ABORDAJE GENÓMICO DE LAS ENFERMEDADES MENDELIANAS Dra. Alessandra Carnevale Investigadora en Ciencias Médicas Instituto Nacional de Medicina Genómica www.inmegen.gob.mx
EL PROYECTO DEL GENOMA HUMANO A LOS 12 AÑOS 2013: Avances espectaculares en la ciencia y en la tecnología Disminución en los costos Gran cantidad de datos genéticos Avances en el conocimiento de la estructura y función del genoma Avances en el conocimiento de las bases moleculares de las enfermedades
Secuenciación masiva de ácidos nucleicos Genotipificación masiva de SNPs Análisis de expresión génica Proteómica Bioinformática y acceso a bancos de datos NUEVAS TECNOLOGÍAS
SECUENCIACIÓN MASIVA Lo más relevante: velocidad, precisión, magnitud y disminución de costo.
Sorpresas Pocos genes para tantas proteínas pero abundante splicing alternativo 1997 Previo al genoma ~100,000 2000 Borrador del genoma humano 30-40,000 2002 Borrador del ratón 25-30,000 2007 Humano final, ratón, rata, perro 21,000 Gran variabilidad estructural del genoma microrna y lincrna miles de reguladores y represores
Proteína normal Cantidad disminuida Variación en DNA Pérdida de función (gran mayoría) Proteína anormal Cantidad aumentada Expresión inapropiada en tiempo o sitio Enfermedad Ganancia de función Expresión ectópica or heterocronica (raro, excepto en cancer) Propiedades nuevas
Gran variabilidad estructural del genoma POLIMORFISMOS MOLECULARES Variaciones en la secuencia de DNA presentes en al menos el 1% de la población normal SNPs CNVs Aprox 99.9%
IMPORTANCIA DE LOS POLIMORFISMOS Ø Participan en la diversidad humana normal, es decir, nos confieren individualidad en: Ø características físicas y fisiológicas Ø en susceptibilidad o resistencia a enfermedades Ø en la respuesta a medicamentos
MEDICINA GENÓMICA Caracterización de genes y de variantes genómicas Mutaciones responsables Variantes asociadas a enfermedades complejas Respuesta a fármacos Bases biológicas enfermedades Diagnóstico molecular Susceptibilidad a enfermedades Selección de farmacoterapia Desarrollo de fármacos Medicina predictiva, preventiva, personalizada participativa Tratamiento
Etiología Instituto Nacional de Medicina Genómica COMPONENTE GENÉTICO DE LAS ENFERMEDADES ambiental Etiología multifactorial Etiología Genética a) monogénica b) cromosómica Contribución de factores ambientales Contribución de factores genéticos
MONOGÉNICAS o MENDELIANAS MONOGENICAS Ø Un solo gen responsable Ø Mutaciones con alta penetrancia Ø Poca influencia del ambiente Ø Riesgo de recurrencia es de acuerdo a forma de herencia Ø Gran número de enfermedades poco frecuentes
Instituto Nacional de Medicina Genómica DIAGNÓSTICO DE ENFERMEDADES MENDELIANAS Manifestaciones clínicas Exámenes de laboratorio y gabinete de acuerdo al cuadro clínico Estudios bioquímicos para trastornos metabólicos Historia familiar Síndrome de Marfán
PADECIMIENTOS MENDELIANOS O MONOGÉNICOS Autosómicos Dominantes Recesivos Ligados al X Recesivos Dominantes Herencia autosómica dominante Herencia autosómica recesiva Herencia recesiva ligada al X
AB AD Instituto Nacional de Medicina Genómica ANALISIS DE LIGAMIENTO EN CD AC BC CD AC AC BC AC CC AA AA AC AC FAMILIAS AD AD AC CC CD En los 80s se descubrieron marcadores polimórficos que sirvieron para mapear genes E. de Huntington, 1983, Diez años entre localizar el gen y clonar el gen e identificar mutación en EH. Distrofia muscular de Duchenne, 1987 Fibrosis quística 1989 Identificar cosegración del marcador y la enfermedad en diferentes familias informativas
ENFERMEDADES MONOGÉNICAS O MENDELIANAS Ø Diagnóstico molecular Ø Prenatal Ø Presintomático Ø Tratamiento Ø Cambio en estilo de vida Ø Evitar exposiciones Ø Identificación de portadores en enfermedades recesivas Ø Conocimiento de fisiopatología Ø Nuevos tratamientos La frecuencia de las mutaciones difiere entre las poblaciones La mayoría de los estudios en población de origen europeo La población Mexicana es heterogénea y mezcla de europeo, amerindio y africano
ABORDAJE GENÓMICO EN DESÓRDENES MENDELIANOS Impacto: Genes conocidos antes del PGH: ~70 ahora: ~3000 SECUENCIACIÓN DE ÚLTIMA GENERACIÓN Heterogeneidad genética: Diferentes genes responsables del mismo cuadro clínico Síndromes muy raros Pocas familias Casos esporádicos
CARDIOMIOPATÍA DILATADA (DMD) Dilatación y alteración de contracción del VI o ambos Es la primera causa de insuficiencia cardiaca y de trasplante de corazón. Falla cardiaca, arritmias y muerte súbita La supervivencia una vez sintomática es de 80% a 5 años. 50% idiopática y de estas 20-50% es de origen genético, o sea familiar El modo de herencia es AD (90%), AR (1-2%), RLX (5-10%) y mitocondriales. Tiene expresividad variable y penetrancia incompleta dependiente de la edad.
MUTACIONES Más de 40 diferentes genes son causales de CMD Familiar, de los cuales 30 bien caracterizados. La frecuencia de las mutaciones es baja (6-8% a <1) y varía entre países. No hay ningún estudio en México. Los genes codifican: Proteínas sarcoméricas (cadena pesada de b-miosina, troponina cardiaca T, troponina C y troponina I). Proteínas del músculo cardiaco LIM (CLP), cypher/zasp (LBD3) y vinculina (VCL), desmoplaquina (DSP), desmina (DES), teletonina (TCAP), tafazzina (G4.5). Proteínas del complejo asociado a distrofina que incluye la d-sarcoglicano (SGCD) y distrofina (DMD). Otras: proteínas de la membrana, núcleo, citoesqueleto, unión intercelular y mitocondria.
SECUENCIACIÓN DE ÚLTIMA GENERACIÓN PARA DIAGNÓSTICO DE CMD Diseño de plataforma con los 30 genes conocidos Captura y enriquecimiento de todos los genes en las muestras a diagnosticar Secuenciar en equipo de última generación Identificar mutaciones conocidas Variantes no descritas??
SECUENCIACIÓN DE ÚLTIMA GENERACIÓN PARA DIAGNÓSTICO DE CMD Diseño de pipeline para predecir patogenicidad de variantes nuevas y reducir el número Análisis de segregación
SECUENCIACIÓN DE ÚLTIMA GENERACIÓN Secuenciación de exoma completo Heterogeneidad genética: Búsqueda de nuevos genes responsables de un mismo cuadro clínico Síndromes muy raros Pocas familias Casos esporádicos Técnica posible y costo efectiva Se secuencia ~2% del genoma, se simplifica análisis Lo más costoso, enrequecimiento del exoma. Identificación de variantes causales y genes candidatos
Secuenciación de exoma completo
SÍNDROME DE KABUKI Retardo en desarrollo psicomotor y crecimiento posnatal con talla baja (83%) Hipotonía, hiperelasticidad de articulaciones Defectos cardiacos (30%) Facies peculiar, pabellones prominentes Defectos del tracto urinario (50%), Otitis de repetición en la infancia En 10 afectados, secuenciación masiva de exoma mostró variantes causales en MLL2. Con secuenciación capilar de los exones del gen se encontraron 35 diferentes mutaciones. MLL2 participa en regulación de expresión de genes Falta de MLL2 altera metilación de histonas y activación de algunos genes lo cual causa anormalidades en desarrollo.
FIBROSIS QUISTICA 1989 = gen Más de 1800 mutaciones La proteína CFTR es canal de cloro Mutaciones alteran cantidad o función del canal Enfermedad pulmonar crónica Secreciones mucosas Diarrea crónica espesas y viscosas Talla y peso < tercera percentila Cloruros en sudor elevados Análisis de grasa en heces positiva Hermanos con mismo cuadro
FRECUENCIA DE MUTACIONES DEL GEN CFTR EN LA POBLACIÓN MEXICANA MUTACION No. ALELOS FRECUENCIA AFECTADOS México Mundial % % ΔF508 79 40.70 67.1 G542X 12 6.10 3.4 ΔI507 5 2.50 0.6 S549N 5 2.50 N1303K 4 2.06 1.8 R75X 3 1.54 406-IG A 3 1.54 I148T 3 1.54 2055de19 2 1.03 935de1A 2 1.03 I506T 2 1.03 3199de16 2 1.03 2183AA G 2 1.03 Otras mutaciones 21 10.70 Total 34 145 79.34 En la muestra estudiada no se encontró la G551D cuya frecuencia es 1.3%
IDENTIFICACIÓN DE GEN Y DE MUTACIONES RESPONSABLES Diagnóstico molecular Nuevos tipos de tratamientos: Agentes que mejoran el transporte de la proteína mutante deltaf508 a la membrana apical de las células (Curcumina) Agentes como PTC124 (Ataluren) que corrige codón STOP en mutaciones tipo I como G542X Agentes que aumenten la actividad residual del CFTR en mutaciones tipo III y IV como G551D (Ivacaflor)y A455E
FENILCETONURIA 1:10.000 a 20.000 RN Autosómica recesiva Gen en 12q22-q24.1 >500 mutaciones producen PKU clásica, moderada y leve Diagnóstico prenatal y detección de portadores En México el INP se secuenció el gen en 47 pacientes (94 alelos) Se encontraron 2 mutaciones nuevas y una (c.60+5g>t) en 10/11 casos de Jalisco con efecto de fundador Tratamiento con dieta pobre en fenilalanina Y tetrahydrobiopterin, (BH4) en pacientes respondedores Pacientes con c.60+5g>t no responden Se requiere identificar la mutación
RIESGOS Y RETOS Los defectos genéticos son poco frecuentes y el desarrollo de medicamentos caro Presiones económicas que ponen en riesgo la transición de fase experimental a fase de aplicación Conflicto de intereses entre médicos, pacientes, gobiernos, industria farmacéutica Los avances biológicos no beneficien al paciente tan rápidamente o se creen inequidades para el acceso Retos: Desarrollar nuevos procedimientos diagnósticos y tratamientos efectivos Llevarlos al mercado de una manera socialmente sustentable
RIESGOS Estigmatización basada en el genotipo Discriminación genética contra: - una persona - una familia - etnia o población Paternalismo vs respeto a la autonomía Invasión de la privacidad de los datos genéticos Inequidad en los servicios
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HALLAZGOS IMPREVISTOS Son hallazgos con posible importancia para la salud o la reproducción en un participante en una investigación o en el estudio de una familia y que es descubierto durante el estudio pero que estaba fuera de los objetivos del mismo Ejemplo: en microarreglo sugiere variante génica o cromosómica an IF on a genomic microarray suggesting a genetic or chromosomal variant of potential clinical importance beyond the variants or genotype- phenotype associations directly under study. an IF of misattributed paternity or parentage in a genetic family study.
FENILCETONURIA INCIDENCIA 1:10.000 a 20.000 recién nacidos HERENCIA Autosómica recesiva ANÁLISIS MOLECULAR Gen en 12q22-q24.1 31 mutaciones que producen la PKU clásica, leve e hiperfenilalaninemia Diagnóstico prenatal y detección de portadores
GENÉTICA CLÍNICA Alcance: individual y familiar Propósitos: Diagnóstico Manejo integral de paciente Tratamientos efectivos Asesoramiento genético Autonomía Elección informada Control personal
FENILCETONURIA CORRELACIÓN GENOTIPO-FENOTIPO-TRATAMIENTO Mutaciones que producen <15% actividad in vitro causan PKU clásica y no responden a BH4. Si permiten actividad >20%, cuadro moderado y responden a BH4 Mutaciones que afectan sitio de splicing causan cuadros variables dependiendo de lectura Heterocigotos compuestos mutación leve/clásica producen diferentes cuadros clínicos por complementación alélica La respuesta a BH4 para ciertas combinaciones está muy bien estudiada
LOS GRANDES RETOS CÓMPUTO Científicos capacitados en biología, cómputo, matemáticas, estadística Herramientas para: Análisis de enorme cantidad de datos Integrar y almacenar datos con acceso y protección EDUCACIÓN Conceptos de probabilidad y riesgo Integrar genómica en curricula de profesionales de la salud Educación al público sobre genómica en salud y otras áreas
En investigación: LOS GRANDES RETOS GENÓMICA Y SOCIEDAD Protección de participantes Percepción de beneficios y riesgos Marcadores de ancestría y percepción de etnicidad Aspectos jurídicos: Poblaciones vulnerables Propiedad intelectual Regulación de pruebas genéticas En medicina genómica: Comunicación con pacientes Acceso justo a estudios genómicos Asegurarse de validez de pruebas Diagnóstico pre-implantación, prenatal y presintomático
EPIGENÉTICA Los mecanismos epigenéticos se alteran por factores y procesos: Desarrollo (in útero y niñez Químicos ambientales Drogas y medicamentos Edad Dieta Efectos en la salud: Cáncer Autoinmunes Mentales Diabetes Cambios en la metilación de las islas CpG Cambios en las histonas