De la genética a la clínica en Atención Primaria

4/10/2001

1.- CONCEPTOS GENERALES

 

Las células que constituyen el organismo humano, albergan en su núcleo el material hereditario que contiene la totalidad la información genética del individuo, a excepción del material hereditario mitocondrial. Esta información está “codificada” en una molécula, llamada ADN (ácido desoxirribonucleico – en del inglés Deoxyrribonucleic Acid o DNA). La totalidad del ADN de una célula se denomina genoma, y éste está organizado en unidades funcionales llamados genes.

 

El ADN está constituido por dos cadenas antiparalelas (corren en direcciones opuestas) formadas cada una por la concatenación de unas subunidades llamadas nucleótidos, compuestos cada uno de ellos por un azúcar (desoxirribosa), un grupo fosfato y una de las cuatro bases nitrogenadas que forman el ADN [adenina (A), citosina (C), guanina (G) y timina (T)]. En cada una de las cadenas del ADN, el azúcar desoxirribosa de un nucleótido se une al fosfato del siguiente, en un sentido que se conoce como “dirección 5’-3’”, basándose en la numeración de los átomos de carbono del azúcar.

 

Para la formación de la doble cadena de ADN, una de ellas está unida a la otra por sus bases nitrogenadas, que quedan hacia el interior, enlazándose cada base con su correspondiente en la otra cadena mediante puentes de hidrógeno. Estos enlaces se forman siempre entre la Adenina y la Timina (A-T), y la Citosina y la Guanina (C-G), con lo que la secuencia de bases de una de las cadenas es complementaria a la otra. Esta característica de doble cadena complementaria es fundamental para los procesos biológicos de la replicación (copia del material genético) y transcripción (síntesis de ARN mensajero).

 

2.- FUNCIÓN BIOLÓGICA DEL ADN: EXPRESIÓN GÉNICA

 

La función de la molécula de ADN es la codificación de la información para la fabricación de todos los componentes proteicos de la célula, tanto estructurales como enzimáticos, y la transmisión de dicha información a la descendencia. El “lenguaje genético” en el que se codifica este mensaje viene determinado por el orden de las bases nitrogenadas de los nucleótidos en la secuencia del ADN. El elemento significativo de este lenguaje es la secuencia de tres bases de ADN o triplete. Cada triplete de ADN se transcribe a un codón (unidad de codificación) o triplete de ácido ribonucléico mensajero o ARNm (transcripción), que a su vez se traduce en un aminoácido de la proteína (traducción). De los 64 tripletes posibles por la combinación de las cuatro bases (A, C, G y U), 61 codifican alguno de los 20 aminoácidos (diferentes tripletes codifican para el mismo aminoácido), y los otros tres (UAA, UAG, UGA) codifican señales de terminación o STOP (final del péptido). Además, todos los péptidos sintetizados comienzan por el aminoácido metionina, codificado por el codón AUG, llamado codón de iniciación (no todas las proteínas maduras tienen Metionina como primer aminoácido, ya que éste puede perderse en procesos post-traduccionales de maduración proteica).

 

Esta característica es muy interesante en investigaciones que intentan aislar nuevos genes, ya que el hallazgo del triplete ATG en una secuencia de ADN puede indicar el comienzo de una proteína, y por tanto de un gen. Las secuencias de ADN que comienzan por ATG, continúan con un número determinado de tripletes codificantes y concluyen con una señal de terminación se denominan secuencias abiertas de ADN (open reading frame), ya que pueden albergar un gen que se expresa.

 

La información del ADN se estructura en genes, fragmentos de ADN que contienen la información para la síntesis de una proteína, que se encuentran dispersos por el genoma. No obstante, no todo el ADN porta información para la síntesis proteica; de hecho, solo una parte muy pequeña del genoma está formado por ADN codificante (aquél que se llega a traducir a proteínas). Además, los propios genes contienen regiones codificantes, denominadas exones y regiones no codificantes (intrones), que son eliminadas de la molécula de ARN mensajero antes de la traducción. La región de unión de un intron con su exon inmediato se llama zona de corte-empalme o “splicing. El proceso de síntesis de proteínas se denomina expresión génica, haciendo referencia a la funcionalidad de los genes, y comporta dos procesos:

 

transcripción y traducción.

 

3.- REGULACIÓN DE LA EXPRESIÓN GÉNICA

 

Determinadas proteínas son características de ciertos tejidos e incluso de ciertos tipos celulares, por lo que es preciso que existan mecanismos encargados de controlar la síntesis proteica o expresión génica en cada tipo celular. Este control tiene lugar fundamentalmente a nivel de la transcripción, y en él intervienen diferentes estructuras del propio gen.

 

Además de las secuencias abiertas de ADN, los genes contienen también elementos o secuencias reguladoras que modulan su expresión. Se trata de determinadas secuencias de ADN, generalmente localizadas previamente al propio gen, sobre las que interactúan moléculas (generalmente proteínas) capaces de activar o inactivar la expresión de esos genes, para que ésta ocurra en aquellos tejidos donde la proteína final es necesaria, y en el momento e intensidad adecuados. Entre las secuencias reguladoras destaca el promotor, indispensable para que se produzca la expresión, y que se encuentra antes del triplete ATG. También existen otras secuencias encargadas de regular la intensidad de la expresión génica, denominadas amplificadores o silenciadores, según su cometido. Estas regiones son muy variables y específicas de cada gen, y a ellas se unen, diferentes moléculas, como es el caso de receptores hormonales activados.

 

4.- Polimorfismos y mutaciones

 

En general, la secuencia de ADN de los genes que codifican las proteínas está conservada (es idéntica en todos los individuos) ya que modificaciones de la misma podrían alterar negativamente su función. No obstante, las poblaciones humanas se han desarrollado de forma independiente, de modo que entre los diferentes individuos, pueden existir algunas diferencias en determinados genes que no implican patología o pérdida de función. Estas variaciones genéticas se denominan polimorfismos. Un ejemplo clásico de polimorfismo se encuentra en los antígenos que conforman el sistema sanguíneo ABO, con tres variantes (A, B y O), pudiendo haber individuos con cualquiera de las posibilidades, que son simplemente diferentes formas del mismo gen, y no producen ninguna patología.

 

En los genes polimórficos, cada una de las variantes posibles se denomina alelo. Los alelos que un individuo presenta en sus dos cromosomas (materno y paterno) determinan su genotipo, que se manifestará como un determinado fenotipo. Los polimorfismos confieren diversidad a la población y son la consecuencia de mutaciones (cambios en la estructura o secuencia de ADN de los genes) que han ocurrido durante la evolución, y que no han sido eliminadas por la selección natural ya que no constituyen ninguna desventaja para su portador. En nuestro medio, los polimorfismos se asocian a variantes de la normalidad, mientras que las mutaciones son cambios que potencialmente pudieran ser patológicos. Algunas clasificaciones definen el concepto de polimorfismo en función de la frecuencia con la que cada una de las variantes se presentan en la población, y se consideran polimorfismos sólo si su frecuencia es superior al 5%.

 

Cuando la mutación se produce en alguna de las células somáticas (todas las células del organismo excepto los gametos), se habla de mutación somática. Esta mutación solo afecta a las células derivadas de la célula mutada, y afectará sólo a dicho órgano o sistema; no se transmite a la descendencia, y está presente sólo en el individuo donde ocurre la mutación. Este es el caso de algunas formas de cáncer que se asocian a mutaciones somáticas de determinados genes. Por otro lado, cuando la mutación está presente en las células germinales (gametos) se transmite y formará parte del genoma de la descendencia; hablamos entonces de una mutación en línea germinal, que estará presente en todas las células del organismo de la descendencia. Estas mutaciones son las causantes de las enfermedades transmitidas.

 

5.- Tipos de mutaciones y sus consecuencias

 

Desde el punto de vista físico, las alteraciones que puede sufrir un gen se pueden clasificar en tres grupos: deleciones, que suponen la pérdida de material genético; inserciones, que hacen referencia a la aparición de material genético nuevo; y sustituciones, que corresponden a aquellos casos en los que determinado material ha sido sustituido por otro. Todas estas alteraciones pueden afectar a grandes regiones cromosómicas y ser visibles por técnicas de citogenética (hablando entonces de trisomías, traslocaciones, pérdida de fragmentos cromosómicos,...), o bien pueden tratarse de alteraciones que afectan a unos cuantos nucleótidos, o ser simplemente una alteración de un solo nucleótido o base (mutación puntual). La forma en que estas alteraciones pueden ser estudiadas dependerá del propio gen objeto de estudio (su tamaño, complejidad,...), del tipo de alteración que se pretende detectar, y del material de estudio y tecnología de la que se dispone.

 

Las mutaciones puntuales pueden ser responsables de fenotipos patológicos en virtud de los mecanismos que se describen a continuación, y se resumen en las siguientes figuras.

 

6.- planteamiento de los estudios genéticos

 

El objetivo fundamental de la Genética Molecular en la actualidad es el diagnóstico de las enfermedades genéticas mediante la detección de las mutaciones presentes en los genes, con el fin de actuar en el consejo genético a familias portadoras de las mismas, o establecer un tratamiento precoz adecuado en los casos en que éste sea posible. A la hora de plantearse el estudio genético de una enfermedad, un correcto diagnóstico clínico y bioquímico es fundamental; es impensable que una persona del Laboratorio de Biología Molecular conozca los genes implicados en todas las enfermedades, por lo que es el clínico el que debe, apoyándose en su experiencia, dirigir el estudio hacia el gen o genes en los que sea más probable que se encuentre la mutación.

 

Entre las enfermedades de origen genético, se encuentran por un lado aquellas cuya mutación patogénica ya ha sido descrita con anterioridad, como es el caso de la hemofilia. Un segundo grupo estaría formado por aquellas enfermedades en las que se conoce el gen afectado, pero no las mutaciones que producen la enfermedad (como ocurre en la mayoría de los casos de genes conocidos). La metodología de análisis aplicable a uno y otro grupo de trastornos es fundamentalmente la misma, pero el planteamiento del estudio será diferente. En el primer caso, el protocolo de diagnóstico genético está generalmente establecido, mientras que en el segundo grupo, habrá que diseñar una estrategia de estudio para cada caso, en función de la naturaleza de la mutación que se espera encontrar, del tamaño y estructura del gen en estudio, así como de la sensibilidad necesaria y los recursos disponibles.

 

Es importante, cuando sea posible, el estudio de la familia completa, ya que esto facilita mucho la confirmación del patrón de herencia y además de identificar la mutación en el caso índice nos permite detectar otros portadores así como realizar consejo genético a la familia.

 

7.- Metodología de estudio

 

En los últimos años, se han desarrollado numerosas técnicas para detectar las alteraciones del ADN que son causa de enfermedades. Su descripción escapa a las pretensiones de este documento, por lo que se hará una pequeña clasificación para mencionar las más utilizadas y se conozca su nombre. De todas estas técnicas, la secuenciación del ADN (es decir, la lectura de todos los nucleótidos que componen el gen a estudio), supone la manera directa para detectar mutaciones y además, identifica la posición y la naturaleza del cambio en la molécula de ADN. No obstante, la secuenciación es una técnica laboriosa y de coste elevado, por lo que suelen emplearse una serie de técnicas de screening que facilitan la detección de mutaciones, sobre todo en el estudio de genes de gran tamaño (muchos exones) y estudios en poblaciones amplias. Una vez detectada una alteración, la secuenciación de ese único fragmento mutado localiza e identifica la alteración.

 

Es importante señalar que la puesta a punto de cada una de estas técnicas de screening puede ser muy laboriosa y además, ninguna alcanza una sensibilidad del 100%, lo que ha de tenerse en cuenta si se implementan para el diagnóstico genético.

 

Por lo general, los estudios genéticos se llevan a cabo en el ADN genómico, ya que el análisis de esta molécula nos permite encontrar alteraciones estructurales en los genes. El ADN genómico es el mismo en todas las células nucleadas del organismo, con lo que una extracción de sangre (anticoagulada con EDTA o heparina) normal es la fuente de material genético más habitual. Otros estudios más complejos se refieren a la funcionalidad del gen, al nivel de expresión génica. Estos estudios se realizan en ARNm, que debe aislarse del tejido concreto en el que se está expresando ese gen.

 

8.- enfermedades monogénicas

 

Las enfermedades hereditarias son consecuencia de alteraciones a nivel genético que se transmiten de generación en generación. En el caso de las enfermedades monogénicas, causadas por alteraciones en un solo gen, los distintos patrones de transmisión de la enfermedad o patrones de herencia han sido ya clásicamente definidos.

 

La mutación causante de una enfermedad monogénica puede ser siempre la misma (p. ej. la anemia falciforme), o puede afectar a diferentes lugares del gen en cada paciente (como en la fibrosis quística), lo que se conoce como heterogeneidad alélica de la enfermedad. Si bien estos modelos de herencia sencillos se cumplen para algunas enfermedades, existen casos en los que la realidad es más compleja, debido a que en ocasiones, las mutaciones no se manifiestan en todos los individuos en los que están presentes. Se habla entonces de penetrancia incompleta y de esta forma, personas portadoras de una misma mutación, a veces en una misma familia, pueden presentar diferentes grados de afectación o incluso ser totalmente asintomáticos. En este sentido, la penetrancia de un alelo hace referencia a su expresión y puede verse influenciada por su interacción con otros genes, así como por factores no genéticos como la edad, sexo o el medio ambiente. En el otro extremo, estarían aquellos casos en los que una determinada enfermedad aparece sin que sea posible detectar alteración genética alguna. Estos casos se catalogan como fenocopias (fenotipos idénticos que responden a diferentes genotipos) y pueden deberse a que la enfermedad está causada por otros mecanismos, bien genéticos, bien ambientales). Además, no hemos de olvidar que una misma enfermedad puede originarse por mutaciones en distintos genes, sobre todo cuando todos ellos pertenecen a la misma ruta metabólica (p. ej., síntesis de una hormona). Este fenómeno recibe el nombre de heterogeneidad genética de una enfermedad.

 

El estudio de las enfermedades monogénicas, cuando se conoce el gen responsable, pasa por la aplicación de los métodos de screening o de la secuenciación del gen. No obstante, en ocasiones se desconoce el gen responsable de la patología por lo que hay que recurrir a métodos indirectos, llamados de ligamiento, que analizan el grado de similitud o diferencia genética entre los miembros sanos y enfermos de una familia, en base a la comparación de una serie de secuencias de ADN polimórficas que se utilizan como marcadores y que se encuentran muy próximas (ligadas) al supuesto gen causante.

 

En el ejemplo de la figura, un esquema de análisis de ligamiento con distintos marcadores (loci A, B y C), la observación de los alelos heredados en relación al estado de enfermedad o no (símbolos negros) nos informa de que el gen causante está ligado (próximo) al marcador C, y además, en está familia la enfermedad se transmite junto con el alelo 4 de dicho locus. Esta información es también de utilidad para la descendencia futura de esta familia.

 

5.- ENFERMEDADES COMPLEJAS

 

Si el estudio de las enfermedades monogénicas es complicado, aún es más difícil identificar los genes que intervienen en el desarrollo de enfermedades complejas y determinar la contribución de los mismos al riesgo genético, ya que dichas enfermedades son por lo general poligénicas (resultan de alteraciones en varios genes) y multifactoriales (producidas por la interacción de factores ambientales y un conjunto de determinantes genéticos). Además, el estudio se complica por su baja prevalencia, incluso en el seno de familias con varios individuos enfermos. Por todo ello, los estudios clásicos de ligamiento son inviables, ya que es imposible definir el patrón de herencia y contar con grandes árboles genealógicos y numerosos individuos afectos de varias generaciones.

 

En enfermedades como la diabetes tipo 1 el modo de herencia es desconocido y el número de enfermos por familia es pequeño por lo que se han diseñado otro tipo de análisis que permiten una aproximación a la contribución de diferentes loci a la enfermedad para determinar el grado de susceptibilidad genética a una enfermedad. El más sencillo de todos ellos es el estudio de asociación en casos y controles, en el que se compara la frecuencia de determinada variante polimórfica entre enfermos y sanos. Otros estudios de asociación analizan familias con algún miembro afecto; por ejemplo, la estrategia AFBAC (Affected Family BAsed Controls) compara alelos patológicos (los alelos del paciente) frente a alelos no patológicos (los alelos parentales no presentes en el paciente) con lo que se evita la estratificación de la muestra ya que controles y pacientes provienen del mismo sustrato genético. Por su parte, el test de desequilibrio de transmisión (TDT) analiza la proporción de transmisión de variantes marcadores a la descendencia enferma y a la sana, asumiendo que cuando existe desequilibrio, es decir, cuando un alelo es transmitido con mayor frecuencia a los hijos enfermos, dicho locus está ligado a la enfermedad.

 

Un tercer tipo de estudio, más potente que los anteriores, busca loci para los que se observan desviaciones de las proporciones mendelianas de identidad genética entre familiares enfermos: en la mayoría de los casos, se analizan parejas de hermanos afectos, para los que la proporción mendeliana de hermanos que comparten 2, 1 o ningún alelo son 0,25, 0,5 y 0,25, respectivamente. Una proporción de identidad mayor o menor indica que el marcador estudiado está ligado a la enfermedad.

 

Dr. Luis Castaño / Dr. José Ramón Bilbao
Unidad de Investigación
Hospital de Cruces

 

Autores: 
L.Castaño
J. R. Bilbao
Presentado: 
XVIII CURSO DE FORMACION CONTINUADA. GIPUZKOA
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