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Gentherapie und Genomics

Gentherapie und Genomics. Konteptvorlesung 17 Themenblock 7 Beda M. Stadler Institut für Immunologie. Diese Folien stehen auch als PPT Files zum download bereit unter: http://www.iib.unibe.ch/teaching/immed.htm. Einige der Folien werden als Illustration verwendet und sind nicht Lernstoff.

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Gentherapie und Genomics

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Presentation Transcript

  1. Gentherapie und Genomics Konteptvorlesung 17 Themenblock 7 Beda M. Stadler Institut für Immunologie Diese Folien stehen auch als PPT Files zum download bereit unter: http://www.iib.unibe.ch/teaching/immed.htm Einige der Folien werden als Illustration verwendet und sind nicht Lernstoff. Sie sind so wie hier entweder orange unterlegt oder umrandet KV 8.18

  2. Inhalt / Lernziele • Genomics • Begriffe: Transcriptomics, Proteomics, Structural Genomics, Knockout / transgene Tiemodelle, Comparative Genomics • Krankheitsallele aufspüren • Pharmacogenomics • Gentherapie • Keimbahn vs somatische Gentherapie • Vektoren der Gentherapie • Gentherapie Strategien und Beispiele KV 8.18

  3. organism genes base pairs Plant <50,000 <1011 Human 25,000 3×109 Fly 12,000 1.6×108 Honey bee 15,000 3×108 Worm 19,000 9.7×107 Fungus 6,000 1.3×107 Bacterium 500–6,000 5×105–107 Mycoplasma genitalium 500 580,000 DNA virus 10–900 5,000–800,000 RNA virus 1–25 1,000–23,000 Viroid 0–1 ~500 Es werden immer weniger Gene... KV 8.18

  4. Viel Genome sind sequenziert KV 8.18

  5. Sequenzierung& Analyse GENOMICS KV 8.18

  6. Commonly Used DNA Markers • RFLPs, or restriction fragment length polymorphisms, were among the first developed DNA markers. RFLPs are defined by the presence or absence of a specific site, called a restriction site, for a bacterial restriction enzyme. This enzyme breaks apart strands of DNA wherever they contain a certain nucleotide sequence. • VNTRs, or variable number of tandem repeat polymorphisms, occur in non-coding regions of DNA. This type of marker is defined by the presence of a nucleotide sequence that is repeated several times. In each case, the number of times a sequence is repeated may vary. • Microsatellite polymorphisms are defined by a variable number of repetitions of a very small number of base pairs within a sequence. Oftentimes, these repeats consist of the nucleotides, or bases, cytosine and adenosine. The number of repeats for a given microsatellite may differ between individuals, hence the term polymorphism--the existence of different forms within a population. • SNPs, or single nucleotide polymorphisms, are individual point mutations, or substitutions of a single nucleotide, that do not change the overall length of the DNA sequence in that region. SNPs occur throughout an individual's genome. KV 8.18

  7. Single NucleotidePolymorphism (SNPs) im menschlichen Genom > 2 Millionen SNPs93% der Gene enthalten SNP(s)98% der Gene nahe bei SNP KV 8.18 SNP Fact Sheet

  8. Beispiele genetischer Krankheiten • vererbt • X-linked • hemophilia A/B, Duchenne’s muscular dystrophy • autosomal rezessiv • Gaucher’s disease, cystic fibrosis • kausal • Huntington’s chorea, retinoblastoma • polygenetisch • diabetes mellitus, gout • erworben • Krebs • p53 mutations, BRCA-1, other tumor oncogenes • Atherosclerose • FHC, plaque disruption • Autoimmunerkrankungen KV 8.18

  9. Genomics: verwandte Gebiete • Transcriptomicsinvolves large‑scale analysis of messenger RNAs to follow when, where, and under what conditions genes are expressed. • Proteomics—the study of protein expression and function • Structural genomics generate the 3‑D structures of one or more proteins from each protein family, thus offering clues to function and biological targets for drug design. • Knockout and transgenic studiesare one experimental method for understanding the function of DNA sequences and the proteins they encode. • Comparative genomics—analyzing DNA sequence patterns of humans and well‑studied model organisms side‑by‑side. • Metabolomics - the analysis of small molecules, or metabolites, in biological samples KV 8.18 Human Genome Program, U.S. Department of Energy, Genomics and Its Impact on Medicine and Society: A 2001 Primer, 2001

  10. Transcriptomics mRNA Analyse (Genexpression) mit Methoden wie Northern Blotting oder Microarrays (siehe KV 2) KV 8.18

  11. Proteomics Genome/Transcriptome Proteome Modified Proteins DNA RNA Proteins Biological Function x 5 bis 50 funktionale Beziehungenpro Protein 30'000 Gene > 500'000 Proteine KV 8.18

  12. Structural Genomics Antikörperbindungsstelle mit und ohne Antigen (Hapten) KV 8.18

  13. Knockout / transgene Tiemodelle KV 8.18

  14. Comparative Genomics “Eisen results from Yeast” A. Cholesterol biosynthesis B. Cell cycle C. Immediate-early response D. Signalling and angiogenesis E. Wound healing & tissue remodelling KV 8.18

  15. Metabolomics KV 8.18

  16. Krankheitsallele aufspürenAmniozentese • Problem • Sensitivität • Spezifität KV 8.18

  17. Krankheitsallele aufspürenSouthern blotting bekannte Punktmutation Beispiel Sichelzellanämie drei Schnittstellen Restriktions- analyse Southern blot (Hybridisierung mit mark. Probe) Auftrennung nach Grösse KV 8.18

  18. Krankheitsallele aufspüren KV 8.18

  19. Pharmacogenomics KV 8.18

  20. Genomics und eine neue Medizin Auf die Gendiagnostik folgt die Gentherapie • bessere Diagnose • frühere Entdeckung genetischer Prädispositionen • rationales Drug Design • Gentherapie und Kontrollsysteme für Medikamente • personalisierte Medikamente KV 8.18 Human Genome Program, U.S. Department of Energy, Genomics and Its Impact on Medicine and Society: A 2001 Primer, 2001

  21. Definition und Ziel der Gentherapie Vektor (TherapeutischesGen) • Expression eines neuen Gens in einer Körperzelle damit die erworbenen Eigenschaften zu einen therapeutischen Erfolg beim Patienten führen • Mit einer einzelnen Administration eine lebenslange Rekonstitution des genetischen Defekts erreichen • Absolute Heilung KV 8.18

  22. Keimbahn vs somatische Gentherapie Keimbahntherapie I Keimbahntherapie II Somatische Gentherapie KV 8.18

  23. Gentherapie und Verfassung : • Keimbahntherapie • Die DNA der Gameten verändern • alle Nachkommen erhalten das veränderte Gen • Somatische Gentherapie • Nur die DNA von somatischen Zellen wird verändert • Nicht vererbar KV 8.18

  24. Noch in den Kinderschuhen KV 8.18

  25. Ernüchterung? KV 8.18

  26. Krankheiten im Fokus der Gentherapie KV 8.18

  27. Arten der Gentherapie DNA Virus Zelle Gen KV 8.18

  28. in vivo und ex vivo Gentherapie ex vivo in vivo • ex vivo (ausserhalb des Körpers) • transduzierte somatische or hämatopoietische Zellen • in situ (lokalisiert) • direkte Administration (z.B. In den Tumor, s/c Depot) • in vivo (ganzer Körper) • systemische Administration KV 8.18

  29. Vektoren • Jeder Carrier, der die Aufnahme der verändeten DNA oder ähnlicher Agentien in Zellen steigert • Virale Vektoren • Retroviren • Adenoviren • andere Viren • Nicht-Virale Vektoren • Liposomen • Genkanone • Injektion KV 8.18

  30. Anatomie eines Vektors Beginn der DNA Replikation Promotor selektierbare Marker induzierbare Elemente Affinitäts Reinigungs Tag multiple Klonierungsstellen Stabilisierungs und optimisierungs Elemente KV 8.18

  31. Viraler Vektor KV 8.18

  32. Adenovirus Vektor KV 8.18

  33. Injektion von “nackter” DNA KV 8.18

  34. Nicht-Virale Vektoren: Liposomen KV 8.18

  35. Gen-Targetting muss gelöst werden(Beipiele) Krankheit Zielzellen Gen Defekt • Thallassemie Erythrocyten -Hämoglobin • Haemophilie A Hepatocyten Faktor VIII • SCID Lymphocyten ADA Defizienz • CGD Mono/Neutro Cytochrome b, • LAD Mono/Neutro CD18 -subunit • Gaucher's Makrophagen Glucocerebrocidase • Hunter’s Makrophagen Iduronate Desulfatase • musculäre Dyst. Muskelz. Dystrophin • Zystische Fibros. Atemwegepithel CFTR KV 8.18

  36. Retrovirale Vektoren KV 8.18

  37. Beispiel: SCID (ADA) KV 8.18

  38. To integrate or not to integrate? KV 8.18

  39. Andere Vektoren am Horizont • Adeno-assozierte Viren • Vaccinia / Geflügelpocken • Herpesvirus • Lentivirus (HIV-attenuiert) KV 8.18

  40. Vektoren: Zusammenfassung KV 8.18

  41. verwendete Vektoren KV 8.18

  42. Gentherapie Strategien • Ersatz Gentherapie • Knockout Gentherapie • Selbstmord Gentherapie • Immunomodulatorische Gentherapie • RNA Interferenz Therapie KV 8.18

  43. Ersatz Gentherapie norm. Zelle: kein Effekt Wachstumsstop Tumorzelle Tumorsuppressor Gen (TSG) Apoptose Bystandereffekt KV 8.18

  44. Knockout (antisense) Gentherapie KV 8.18

  45. Selbstmord Gentherapie KV 8.18

  46. Beispiel: Selbstmord Gentherapie Thymidine kinase is introduced into tumor cells using a viral vector. Treatment with ganciclovir kills the tumor cells expressing thymidine kinase selectively. KV 8.18

  47. Immunomodulatorische Gentherapie1. Zytokine • The basic idea of immunotherapy is to • modify tumor cells outside the body with a cytokine gene • transplant the cytokine-gene modified cells back into the patient (after the cells have been irradiated to prevent further cell division) • let the host's system create an antitumor immune response KV 8.18

  48. Immunomodulatorische Gentherapie2. "altered self" Injection of a cell surface protein attracts immune system’s cytotoxic T cells to the site of a tumor. KV 8.18

  49. Immunutherapie mit nackter DNA KV 8.18

  50. RNA Interferenz Therapie • Inhibition of HIV infection • Cessation or lowering of antiviral chemotherapy! • Control of T-cell reduction • Restoration of T cell immunity • Clearance of HIV infected cells • Protection from OI Anti Virus Anti Rezeptor KV 8.18

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