances that allow the analysis of large amounts of complex information.   

WHAT IS NUTRITIONAL GENOMICS?

The aim of nutritional genomics is to study the interactions of genes with elements of the human diet, altering cellular metabolism and generating changes in the metabolic profiles that may be associated with susceptibility and risk of developing diseases.

This study wants to improve the health and to prevent diseases based on changes in nutrition. It is very important not understand nutritional genomics how that specific food or nutrients cause a particular answer to certain genes.

When we talk about diet we have to distinguish between what are nutrients and what are food. Nutrients are compounds that form part of our body, while foods are what we eat. Food can take many nutrients or only one (such as salt).

NUTRIGENOMICS vs. NUTRIGENETICS

Within nutritional genomics we find nutrigenomics and nutrigenetics, but although their names we may seem to mean the same is not the case (Figure 1).

Nutrigenomics is the study of how foods affect our genes, and nutrigenetics is the study of how individual genetic differences can affect the way we respond to nutrients in the foods we eat.

Figure 1. Schematic representation of the difference between nutrigenomics and nutrigenetics (Source: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

NUTRIGENOMICS IN DETAIL

Nutrients can affect metabolic pathways and homeostasis (balance) of our body. If this balance is disturbed chronic diseases or cancer may appear, but it can also happen that a disease, which we have it, be more or less severe. It means that impaired balance can give the appearance, progression or severity of diseases.

The aim of nutrigenomics is that homeostasis is not broken and to discover the optimal diet within a range of nutritional alternatives.

Thus, it avoids alterations in genome, in epigenome and/or in expression of genes.

ALTERATIONS IN GENOME

Free radicals are subproducts that oxidise lipids, proteins or DNA. These can be generated in mitochondria, organelles that we have inside cells and produce energy; but we can also incorporate from external agents (tobacco, alcohol, food, chemicals, radiation).

In adequate amounts they provide us benefits, but too much free radicals are toxic (they can cause death of our cells).

Antioxidants neutralize free radicals. But where can we get these antioxidants? There are foods that contain them, as Table 1 shows.

Table 1. Example of antioxidants and some foods where we can find them (Source: ZonaDiet)

The way we cook food or cooking is important for avoid to generate free radicals. In barbecues, when we put the meat on high heat, fats and meat juices fall causing fire flames. This produces more flame and it generates PAHs (a type of free radicals). These adhere to the surface of the meat and when we eat it can damage our DNA.

ALTERATIONS IN EPIGENOME

Epigenome is the global epigenetic information of an organism, ie, changes in gene expression that are inheritable, but they are not due to a change in DNA sequence.

Epigenetic changes may depend on diet, aging or drugs. These changes would not have to exist lead to diseases as cancer, autoimmune diseases, diabetes…

For example, with hypomethylation, in general, cytosines would have to be methylated are not. What does it mean? Hypomethylation silenced genes and then, they cannot be expressed. Therefore, we need methylated DNA. A way of methylate DNA is eating food rich in folic acid.

ALTERATIONS IN GENE EXPRESSION

There are agents (UV rays) that activate pathways that affect gene expression. Occurring a cascade that activates genes related to cell proliferation, no differentiation of cells and that cells survive when they should die. All this will lead us cancer.

It has been found that there are foods which, by its components, can counteract activation of these pathways, preventing signal transduction is given. For example curcumin (curry), EGCG (green tea) or resveratrol (red wine).

 REFERENCES

• The NCMHD Center of Excellence for Nutritional Genomics
• Michael Müller’s Laboratory
• Documentos TV: La Alimentación del Futuro
• M. Müller, S. Kersten. Nutrigenomics: Goals ans Strategies. Nature Reviews Genetics 2003; 4, 315-322
• J. Kaput, R.L. Rodríguez. Nutritional Genomics: the Next Frontier in the Postgenomic Era. Physiol Genomics 2004; 16, 166-177
• J.M. Ordovas, D. Corella. Nutritional Genomics. Annu Rev Genomics Hum Genet 2004; 5, 71-118
• Portal Antioxidantes
• Main picture: The Pu·rée

Genómica nutricional: Alimentación a la carta

Cuando Hipócrates dijo “que tu alimento sea tu medicina, y que tu medicina sea tu alimento” ya sabía que la alimentación influye en nuestra salud. Y de esto nos habla la genómica nutricional, de la cual hablaré en este artículo; una nueva ciencia aparecida en la era post genómica, consecuencia de la secuenciación del genoma humano (todas las secuencias de ADN que caracterizan a un individuo) y los avances tecnológicos que permiten el análisis de grandes cantidades de información compleja.

¿EN QUÉ CONSISTE LA GENÓMICA NUTRICIONAL?

El objetivo de la genómica nutricional es estudiar las interacciones de los genes con elementos de la dieta humana, modificando el metabolismo celular y generando cambios en los perfiles metabólicos que pueden estar asociados a la susceptibilidad y al riesgo de desarrollar enfermedades.

Este estudio pretende mejorar la salud y prevenir enfermedades basándose en cambios en la nutrición. Es importante no entenderlo como que los alimentos o nutrientes específicos causan una respuesta determinada a ciertos genes.

Tenemos que distinguir entre lo que son los nutrientes y los alimentos cuando hablamos de dieta. Los nutrientes son los compuestos que formaran parte de nuestro cuerpo, mientras que los alimentos son lo que ingerimos. Estos pueden llevar muchos nutrientes o sólo uno (como la sal).

NUTRIGENÓMICA vs. NUTRIGENÉTICA

Dentro de la genómica nutricional encontramos la nutrigenómica y la nutrigenética, pero aunque por sus nombres nos pueda parecer que quieren decir lo mismo no es así (Figura 1).

La nutrigenómica estudia cómo los alimentos afectan a nuestros genes y a su expresión. En cambio, la nutrigenética estudia cómo los polimorfismos genéticos condicionan como uno mismo reacciona frente a los alimentos.

Figura 1. Representación esquemática de la diferencia entre nutrigenómica y nutrigenética (Fuente: Mireia Ramos, All You Need is Biology)

LA NUTRIGENÓMICA EN DETALLE

Los nutrientes pueden afectar a las vías metabólicas y a la homeostasis (equilibrio) de nuestro cuerpo. Si se altera este equilibrio pueden aparecer enfermedades crónicas o cáncer, pero también puede pasar que una enfermedad que ya tengamos sea más o menos grave. Es decir, la alteración del equilibrio puede dar lugar a la aparición, progresión o gravedad de enfermedades.

El objetivo de la nutrigenómica es que no se rompa la homeostasis y descubrir la dieta óptima dentro de una serie de alternativas nutricionales.

Así pues, evitará alteraciones en el genoma, en el epigenoma y/o en la expresión de los genes.

ALTERACIONES EN EL GENOMA

Los radicales libres son subproductos que oxidan lípidos, proteínas o ADN. Estos se pueden generar en las mitocondrias, unos orgánulos que tenemos dentro de las células y producen energía; pero también podemos incorporarlos por agentes externos (tabaco, alcohol, alimentación, productos químicos, radiación).

En cantidades adecuadas nos aportan beneficios, pero en exceso son tóxicos (pueden producir la muerte de nuestras células).

Los antioxidantes neutralizan los radicales libres. Pero ¿dónde podemos conseguir estos antioxidantes? Hay alimentos que los contienen, como nos muestra la Tabla 1.

Tabla 1. Ejemplo de antioxidantes y algunos alimentos donde los podemos encontrar (Fuente: ZonaDiet)

La manera como cocinamos los alimentos o su cocción es importante para que no se nos generen radicales libres. En las barbacoas, al poner la carne al fuego vivo, las grasas y jugos de la carne caen al fuego causando llamas. Esto produce más llama y se generan PAH (un tipo de radicales libres). Éstos se adhieren a la superficie de la carne y al comérnosla nos puede provocar daño en nuestro ADN.

ALTERACIONES EN EL EPIGENOMA

El epigenoma es la información epigenética global de un organismo, es decir, los cambios en la expresión de los genes que son heredables, pero que no son debidos a un cambio en la secuencia de ADN.

Los cambios epigenéticos pueden depender de la dieta, el envejecimiento o fármacos. El hecho de que se produzcan cambios que no tendrían que estar da lugar a enfermedades como cáncer, enfermedades autoinmunes, diabetes…

Por ejemplo, cuando tenemos hipometilación, en general, las citosinas que tendrían que estar metiladas no lo están. ¿Qué significa esto? La hipometilación silencia genes y hace que no se puedan expresar. Por lo tanto, necesitamos que el ADN esté metilado. Una forma de metilarlo es con alimentos ricos en ácido fólico.

ALTERACIONES EN LA EXPRESIÓN GÉNICA

Hay agentes, como los rayos UV, que activan vías que afectan la expresión génica. Se produce una cascada que activa genes relacionados con la proliferación celular, no diferenciación de las células y que las células sobrevivan cuando tendrían que morir. Todo esto nos provocará cáncer.

Se ha visto que hay alimentos que, por sus componentes, pueden contrarrestar la activación de estas vías, impidiendo que la transducción de señales se dé. Por ejemplo la curcumina (curri), EGCG (té verde) o resveratrol (vino negro).

REFERENCIAS

• The NCMHD Center of Excellence for Nutritional Genomics
• Michael Müller’s Laboratory
• Documentos TV: La Alimentación del Futuro
• M. Müller, S. Kersten. Nutrigenomics: Goals ans Strategies. Nature Reviews Genetics 2003; 4, 315-322
• J. Kaput, R.L. Rodríguez. Nutritional Genomics: the Next Frontier in the Postgenomic Era. Physiol Genomics 2004; 16, 166-177
• J.M. Ordovas, D. Corella. Nutritional Genomics. Annu Rev Genomics Hum Genet 2004; 5, 71-118
• Portal Antioxidantes
• Foto portada: The Pu·rée

Why I look similar to my parents?

The reason of the similitude with our parents is genetics. This science studies the inheritance; it means how offspring resemble their parents, the diseases that are transmitted from generation to generation… It is biology’s discipline growing quickly and it affects biology, healthy and society in general. In this article I am going to talk about what is genetics and the DNA’s discovery.

HOW GENETIC INFORMATION IS INHERITED?

The genetic information is inherited to the offspring by genes, which are the storage unit of this information. They are located inside the chromosomes and they occupy specific positions. The number of chromosomes is constant inside species, but different between other species.

In humans the number of chromosomes is 46. In each cell we have 46 chromosomes, which 44 are autosomal, i.e., not a chromosome sexual and 2 chromosomes sexual. The total of 46 chromosomes is the human genome.

Our genome consist of 2 sets of 23 chromosomes counterparts. This means that each set have the same characteristics respect the other set and one comes from our mother by ovum and the other one comes from our father by sperm (Figure 1). Inherit each set of our progenitor is the reason why we resemble they, but also is via that we inherit some genetic diseases.

Figure 1. Human female karyotype, i.e., the graphical representation of chromosomes. They are placed in pairs sorted and size, from the largest to the pair smaller, plus the sex chromosomes (Source: Mireia Ramos, Cerba Internacional SAE)

CHEMISTRY OF GENES

Genes are parts of DNA (deoxyribonucleic acid), comprising by the join of small molecules that called nucleotide. These nucleotides contain a pentose (compound of 5 carbon), a phosphate and a nucleobase (organic compound with an atom of nitrogen) (Figure 2). There are 4 nucleobase: two purines (adenine and guanine) and two pyrimidines (thymine and cytosine). These nucleobases distinguish each nucleotide and their arrangement constitutes the genetic code.

Figure 2. Details of the chemistry of DNA (Source: Eduredes: Los ácidos nucleicos)

But all knowledge about DNA and genes is recent. The structure of DNA was discovered by James Watson and Francis Crick in 1953 in Cambridge (Figure 3). Previously, other scientists had done studies to try to determine the similarity between relatives, but it was not until this discovery it was understood that there was chemistry behind it.

Figure 3. Francis Crick (right) and James Watson (left) with the construction of the structure of DNA (Source: The DNA store)

THE BEGINNING OF THEIR STORY

Watson, an American 23 year-old biologist, and Crick, an English 35 year-old physicist, worked in the Cavendish Laboratory in Cambridge. They spent many months building models of molecules and comparing them to the information they had, but still they couldn’t find the correct structure of DNA.

In the King’s College of London, the physicist Maurice Wilkins and Rosalind Franklin, another physicist with knowledge in crystallography. She took X-ray pictures of DNA (Figure 4).

Figure 4. The four people who contributed to the discovery of DNA (Source: Biology: The people responsible for the discovery of DNA)

Watson and Crick, after present a wrong model of the triple helix, told Maurice Wilkins about what they were trying to do and he showed them a new and better X-ray picture of DNA, which had been taken by Rosalind Franklin, without her permission. This was the picture number 51 to help them solve the mystery (Figure 5).

Figure 5. Explanation of picture 51 that used Watson and Crick (Source: Seguramente estaré equivocado: La “fotografía 51”)

When the university’s Cavendish Laboratory was still at its old site at nearby Free School Lane, the pub was a popular lunch destination for staff working there. Thus, it became the place where Francis Crick interrupted patrons’ lunchtime on 28th February 1953 to announce that he and James Watson had “discovered the secret of life” after they had come up with their proposal for the structure of DNA. This day is called for someone the 8^th day of Creation.

The 25^th April 1953 it published their article with 900 words in Nature (Figure 6). Three years earlier had published law Chargaff, which was one of the foundations to apply the theory of the double helix of DNA. This law establishes the complementarity of the bases in DNA, i.e., adenine (A) pairs with thymine (T) and the same with guanine (G) and cytosine (C) (Figure 2). So the amount of purine (A and G) is equal to the amount of the pyrimidine (T and C).

Figure 6. Article published in the journal Nature, which shows the picture 51 (Source: The DNA store)

THE IMPORTANCE OF GENETICS

It has been argued that the discovery of DNA as well as our understanding of its structure and function may well be the most important discovery of the last century. The effect of the discovery of DNA on scientific and medical progress has been enormous, whether it involves the identification of the genes that trigger major diseases or the creation and manufacture of drugs to treat these devastating diseases. In fact, the identification of these genes and their subsequent analysis in terms of therapeutic treatment has ultimately influenced science and will continue to do so in the future.

While the discovery of DNA has been a significant one in the twentieth century, it will continue to revolutionize medicine, agriculture, forensics, paternity and many other important fields in society today. DNA research encompasses an evolving area of progress and continued funding and interest in its relevance will likely fuel new discoveries in the future.

REFERENCES

• Course notes of Genetics, Bachelor’s Degree (UAB)
• Universitat Autònoma de Barcelona: Genetic’s Degree
• Proyecto Biosfera: La materia viva
• The Guardian: DNA double helix
• Explore DNA

¿Por qué me parezco a mis padres?

Que nos parezcamos a nuestros padres se debe a la genética. Ésta, es la ciencia que estudia la herencia, es decir, como los hijos se parecen a sus padres, las enfermedades que pasan de una generación a otra… Es una disciplina de la biología en crecimiento, que ha experimentado una expansión acelerada y está afectando de manera decisiva la biología, la salud y la sociedad en general. En este artículo os hablaré sobre qué es la genética y el gran descubrimiento del ADN.

¿CÓMO SE HEREDA LA INFORMACIÓN GENÉTICA?

La información genética se transmite a la descendencia gracias a los genes, que son la unidad de almacenamiento de esta información. Se localizan dentro de los cromosomas y ocupan posiciones concretas. El número de cromosomas es constante dentro de una especie, pero diferente entre otras.

En la especie humana el número de cromosomas es de 46. En cada célula tenemos 46 cromosomas, de los cuales 44 son autosómicos, es decir, cromosomas no sexuales, y 2 que sí que lo son. El conjunto de los 46 cromosomas es lo que llamamos genoma humano.

Nuestro genoma, en realidad está formado por 2 juegos de 23 cromosomas homólogos. Esto significa que los dos juegos tienen las mismas características y uno proviene de nuestra madre a través del óvulo y el otro proviene de nuestro padre a través del espermatozoide (Figura 1). Heredar cada juego de nuestros progenitores es lo que hace que nos parezcamos a ellos, pero también es el medio por el cual podemos heredar algunas enfermedades.

Figura 1. Cariotipo humano femenino, es decir, la representación gráfica de los cromosomas. Se colocan ordenados por parejas y tamaño, desde el par más grande hasta el más pequeño, más los cromosomas sexuales (Fuente: Mireia Ramos, Cerba Internacional SAE)

LA QUÍMICA DE LOS GENES

Los genes corresponden a regiones del ADN (ácido desoxirribonucleico), formado por la unión de pequeñas moléculas que se llaman nucleótidos. Estos nucleótidos están formados por una pentosa (compuesto de 5 carbonos), un fosfato y una base nitrogenada (compuesto orgánico con un átomo de nitrógeno) (Figura 2). Hay 4 bases nitrogenadas: dos purinas (adenina y guanina) y dos pirimidinas (timina y citosina). Estas bases nitrogenadas son las que diferencian los nucleótidos y su ordenación constituye el código genético.

Figura 2. Detalle de la química del ADN (Fuente: Eduredes: Los ácidos nucleicos)

Pero todo lo que se conoce sobre el ADN y los genes es reciente. La estructura del ADN fue descubierta por James Watson y Francis Crick el 1953 en Cambridge (Figura 3). Anteriormente se habían hecho estudios para intentar averiguar el parecido entre familiares, pero no fue hasta este descubrimiento que se entendió la química que había detrás.

Figura 3. Francis Crick (derecha) y James Watson (izquierda) con la construcción de la estructura del ADN (Fuente: The DNA store)

EL PRINCIPIO DE SU HISTORIA

Watson, un biólogo americano de 23 años, y Crick, un físico inglés de 35 años, trabajaban juntos en el Laboratorio Cavendish en Cambridge. Pasaron muchos meses construyendo modelos de moléculas y comparándolos con la información que tenían, pero no encontraban la estructura correcta del ADN.

En el King’s College de Londres trabajaban el físico Maurice Wilkins y Rosalind Franklin, una fisicoquímica con formación en cristalografía. Ella hacía fotografías de ADN con rayos X (Figura 4).

Figura 4. Las 4 personas que contribuyeron al descubrimiento del ADN (Fuente: Biology: The people responsible for the discovery of DNA)

Watson y Crick, después de presentar el modelo erróneo de la triple hélice, hablaron con Maurice Wilkins pidiéndole ayuda y él les mostró una nueva y mejor fotografía del ADN hecha con rayos X, que le había proporcionado Rosalind Franklin, pero sin que ella lo supiera. Ésta era la fotografía número 51 y Watson y Crick la utilizaron para resolver el misterio (Figura 5).

Figura 5. Explicación de la fotografía 51 que utilizaron Watson y Crick. Primero, una cadena de ADN fue estirada a través de un clip, encima de un trozo de corcho. Después, los rayos X pasaron a través de la cadena de ADN y la difracción fue capturada en papel, creando la foto 51. Finalmente, la “X” en el centro de esta foto es causada por la forma de hélice de las moléculas de ADN de la muestra (Fuente: Seguramente estaré equivocado: La “fotografía 51”)

Cuando el Laboratorio Cavendish todavía se encontraba cerca del Free School Lane, el pub The Eagle era una destinación popular para el personal que trabajaba ahí para ir a comer. El 28 de febrero de 1953, Francis Crick interrumpió la hora de comer de los clientes para anunciar que él y James Watson habían “descubierto el secreto de la vida” después de llegar con su propuesta definitiva de la estructura del ADN. Este día es llamado por algunos como el octavo día de la creación. James Watson dijo que una estructura tan bonita por fuerza tenía que existir, refiriéndose a la estructura de doble hélice del ADN. También dijo que antes pensábamos que nuestro futuro estaba en las estrellas, pero ahora sabemos que está en nuestros genes.

El 25 de abril de 1953 se publicó el artículo, de 900 palabras, firmado por Watson y Crick sobre su descubrimiento en la revista Nature (Figura 6). Tres años antes se publicó la ley de Chargaff, que fue una de las bases para postular la teoría de la doble hélice del ADN. Esta ley establece la complementariedad de las bases nitrogenadas en el ADN, es decir, la base adenina (A) se apareja con la base timina (T) y lo mismo pasa con la guanina (G) y la citosina (C) (Figura 2). De manera que la suma de bases nitrogenadas púricas (A y G) es igual a la suma de las pirimidínicas (T y C).

Figura 6. Artículo publicado en la revista Nature, donde se muestra la fotografía 51 (Fuente: The DNA store)

IMPACTO DE LA GENÉTICA HOY EN DÍA

Se ha argumentado que el descubrimiento del ADN, así como la comprensión de su estructura y función, puede ser el descubrimiento más importante del siglo pasado. El efecto del descubrimiento del ADN en el progreso científico y médico ha estado enorme, como el de la creación y fabricación de medicamentos para tratar estas enfermedades devastadoras. De hecho, la identificación de estos genes y su posterior análisis, en términos de tratamiento terapéutico, han influido en última instancia en la ciencia y seguirán haciéndolo en el futuro.

Mientras el descubrimiento del ADN ha estado significado en el siglo XX, continua revolucionando la medicina, la agricultura, las ciencias forenses, la paternidad y muchos otros campos en la sociedad hoy en día. La investigación del ADN abarca un área de evolución del progreso y la continuación del financiamiento e interés por su relevancia probablemente impulsará nuevos descubrimientos en el futuro.

REFERENCIAS

• Apuntes de la asignatura “Genética” del Grado en Genética (UAB)
• Universitat Autònoma de Barcelona: Grado en Genética
• Proyecto Biosfera: La materia viva
• The Guardian: DNA double helix
• Explore DNA