Enfermedades asociadas a mutaciones estructurales El cariotipo humano A partir de un cultivo de sangre periférica, y posterior tratamiento con Giemsa para obtener un bandeo G, puede obtenerse el cariotipo de un ser humano. La dotación cromosómica normal de la especie humana es de 46 cromosomas, 22 de los cuales son autosómicos y los dos restantes, sexuales (XX para las mujeres y XY para los varones). En el cariotipo humano los cromosomas se ordenan de mayor a menor. Hay cromosomas grandes, medianos y pequeños. Al ordenarlos se constituyen 7 grupos atendiendo no sólo al tamaño sino también a la forma de las parejas cromosómicas. Así, podemos encontrar cromosomas metacéntricos (tienen los dos brazos aproximadamente iguales en longitud), submetacéntricos (con un brazo más pequeño que otro) y acrocéntricos (con un brazo corto muy pequeño). Concretamente, en el cariotipo humano hay 7 grupos de cromosomas. Dentro de cada uno de ellos vamos a ordenar y reconocer los cromosomas con la ayuda de un idiograma: 1
Un idiograma es la representación esquemática del tamaño, forma y patrón de bandas de todo el complemento cromosómico. En él, los cromosomas se sitúan alineados por el centrómero y con el brazo largo siempre hacia abajo. Los grupos que comprende el cariotipo humano son los siguientes: - Cromosomas grandes Grupo A, (cromosomas 1, 2 y 3), metacéntricos. Grupo B, (cromosomas 4 y 5), submetacéntricos - Cromosomas medianos Grupo C, (cromosomas 7, 8, 9, 10, 11, 12 y además los cromosomas X), submetacéntricos Grupo D, (cromosomas 13, 14 y 15), acrocéntricos - Cromosomas pequeños Grupo E, (cromosomas 16, 17 y 18), submetacéntricos Grupo F, (cromosomas 19 y 20), metacéntricos Grupo G, (cromosomas 21, 22 y además el cromosoma Y), acrocéntricos Por acuerdo, los cromosomas sexuales X e Y se separan de sus grupos correspondientes y se ponen juntos al final del cariotipo. Anomalías Cromosómicas Aunque las anomalías cromosómicas pueden ser muy complejas, hay dos tipos básicos: numéricas y estructurales. Ambos tipos pueden darse simultáneamente. Las anomalías numéricas implican la pérdida y/o ganancia de uno o varios cromosomas completos y pueden incluir tanto a autosomas como a cromosomas sexuales. Generalmente, la pérdida de cromosomas tiene mayor repercusión en un individuo que la ganancia, aunque ésta también puede tener consecuencias serias. Las células que han perdido un cromosoma presentan monosomía para el mismo, mientras que aquéllas con un cromosoma extra muestran trisomía para el cromosoma implicado. Casi todas las monosomías autosómicas llevan a la muerte poco después de la concepción y sólo unas pocas trisomías permiten llegar al nacimiento. La anomalía 2
autosómica numérica más común es el Síndrome de Down o trisomía 21. Los individuos con trisomía en los cromosomas 13 y 18 pueden también sobrevivir hasta el nacimiento, pero están más seriamente afectados que aquéllos con Síndrome de Down. Curiosamente, los individuos con una condición llamada triploidía, en la cual hay una copia extra de todos los cromosomas (69 en total), pueden ocasionalmente sobrevivir hasta el nacimiento, aunque normalmente mueren durante el periodo neonatal. Otra regla general es que la pérdida o ganancia de un autosoma tiene consecuencias más graves que la de un cromosoma sexual. La anomalía de cromosomas sexuales más común es la monosomía del cromosoma X (45,X), o Síndrome de Turner. Otro ejemplo bastante común es el Síndrome de Klinefelter (47,XXY). Aunque hay variaciones considerables dentro de cada síndrome, los individuos afectados a menudo llevan vidas bastante normales. En ocasiones, un individuo porta un cromosoma extra que no se puede identificar por su patrón de bandas; a éstos se les llama cromosomas marcadores. La introducción de las técnicas FISH ha sido de gran ayuda en la identificación de estos cromosomas marcadores. Las anomalías estructurales implican cambios en la estructura de uno o varios cromosomas. Pueden ser increíblemente complejas, pero para el propósito de esta discusión nos centraremos en tres de los tipos más comunes: Las deleciones implican la pérdida de material de un solo cromosoma. Los efectos son típicamente graves, puesto que hay pérdida de material genético. Las inversiones tienen lugar cuando se dan dos cortes dentro de un mismo cromosoma y el segmento intermedio gira 180 (se invierte) y se vuelve a unir, formando un cromosoma que estructuralmente tiene la secuencia cambiada. Normalmente no hay riesgo de problemas para el individuo si la inversión es de origen familiar (es decir, se ha heredado de uno de los progenitores). Hay un riesgo algo mayor si es una mutación de novo (nueva), debido posiblemente a la interrupción de una secuencia clave de un gen. Aunque el portador de una inversión puede ser completamente normal, tiene un riesgo ligeramente mayor de producir un embrión con un desequilibrio cromosómico. Esto se debe a que un cromosoma invertido tiene dificultad en emparejarse con su homólogo normal durante la meiosis, lo que puede producir gametos que contengan derivados cromosómicos desequilibrados si ocurre un entrecruzamiento desigual. Las translocaciones implican el intercambio de material entre dos o más cromosomas. Si una translocación es recíproca (equilibrada) el riesgo de problemas para el individuo es similar al de las inversiones: normalmente nulo si es familiar y ligeramente mayor si es de novo. Surgen problemas con las translocaciones cuando a partir de un progenitor equilibrado se forman gametos que no contienen ambos productos de la translocación. Cuando tal gameto se combina con un gameto normal del otro progenitor, el resultado es un embrión desequilibrado que es parcialmente monosómico para un cromosoma y parcialmente trisómico para el otro. 3
Las anomalías numéricas y estructurales se pueden dividir a su vez en dos categorías principales: constitutivas, aquéllas con las que se nace, y adquiridas, las que surgen como cambios secundarios a otras enfermedades, tales como el cáncer. A veces se encuentran personas que tienen tanto líneas celulares normales como anormales. A estos individuos se los denomina mosaicos y en la inmensa mayoría de los casos la línea celular anormal tiene una anomalía cromosómica numérica. Los mosaicos estructurales son extremadamente infrecuentes. El grado en el cual un individuo resulta afectado clínicamente depende habitualmente del porcentaje de células anormales. Un análisis citogenético de rutina incluye típicamente el examen de al menos 15 o 20 células, con el fin de descartar cualquier mosaicismo clínicamente significativo. Ejemplos de Anomalías Cromosómicas Síndrome de Down, una anomalía numérica frecuente. Inversión en el cromosoma 10. Deleción del cromosoma 16. Translocación entre los cromosomas 2 y 15. Translocación entre los cromosomas 5 y 8. Inversión sutil en el cromosoma 3. Deleción intersticial en el cromosoma 7. Translocación desequilibrada entre los cromosomas 13 y 14. El cariotipo que se muestra a continuación es un ejemplo del Síndrome de Down, la anomalía numérica más frecuente en recién nacidos. Se caracteriza por un cromosoma 21 extra y el cariotipo se escribe así: 47,XX,+21. La clave de la descripción de cariotipo es: 47: el número total de cromosomas (46 es lo normal). XX: los cromosomas sexuales (femeninos). +21: indica que el cromosoma extra es un 21. 4
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Enfermedades asociadas a mutaciones en un solo gen Otro tipo de anomalías genéticas involucra a aquellas donde la mutación afecta a un solo gen, y no, como en los casos anteriores, donde se ven afectadas porciones o unidades cromosómicas enteras. Estos genotipos se asocian con cambios nucleotídicos puntuales o con mutaciones estructurales en pequeña escala. A su vez, podemos diferenciar a estas enfermedades en autosómicas dominantes (el gen mutado está ubicado en un cromosoma autosómico y su fenotipo es dominante), autosómicas recesivas (el gen mutado está ubicado en un cromosoma autosómico y su fenotipo se expresa en homocigosis recesiva), o ligadas al sexo. Enfermedades autosómicas dominantes Dentro de esta familia de enfermedades se ubican aquellas donde la sola presencia del alelo mutado produce el fenotipo de la patología. Es decir, tanto el heterocigota como el homocigota dominante expresan la enfermedad. Sin embargo, muchas veces el grado de la misma no es equivalente, siendo más grave, en general, el estado de homocigocis. Es muy común que este tipo de enfermedades se deba a mutaciones de novo, y no a una herencia mendeliana típica. En la siguiente figura se muestra una familia donde el padre presenta una mutación en uno de los dos alelos de un gen, con consecuencias dominantes en el fenotipo. Algunos ejemplos de patologías genéticas caracterizadas en este grupo son: -Acondroplasia Enfermedad debida a mutaciones en el gen del receptor del factor de crecimiento de fibroblastos tipo 3 (FGFR3), localizado en el brazo corto del cromosoma 4 (4p16.3). El diagnóstico molecular se basa en la detección de los cambios nucleotídicos 1138 G A y 1138 G C en dicha secuencia. -Síndrome de Marfan (tipo I) Enfermedad debida a mutaciones en el gen FBN1, localizado en el brazo mayor del cromosoma 15 (15q21). El diagnóstico molecular se basa en el rastreo de mutaciones en 6
los exones 13, 15, 21, 23, 24, 25 26, 27, 28, 43, 44, 55, 62, 63 y 65 del gen implicado o la secuenciación completa del mismo. Enfermedades autosómicas recesivas Dentro de esta familia de enfermedades se ubican aquellas donde el fenotipo de la patología sólo se expresa cuando están presentes los dos alelos mutantes. Esto significa que el genotipo heterocigota sólo es portador de la enfermedad, pero no enfermo. Esta característica hace que estas enfermedades sean más frecuentes en los niños, pues son ciegas en fenotipo para sus padres. En la siguiente figura se muestra una familia donde ambos progenitores son portadores de un alelo mutante para un gen dado y cuyo efecto fenotípico sólo es apreciable en el estado de homocigosis. Algunos ejemplos de patologías genéticas caracterizadas en este grupo son: -Fibrosis quística Enfermedad debida a mutaciones en los genes CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator), localizados en el brazo largo del cromosoma 7 (7q31). Se hayan caracterizadas alrededor de 1300 mutaciones, lo cual complica su diagnóstico molecular. Sin embargo, existen sistemas de rastreo de dichos cambios nucelotídicos puesto que tienen distinta frecuencia poblacional en los grupos étnicos humanos. -Enfermedad de Tay Sachs Enfermedad debida a mutaciones que afectan la cadena alfa de la betahexosaminidasa A, codificada por un gen ubicado en el brazo largo del cromosoma 15 (15q23-q24). El diagnóstico molecular puede realizarse detectando las mutaciones implicadas. Trastornos ligados al sexo Las enfermedades genéticas ligadas al sexo son aquellas donde los genes involucrados se encuentran posicionados en los cromosomas sexuales. Las más 7
comunes son las asociadas al X, puesto que las asociadas al Y, en general, están implicadas en problemas de fertilidad y por ende, no prosperan en la población humana, sino que suceden de novo. Puesto que los hombres portan un solo cromosoma X suelen verse más afectados que las mujeres. Esto es así porque la carga genética otorgada por el cromosoma X en el hombre es haploide y, por ende, siempre equivalente a una homocigosis. En cambio en las mujeres, la expresión de la enfermedad suele ser menos frecuente porque, en general, el estado de heterocigosis no expresa la patología. En la siguiente figura se muestra una familia donde la madre posee un alelo mutante para un gen ubicado en el cromosoma X. Algunos ejemplos de patologías genéticas caracterizadas en este grupo son: -Distrofia muscular de Duchenne Enfermedad debida a mutaciones en el gen de la distrofina, cuya longitud es de 2,4 Mpb conteniendo 79 exones (mayor al cromosoma de E. coli!!), ubicado en el brazo corto del cromosoma X (Xp2.13.3). Puesto que existen muchas mutaciones asociadas a la enfermedad, un sistema de diagnóstico molecular utilizado es la Multiplex-PCR. -Hemofilia B Enfermedad causada por una mutación que altera el factor IX de la cascada de la coagulación, produciendo un fenotipo hemorrágico. El gen que codifica para dicha proteína (F9) se encuentra en el brazo largo del cromosoma X, abarcando 33 kpb de longitud y conteniendo ocho exones (Xq26). El diagnóstico molecular puede ser llevado a cabo mediante la secuenciación completa del gen, o mediante la detección de mutaciones específicas mediante PCR. Existe una Hemofilia A, donde la afección se localiza en el gen F8 del mismo cromosoma, de 186 kpb (Xq28). -Microdeleciones del Y Enfermedad causada por la presencia de deleciones en las regiones AZFa, AZFb, AZFc del cromosoma Y. Todas ellas se asocian a la infertilidad masculina. 8