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Genes modificadores en enfermedades
monogénicas: la hemofilia y la atrofia
muscular espinal como ejemplos
TRANSFORMANDO LAS
ENFERMEDADES
MONOGENICAS EN COMPLEJAS
Eduardo Tizzano
Departmento de Genética
Hospital Sant Pau, Barcelona
TIPOS DE ENFERMEDAD GENETICA
MONOGENICAS
PRODUCIDAS POR LA MUTACIÓN EN UN GEN MAYOR
NUCLEO
MITOCONDRIAS
CROMOSOMICAS
EXCESO O DÈFICIT DE GENES CONTENIDOS EN UN SEGMENTO
O TODO UN CROMOSOMA
MULTIFACTORIALES
RESULTADO DE LA COMBINACION DEL EFECTO DE GENES Y
EL MEDIO AMBIENTE
MONOGENICOS
GEN
mRNA
PROTEINA
FENOTIPO
Enfermedades Genéticas
Monogénicas o
Mendelianas
Patrones de herencia
Autosómica Dominante
Autosómico Recesivo
Ligada al X
MULTIFACTORIALES
Varios genes
M
e
d
i
o
a
m
b
i
e
n
t
e
Varios RNA
Varias
PROTEINAS
FENOTIPO
M
e
d
i
o
a
m
b
i
e
n
t
e
ORGANISM
SYSTEM
ORGAN
TISSUE
CELL
GENE
¿CUÁNDO SOSPECHAR LA INFLUENCIA DE GENES
MODIFICADORES EN UNA ENFERMEDAD
MONOGÉNICA?
Cuando el genotipo por sí solo no explica los cambios en el
fenotipo, es decir correlación genotipo-fenotipo incompleta.
Cuando el efecto del medio ambiente sobre ese fenotipo no
es claro o determinante.
Es decir, casi siempre.
Secuencia
del gen
o suUN
RNAGEN ESTA
EL EFECTO
FINAL
DE
Factores EPIGENETICOS
INFLUENCIADO
POR
METABOLISMO Y DEGRADACION DE LA PROTEINA
GENES MODIFICADORES
FACTORES AMBIENTALES
Hemofilias
• Déficit de factor VIII (HA) y IX (HB)
• Ambos genes localizados en el brazo largo del
cromosoma X
• Grave (0-1%), moderada (2-5%), leve (530%) de acuerdo a los niveles de actividad de
los respectivos factores
Hemofilias
• Mas de la mitad de los pacientes con HA
grave tienen rearreglos estructurales
(inversiones intron 22 e intron 1)
• En el resto se han descrito más de 500
mutaciones diferentes
• En la hemofilia B no se han descubierto
mutaciones recurrentes como las inversiones
de la hemofilia A
GEN INTACTO
Exón 26
Exón 1
GRAN DELECION (EXON 14)
Exón 1
Exón 13
Exón 15
Exón 26
INVERSION INTRON 22
Exón 22
Exón 23
Exón 1
INVERSION INTRON 1
Exón 1
Exón 2
Exón 26
Exón 26
Cuadro clínico de la Hemofilia A
Clasificación Valor del FcVIII
GRAVE
1% del normal
Hemorragia espontánea
desde la infancia.
Frecuencia
60%
Hemartrosis recurrente.
0,01 U/ mL
2 a 5% del
normal
MODERADO
Cuadro Clínico
0,01-0,05 U/ mL
Hematomas gigantes.
Hemorragias secundarias
a traumatismos.
15%
Hemartrosis ocasional.
Hematomas rara vez.
LEVE
6 a 30% del
normal
0,05-0,4 U/mL
Hemorragias secundarias
a traumatismos graves o
cirugía
25%
EPISODIOS DE HEMORRAGIAS
CONSUMO DE FACTORES DE REEMPLAZO
NUMERO DE ARTROPATIAS
Observaciones
• En los hemofílicos graves se pensó que
sangraban de manera diferente por el tipo de
mutación en el factor VIII
• Posteriormente se observó que los pacientes
con inversiones también sangraban de
maneras diferentes
TF + VIIa
II
X
XI
VIIIa
Va
Xa
Va
IIa
IX
IIa
XIIa
Initial reaction
TFPI
VIIa
IXa
VIIIa
X
Va
Xa
IIa
AT
PC
Thrombus
Haemostatic clot
Spread stage
XIa
FVL
• Gen del Factor V en el cromosoma 1
– Sustitución de una G  A en nucleótido 1691
 Arginina506Glutamina (FVLeiden)
• Para la inactivación eficaz del factor V por
la proteína C activada, es necesario una
arginina en la posición 509.
• El FVL se considera uno de los factores
genéticos mas frecuentes de riesgo para
padecer trombofilia.
PT20210A
• Gen de la Protrombina en el cromosoma 11
20210 GA (región 3´ no traducida).
• Los portadores de esta variante tienen
niveles elevados de protrombina en plasma
incrementando 3 veces el factor de riesgo
para trombofilia. No está claro si aumenta la
transcripción, la estabilidad o la eficiencia
de traducción a proteína.
• Constituye el factor genético mas prevalente
de tromboembolismo venoso en población
española (Souto et al, Thromb Haemost 1998).
Observaciones
• El déficit de factor VIII y XI combinados
puede ocasionar mayor gravedad que cada
una de ellas por separado (Berg et al. Blood
Coag Fibrin, 1994)
• La presencia de factor V Leiden (FVL) y
déficit de proteína C combinados cursa con
mayor riesgo de trombosis que cada una de
ellas por separado (Koleman et al. Blood,
1994)
HIPOTESIS:
Pacientes afectados de una
coagulopatía congénita pueden variar
sus manifestaciones por influencia de
genes de trombosis.
Resultados
•
•
•
•
Inversión - PT20210A
n=11
edad promedio=32
ES=mas de 6 (excepto
1 caso con <5)
• CFcVIII=90636 U/año
(+/- 49515)
• Artropatías=4 o mas
•
•
•
•
•
Inversión + PT20210A
n=5
edad promedio=30
ES=hasta 5 (p=0.008)
CFcVIII=15400 U/año
(+/- 18105) (p=0.016)
• Artropatías=<4
(p<0.0005)
GEN
Conclusiones
MODIFICADORES
• En el estado actual de conocimientos, cabe
considerar a las hemofilia A y B (y otras
coagulopatías hereditarias) como la
consecuencia de una mutación en un gen
determinante, responsable primario de la
patogénesis de la enfermedad y el efecto de
genes modificadores independientes que
pueden influenciar el fenotipo.
FENOTIPO
MODIFICADORES
Conclusiones
• El FVL y la PT20210A parecen ser los primeros (la
punta del iceberg) de una larga lista de factores
genéticos que deberán ser investigados para que
puedan ser aplicados posteriormente a la
elaboración de perfiles de susceptibilidad
PT20210A
FVL
?????
Protein C
Proten S
Antithrombin III
Factor XI
Factor XII
ASTA ANTERIOR
de la médula espinal
Neurona motora
Aspecto de las
neuronas motoras
postnatales
normales
Aspecto de las neuronas motoras postnatales en la AME
ATROFIA MUSCULAR ESPINAL (AME)
• La pérdida y degeneración de las neuronas
motoras del la médula espinal hacen que el
músculo pierda la inervación y se atrofie.
• El gen que falta o está alterado se denomima
Survival Motor Neuron (SMN) y se identificó en
1995.
A
SMN 2
SMN 1
SMN 2
SMN 1
Individuo no afectado con cuatro copias de
gen SMN (2 de SMN1 y dos de SMN2)
B
SMN 2
SMN 1
SMN 2
Individuo portador con una copia de gen
SMN 1 y dos de SMN2
C
SMN 2
SMN 2
Individuo afectado con ninguna copia de SMN1 y
dos de SMN2
TIPO III - Kugelberg -Welander
TIPO
Intermedia
TIPOIIII - Intermedia
TIPO I Werdnig-Hoffmann
Nacimiento
18 meses
6meses
VIDA ADULTA
2-3 años
DNA
SMN1
SMN2
SMA patients have one or more SMN2 genes which
modulate the disease severity
SMN 2
SMN 2
I
SMN 2
No patient was described with total absence of the SMN genes
SMN 2
SMN 2
SMN 2
II / III
SMN 2
SMN 2
SMN 2
SMN 2
Five nucleotides differences between
SMN1 and SMN2
SMN 1
Intron 6
G
Exon 7
C
Intron 7
A
A
Exon 8
G
SMN 2
Intron 6
A
Exon 7
T
Intron 7
G
G
Exon 8
A
ADN
SMN 2
SMN 1
INTRONES
EXONES
ARN
mensajero
PROTEINA SMN2 (sin exon 7)
PROTEINA SMN1 (completa)
parcialmente funcionante
totalmente funcionante
Efecto de la dosis del gen SMN2
Determinar la correlación entre el número de copias del gen SMN2 y el
fenotipo :
16 tipo I
14 tipo II
15 tipo III
12,50%
87.5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias
86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias
87% tienen 3 o 4 copias, mayoría 3 ninguno con 1 copia
TIPUS II
TIPUS I
TIPUS III
14,30%
25,00%
13,30%
26,70%
57,10%
28,50%
62,50%
1 Copia
2 Copias
3 Copias
60%
4 Copias
Cuscó et al., Journal of Neurology, 2005
F1
F2
1
2
F3
2
Edat de
Nº
Fenotip
Edat d’inici
Cadira de
rodes
F1
F2
F3
F4
2
1
2
F4
1
Famílies
1
Manifestació dels
símptomes
EMG
NAIP
SMN2
còpies
1
Tipus III
2
17
+++
D
+
4
2
A
-
-
-
MUP
+
4
1
Tipus III
8
12
+++
D
+
4
2
Tipus IV
32
-
+
D
+
4
1
Tipus III
2
12
+++
D
+
3
2
Tipus III
2
-
+/++
D
+
3
1
Tipus II
<1
2
++++
D
+
3
2
Tipus III
12
20
++/+++
D
+
3
Conclusiones
• El gen SMN2 es importante en la definición
del tipo de AME que va a presentar el
paciente.
• En los casos de AME tipo II y III con
hermanos de fenotipo discordante, el gen
SMN2 no es categórico, lo que indica la
existencia de otros genes modificadores
• El tratamiento con fármacos para aumentar
la expresión del gen SMN2 es estudiado
como posible terapia en la AME
SMN1
SMN2
?????
EJEMPLOS DE ENFERMEDADES
MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES
GENES MODIFICADORES
INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL.
•
•
•
•
•
•
•
•
Fibrosis quística
Enfermedad de Hirschsprung
Neurofibromatosis tipo 2
Craniosinostosis coronal
Hipoplasia adrenal congénita
Enfermedad de Gaucher
Fenilcetonuria
Sindrome del QT prolongado
CFTR
RET, GNDF, EDN3, EDNRB
NF2
FGFR3
DAX1
GBA
PAH
KVLQT1, HERQ, SCN5A, KCNE1
Conclusiones
• La diferencia histórica entre las enfermedades
monogénicas (Mendelianas) y multigénicas o complejas
son productos mas bien de la percepción humana que
de la realidad biológica.
• Las dos categorías serían parte de un continuo que va
desde un gen determinante, responsable primario de la
patogénesis de la enfermedad con uno o mas genes
modificadores independientes que influencian el
fenotipo hasta el efecto de dos, tres o múltiples genes
que comparten su influencia en el fenotipo.
Oligogenic
GEN
mRNA
PROTEINA
GENOMICA
TRANSCRIPTOMICA
PROTEOMICA
FENOTIPO
DETERMINANTE
MODIFICADORES
Genómica
Estudio del genoma de un organismo y de su función
Genoma
Todo el material genético contenido
en los cromosomas de un organismo
La genómica estructural está orientada a la caracterización y
localización de las secuencias que componen el DNA de los genes.
La genómica funcional plantea el estudio de la función de los
genes que una célula expresa en condiciones determinadas.
¿Qué debemos saber de un gen en términos de su función?
Caracterizar el producto (s):
Bioquímico (quinasa, proteína de unión, etc.)
Celular (núcleo, citoplasma, membrana, etc.)
Tejido (abundancia total, tipo de células)
Organismo (órgano, aparato o sistema donde es
imprescindible)
LA GENOMICA FUNCIONAL SE SIRVE DE LA
TRANSCRIPTOMICA (RNA) Y DE LA PROTEOMICA
El transcriptoma es una colección completa de mRNA en
una célula en particular y en determinadas condiciones.
Incluye la transcripción, el procesamiento del RNA y su
metabolismo.
Un gen puede producir muchos tipos de RNA (por splicing
alternativo, por promotores alternativos, por inhibidores
o estimuladores de la transcripción)
Las proteínas sintetizadas a partir de estos mRNA
pueden ser modificadas por proteólisis, fosforilación,
glicosilación.
Proteómica
Estudio del proteoma de un organismo: estructura, función, interrelaciones
Proteoma
El conjunto de proteínas
que sintetiza una célula o un
organismo y su interrelación
específica
Imagen dinámica de todas las proteínas expresadas por un
organismo en un momento dado y en determinadas
condiciones.
Combina los estudios bidimensionales de proteínas y la
espectrometría de masas
GEN
Tipo de mutación, regulación,
expresión, variación secuencia,
degradación de la proteína
GENOMA
Identificar variantes en genes candidatos ya caracterizados
Análisis del genoma completo (genome wide analysis)
TRANSCRIPTOMA
Caracterizar los patrones de expresión de diversos genes o la
abundancia de determinados mRNA
PROTEOMA
Caracterizar las moléculas funcionales de las células teniendo
en cuenta modificaciones postraduccionales
PERFILES DE SUSCEPTIBILIDAD