eduardo tizzano departmento de genética hospital sant pau, barcelona

Eduardo TizzanoEduardo Tizzano

Departmento de GenéticaDepartmento de Genética

Hospital Sant Pau, BarcelonaHospital Sant Pau, Barcelona

Genes modificadores en enfermedades Genes modificadores en enfermedades monogénicas: la hemofilia y la atrofia monogénicas: la hemofilia y la atrofia

muscular espinal como ejemplosmuscular espinal como ejemplos

TRANSFORMANDO LAS TRANSFORMANDO LAS ENFERMEDADES ENFERMEDADES

MONOGENICAS EN COMPLEJASMONOGENICAS EN COMPLEJAS

TIPOS DE ENFERMEDAD GENETICATIPOS DE ENFERMEDAD GENETICA

MONOGENICASPRODUCIDAS POR LA MUTACIÓN EN UN GEN MAYOR

CROMOSOMICAS

EXCESO O DÈFICIT DE GENES CONTENIDOS EN UN SEGMENTO O TODO UN CROMOSOMA

MULTIFACTORIALESRESULTADO DE LA COMBINACION DEL EFECTO DE GENES Y

EL MEDIO AMBIENTE

MITOCONDRIASNUCLEO

GENGEN

mRNAmRNA

PROTEINAPROTEINA

FENOTIPOFENOTIPO

MONOGENICOS

Enfermedades Genéticas

Monogénicas o Mendelianas

Patrones de herencia

Autosómica Dominante

Autosómico Recesivo

Ligada al X

Varios genesVarios genes

Varios RNAVarios RNA

Varias Varias PROTEINASPROTEINAS

FENOTIPOFENOTIPO

Medio

ambiente

Medio

ambiente

MULTIFACTORIALES

GENE

CELL

TISSUE

ORGAN

ORGANISM

SYSTEM

¿CUÁNDO SOSPECHAR LA INFLUENCIA DE GENES ¿CUÁNDO SOSPECHAR LA INFLUENCIA DE GENES MODIFICADORES EN UNA ENFERMEDAD MODIFICADORES EN UNA ENFERMEDAD

MONOGÉNICA?MONOGÉNICA?

Cuando el genotipo por sí solo no explica los cambios en el Cuando el genotipo por sí solo no explica los cambios en el fenotipo, es decir fenotipo, es decir correlación genotipo-fenotipo incompleta.correlación genotipo-fenotipo incompleta.

Cuando el efecto del medio ambiente sobre ese fenotipo no Cuando el efecto del medio ambiente sobre ese fenotipo no es claro o determinante.es claro o determinante.

Es decir, casi siempre.Es decir, casi siempre.

Secuencia del gen o su RNASecuencia del gen o su RNA

Factores EPIGENETICOSFactores EPIGENETICOS

METABOLISMO Y DEGRADACION DE LA PROTEINAMETABOLISMO Y DEGRADACION DE LA PROTEINA

GENES MODIFICADORESGENES MODIFICADORES

FACTORES AMBIENTALESFACTORES AMBIENTALES

EL EFECTO FINAL DE UN GEN ESTA EL EFECTO FINAL DE UN GEN ESTA INFLUENCIADO PORINFLUENCIADO POR

HemofiliasHemofilias

• Déficit de factor VIII (HA) y IX (HB)Déficit de factor VIII (HA) y IX (HB)

• Ambos genes localizados en el brazo largo del Ambos genes localizados en el brazo largo del cromosoma Xcromosoma X

• Grave (0-1%), moderada (2-5%), leve (5-Grave (0-1%), moderada (2-5%), leve (5-30%) de acuerdo a los niveles de actividad de 30%) de acuerdo a los niveles de actividad de los respectivos factoreslos respectivos factores

HemofiliasHemofilias• Mas de la mitad de los pacientes con HA Mas de la mitad de los pacientes con HA

grave tienen rearreglos estructurales grave tienen rearreglos estructurales (inversiones intron 22 e intron 1)(inversiones intron 22 e intron 1)

• En el resto se han descrito más de 500 En el resto se han descrito más de 500 mutaciones diferentesmutaciones diferentes

• En la hemofilia B no se han descubierto En la hemofilia B no se han descubierto mutaciones recurrentes como las inversiones mutaciones recurrentes como las inversiones de la hemofilia A de la hemofilia A

GRAN DELECION (EXON 14)

Exón 1 Exón 26

Exón 1 Exón 23 Exón 26Exón 22

INVERSION INTRON 22

Exón 13 Exón 15

Exón 1 Exón 26

INVERSION INTRON 1

Exón 2

Exón 1 Exón 26

GEN INTACTO

Clasificación

MODERADO

Cuadro clínico de la Hemofilia A

Valor del FcVIII Cuadro Clínico Frecuencia

GRAVE1% del normal

0,01 U/ mL

Hemorragia espontáneadesde la infancia.

Hemartrosis recurrente.

Hematomas gigantes.

60%

2 a 5% delnormal

0,01-0,05 U/ mL

Hemorragias secundarias a traumatismos.

Hemartrosis ocasional.

Hematomas rara vez.

15%

LEVE6 a 30% del

normal

0,05-0,4 U/mL

Hemorragias secundarias a traumatismos graves o

cirugía

25%

EPISODIOS DE HEMORRAGIASEPISODIOS DE HEMORRAGIAS

CONSUMO DE FACTORES DE REEMPLAZOCONSUMO DE FACTORES DE REEMPLAZO

NUMERO DE ARTROPATIASNUMERO DE ARTROPATIAS

ObservacionesObservaciones

• En los hemofílicos graves se pensó que En los hemofílicos graves se pensó que sangraban de manera diferente por el tipo sangraban de manera diferente por el tipo de mutación en el factor VIIIde mutación en el factor VIII

• Posteriormente se observó que los pacientes Posteriormente se observó que los pacientes con inversiones también sangraban de con inversiones también sangraban de maneras diferentesmaneras diferentes

TF +TF + VIIaVIIaInitial reactionInitial reaction

Spread stageSpread stage

VIIIaVIIIa

VaVaXX XaXaVaVa

TFPITFPI

ATAT

PCPC

VIIaVIIaIXaIXa

IXIX

XaXa

XXVIIIaVIIIa

ThrombusThrombus Haemostatic clotHaemostatic clot

VaVa

IIaIIa

IIaIIa

IIII

XIaXIa

XIXI

XIIaXIIaIIaIIa

FVL

• Gen del Factor V en el cromosoma 1 Gen del Factor V en el cromosoma 1 – Sustitución de una G Sustitución de una G A en nucleótido 1691 A en nucleótido 1691

Arginina506GlutaminaArginina506Glutamina (FVLeiden) (FVLeiden)

• Para la inactivación eficaz del factor V por la Para la inactivación eficaz del factor V por la proteína C activada, es necesario una arginina en la proteína C activada, es necesario una arginina en la posición 509. posición 509.

• El FVL se considera uno de los factores genéticos El FVL se considera uno de los factores genéticos mas frecuentes de riesgo para padecer trombofilia.mas frecuentes de riesgo para padecer trombofilia.

PT20210A• Gen de la Protrombina en el cromosoma 11Gen de la Protrombina en el cromosoma 11

20210 G20210 GA (región 3´ no traducida).A (región 3´ no traducida).• Los portadores de esta variante tienen niveles Los portadores de esta variante tienen niveles

elevados de protrombina en plasma incrementando 3 elevados de protrombina en plasma incrementando 3 veces el factor de riesgo para trombofilia. No está veces el factor de riesgo para trombofilia. No está claro si aumenta la transcripción, la estabilidad o la claro si aumenta la transcripción, la estabilidad o la eficiencia de traducción a proteína.eficiencia de traducción a proteína.

• Constituye el factor genético mas prevalente de Constituye el factor genético mas prevalente de tromboembolismo venoso en población española tromboembolismo venoso en población española ((Souto et al, Thromb Haemost 1998Souto et al, Thromb Haemost 1998).).

ObservacionesObservaciones

• El déficit de factor VIII y XI combinados puede El déficit de factor VIII y XI combinados puede ocasionar mayor gravedad que cada una de ellas ocasionar mayor gravedad que cada una de ellas por separado (por separado (Berg et al. Blood Coag Fibrin, Berg et al. Blood Coag Fibrin, 19941994))

• La presencia de factor V Leiden (FVL) y déficit La presencia de factor V Leiden (FVL) y déficit de proteína C combinados cursa con mayor de proteína C combinados cursa con mayor riesgo de trombosis que cada una de ellas por riesgo de trombosis que cada una de ellas por separadoseparado ((Koleman et al. Blood, 1994Koleman et al. Blood, 1994) )

HIPOTESIS:HIPOTESIS:

Pacientes afectados de una Pacientes afectados de una coagulopatía congénita pueden variar coagulopatía congénita pueden variar sus manifestaciones por influencia de sus manifestaciones por influencia de genes de trombosisgenes de trombosis..

Resultados

• 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)

• 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

Conclusiones

• 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.

GEN

FENOTIPOMODIFICADORES

MODIFICADORES

Conclusiones

• El FVL y la PT20210A parecen ser los primeros (la El FVL y la PT20210A parecen ser los primeros (la punta del iceberg) de una larga lista de factores punta del iceberg) de una larga lista de factores genéticos que deberán ser investigados para que genéticos que deberán ser investigados para que puedan ser aplicados posteriormente a la puedan ser aplicados posteriormente a la elaboración de perfiles de susceptibilidadelaboración de perfiles de susceptibilidad

PT20210APT20210A

FVLFVL

Protein CProtein C

Proten SProten S

Antithrombin IIIAntithrombin III

Factor XIFactor XI

Factor XIIFactor XII

??????????

ASTA ANTERIOR de la médula espinal

Neurona motora

Aspecto de las neuronas motoras postnatales en la AME

Aspecto de las neuronas motoras postnatales normales

ATROFIA MUSCULAR ESPINAL (AME)

• La pérdida y degeneración de las neuronas La pérdida y degeneración de las neuronas motoras del la médula espinal hacen que el motoras del la médula espinal hacen que el músculo pierda la inervación y se atrofie. músculo pierda la inervación y se atrofie.

• El gen que falta o está alterado se denomima El gen que falta o está alterado se denomima Survival Motor Neuron (SMN) y se identificó en Survival Motor Neuron (SMN) y se identificó en 1995.1995.

SMN 1

SMN 1 SMN 2

SMN 2

SMN 2

SMN 2

SMN 1SMN 2

SMN 2

A

B

C

Individuo no afectado con cuatro copias de gen SMN (2 de SMN1 y dos de SMN2)

Individuo portador con una copia de gen SMN 1 y dos de SMN2

Individuo afectado con ninguna copia de SMN1 y dos de SMN2

Nacimiento

6meses

18 meses

2-3 años

VIDA ADULTA

TIPO I Werdnig-Hoffmann

TIPO II IntermediaTIPO II - Intermedia

TIPO III - Kugelberg -Welander

SMN1

SMN2

DNA

SMN 2

SMN 2

I SMN 2

SMA patients have one or more SMA patients have one or more SMN2SMN2 genes which genes whichmodulate the disease severitymodulate the disease severity

No patient was described with total absence of the SMN genesNo patient was described with total absence of the SMN genes

SMN 2

SMN 2

II / III

SMN 2

SMN 2

SMN 2 SMN 2

SMN 2

Five nucleotides Five nucleotides differences between SMN1 differences between SMN1

and SMN2and SMN2

C

Exon 8Intron 6 Intron 7

A A G

Exon 7

G

T

Exon 8Intron 6 Intron 7

G G A

Exon 7

A

SMN 1

SMN 2

SMN 1SMN 2ADN

ARN mensajero

PROTEINA SMN2 (sin exon 7)

parcialmente funcionante

PROTEINA SMN1 (completa)

totalmente funcionante

EXONES

INTRONES

Efecto de la dosis del gen SMN2

Determinar la correlación entre el número de copias del gen SMN2 y el fenotipo :

16 tipo I 16 tipo I 87.5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias 87.5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias14 tipo II 86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias14 tipo II 86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias15 tipo III 87% tienen 3 o 4 copias, mayoría 3 ninguno con 1 copia15 tipo III 87% tienen 3 o 4 copias, mayoría 3 ninguno con 1 copia

TIPUS II14,30%

57,10%

28,50%

TIPUS III 13,30%

60%

26,70%

TIPUS I

62,50%

12,50%25,00%

1 Copia 2 Copias 3 Copias 4 Copias

Cuscó et al., Journal of Neurology, 2005

F1 F2

F3 F4

1 1

1 1

2 2

2 2

Famílies Nº Fenotip Edat d’inici

Edat de

Cadira de

rodes

Manifestació dels

símptomesEMG NAIP

SMN2

còpies

1 Tipus III 2 17 +++ D + 4F1

2 A - - - MUP + 4

1 Tipus III 8 12 +++ D + 4F2

2 Tipus IV 32 - + D + 4

1 Tipus III 2 12 +++ D + 3F3

2 Tipus III 2 - +/++ D + 3

1 Tipus II <1 2 ++++ D + 3F4

2 Tipus III 12 20 ++/+++ D + 3

ConclusionesConclusiones• El gen SMN2 es importante en la definición del El gen SMN2 es importante en la definición del

tipo de AME que va a presentar el paciente. tipo de AME que va a presentar el paciente. • En los casos de AME tipo II y III con hermanos En los casos de AME tipo II y III con hermanos

de fenotipo discordante, el gen SMN2 no es de fenotipo discordante, el gen SMN2 no es categórico, lo que indica la existencia de otros categórico, lo que indica la existencia de otros genes modificadoresgenes modificadores

• El tratamiento con fármacos para aumentar la El tratamiento con fármacos para aumentar la expresión del gen SMN2 es estudiado como expresión del gen SMN2 es estudiado como posible terapia en la AMEposible terapia en la AME

SMN1

SMN2

?????

EJEMPLOS DE ENFERMEDADES EJEMPLOS DE ENFERMEDADES MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES

GENES MODIFICADORES GENES MODIFICADORES INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL.INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL.

• Fibrosis quísticaFibrosis quística CFTRCFTR

• Enfermedad de HirschsprungEnfermedad de Hirschsprung RET, GNDF, EDN3, EDNRBRET, GNDF, EDN3, EDNRB

• Neurofibromatosis tipo 2Neurofibromatosis tipo 2 NF2NF2

• Craniosinostosis coronalCraniosinostosis coronal FGFR3FGFR3

• Hipoplasia adrenal congénitaHipoplasia adrenal congénita DAX1DAX1

• Enfermedad de GaucherEnfermedad de Gaucher GBAGBA

• FenilcetonuriaFenilcetonuria PAHPAH

• Sindrome del QT prolongado KVLQT1, HERQ, SCN5A, KCNE1Sindrome del QT prolongado KVLQT1, HERQ, SCN5A, KCNE1

ConclusionesConclusiones

• 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

GENGEN

mRNAmRNA

PROTEINAPROTEINA

FENOTIPOFENOTIPO

GENOMICAGENOMICA

TRANSCRIPTOMICATRANSCRIPTOMICA

PROTEOMICAPROTEOMICA

DETERMINANTEDETERMINANTE MODIFICADORESMODIFICADORES

GenómicaGenómicaEstudio del genoma de un organismo y de su funciónEstudio del genoma de un organismo y de su función

GenomaGenomaTodo el material genético contenido Todo el material genético contenido

en los cromosomas de un organismoen los cromosomas de un organismo

La genómica estructuralLa genómica estructural está orientada a la caracterización y está orientada a la caracterización y localización de las secuencias que componen el DNA de los genes.localización de las secuencias que componen el DNA de los genes.

La genómica funcionalLa genómica funcional plantea el estudio de la función de los plantea el estudio de la función de los genes que una célula expresa en condiciones determinadas.genes que una célula expresa en condiciones determinadas.

¿¿Qué debemos saber de un gen en términos de su función?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)

El transcriptoma es una colección completa de mRNA en El transcriptoma es una colección completa de mRNA en una célula en particular y en determinadas condiciones. una célula en particular y en determinadas condiciones. Incluye la transcripción, el procesamiento del RNA y su Incluye la transcripción, el procesamiento del RNA y su metabolismo.metabolismo.

LA GENOMICA FUNCIONAL SE SIRVE DE LA LA GENOMICA FUNCIONAL SE SIRVE DE LA TRANSCRIPTOMICA (RNA) Y DE LA PROTEOMICATRANSCRIPTOMICA (RNA) Y DE LA PROTEOMICA

Un gen puede producir muchos tipos de RNA (por Un gen puede producir muchos tipos de RNA (por splicing alternativo, por promotores alternativos, por splicing alternativo, por promotores alternativos, por inhibidores o estimuladores de la transcripción)inhibidores o estimuladores de la transcripción)

Las proteínas sintetizadas a partir de estos mRNA Las proteínas sintetizadas a partir de estos mRNA pueden ser modificadas por proteólisis, fosforilación, pueden ser modificadas por proteólisis, fosforilación, glicosilación. glicosilación.

ProteomaProteomaEl conjunto de proteínasEl conjunto de proteínas

que sintetiza una célula o un que sintetiza una célula o un organismo y su interrelación organismo y su interrelación específicaespecífica

Imagen dinámica de todas las proteínas expresadas por un Imagen dinámica de todas las proteínas expresadas por un organismo en un momento dado y en determinadas organismo en un momento dado y en determinadas

condiciones. condiciones. Combina los estudios bidimensionales de proteínas y la Combina los estudios bidimensionales de proteínas y la

espectrometría de masasespectrometría de masas

ProteómicaProteómicaEstudio del proteoma de un organismo: estructura, función, interrelacionesEstudio del proteoma de un organismo: estructura, función, interrelaciones

GENGEN

GENOMAGENOMA

PERFILES DE SUSCEPTIBILIDADPERFILES DE SUSCEPTIBILIDAD

Tipo de mutación, regulación, Tipo de mutación, regulación, expresión, variación secuencia, expresión, variación secuencia, degradación de la proteínadegradación de la proteína

Identificar variantes en genes candidatos ya caracterizados Identificar variantes en genes candidatos ya caracterizados Análisis del genoma completo (Análisis del genoma completo (genome wide analysisgenome wide analysis) )

TRANSCRIPTOMATRANSCRIPTOMACaracterizar los patrones de expresión de diversos genes o la Caracterizar los patrones de expresión de diversos genes o la

abundancia de determinados mRNA abundancia de determinados mRNA

PROTEOMAPROTEOMACaracterizar las moléculas funcionales de las células teniendo Caracterizar las moléculas funcionales de las células teniendo

en cuenta modificaciones postraduccionalesen cuenta modificaciones postraduccionales