DrBurgos
Thompson y Thompson. Genética en
Medicina
OCTAVA EDICIÓN
Robert L. Nussbaum MD, FACP, FACMG
Holly Smith Chair of Medicine and Science
Professor of Medicine, Neurology, Pediatrics and Pathology
Department of Medicine and Institute for Human Genetics
University of California San Francisco
San Francisco, California
Roderick R. McInnes CM, MD, PhD,
FRS(C), FCAHS, FCCMG
Alva Chair in Human Genetics
Canada Research Chair in Neurogenetics
Professor of Human Genetics and Biochemistry
Director, Lady Davis Institute
Jewish General Hospital
McGill University
Montreal, Quebec, Canada
Huntington F. Willard PhD
President and Director
The Marine Biological Laboratory
Woods Hole, Massachusetts
Professor of Human Genetics
University of Chicago
Chicago, Illinois
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Índice de capítulos
Instrucciones para el acceso en línea
Cubierta
Portada
Página de créditos
Prefacio
Agradecimientos
Capítulo 1: Introducción
El nacimiento y el desarrollo de la genética y la genómica
Genética y genómica en medicina
El futuro
Capítulo 2: Introducción al genoma humano
El genoma humano y las bases cromosómicas de la herencia
Variación en el genoma humano
Transmisión del genoma
Gametogénesis y fecundación humanas
Importancia médica de la mitosis y la meiosis
Capítulo 3: El genoma humano: estructura y función de los genes
Información contenida en el genoma humano
El dogma central: DNA → RNA → proteína
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Estructura y organización de los genes
Fundamentos de la expresión génica
La expresión génica en acción
Aspectos epigenéticos y epigenómicos de la expresión génica
La expresión génica como integración de señales genómicas y epigenómicas
Desequilibrio alélico en la expresión génica
Variación de la expresión génica y su importancia en medicina
Capítulo 4: Diversidad genética humana: mutación y polimorfismo
La naturaleza de la variación genética
Variación heredada y polimorfismo en el DNA
Origen y frecuencia de los diferentes tipos de mutaciones
Tipos de mutaciones y sus consecuencias
Variación en genomas individuales
Impacto de las mutaciones y el polimorfismo
Capítulo 5: Principios de citogenética clínica y análisis genómico
Introducción a la citogenética y al análisis genómico
Anomalías cromosómicas
Análisis cromosómico y genómico en el cáncer
Capítulo 6: Bases cromosómicas y genómicas de la enfermedad: trastornos de
los autosomas y de los cromosomas sexuales
Mecanismos de las anomalías
Aneuploidía
Disomía uniparental
Trastornos genómicos: síndromes de microdeleciones y duplicaciones
Anomalías cromosómicas idiopáticas
Segregación de las anomalías familiares
Trastornos asociados con impronta genómica
Los cromosomas sexuales y sus anomalías
Trastornos del desarrollo sexual
Trastornos del neurodesarrollo y discapacidad intelectual
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Capítulo 7: Patrones de herencia monogénica
Panorámica general y conceptos
Árboles genealógicos
Herencia mendeliana
Patrones autosómicos de herencia mendeliana
Herencia ligada al cromosoma X
Herencia pseudoautosómica
Mosaicismo
Efectos del progenitor de origen sobre los patrones de herencia
Mutaciones dinámicas: expansión de repeticiones inestables
Herencia materna de trastornos causados por mutaciones en el genoma mitocondrial
Correlación entre genotipo y fenotipo
Importancia de la historia familiar en la práctica médica
Capítulo 8: Genética de las enfermedades multifactoriales comunes con
herencia compleja
Rasgos cualitativos y cuantitativos
Agregación familiar y correlación
Determinación de las contribuciones relativas de los genes y el ambiente a las enfermedades
complejas
Ejemplos de enfermedades multifactoriales frecuentes con contribución genética
Ejemplos de rasgos multifactoriales con factores genéticos y ambientales específicos conocidos
El desafío de las enfermedades multifactoriales con herencia compleja
Capítulo 9: Variación genética en las poblaciones
Genotipos y fenotipos en las poblaciones
Factores que alteran el equilibrio de Hardy-Weinberg
Diferencias étnicas en la frecuencia de varias enfermedades genéticas
Genética y ancestros
Capítulo 10: Identificación de la base genética de las enfermedades humanas
Base genética para el análisis de ligamiento y la asociación
Mapeo de los genes humanos causantes de enfermedades
Del mapeo génico a la identificación de genes
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Búsqueda de genes responsables de enfermedades mediante secuenciación del genoma
Capítulo 11: Bases moleculares de las enfermedades genéticas: Principios
generales y lecciones aprendidas de las hemoglobinopatías
Cómo afectan las mutaciones a la función proteica
Cómo alteran las mutaciones la formación de proteínas biológicamente normales
Relación entre genotipo y fenotipo en la enfermedad genética
Hemoglobinas
Hemoglobinopatías
Capítulo 12: Bases moleculares, bioquímicas y celulares de las enfermedades
genéticas
Enfermedades debidas a mutaciones en diferentes clases de proteínas
Enfermedades relacionadas con enzimas
Defectos de los receptores proteicos
Defectos del transporte
Trastornos de las proteínas estructurales
Enfermedades neurodegenerativas
Conclusión
Capítulo 13: Tratamiento de la enfermedad genética
Situación actual del tratamiento de las enfermedades genéticas
Consideraciones especiales en el tratamiento de las enfermedades genéticas
Tratamiento mediante modificación del metabolismo
Tratamiento para aumentar la función del gen o proteína alterada
Terapia génica
Medicina de precisión: presente y futuro del tratamiento de las enfermedades mendelianas
Capítulo 14: Genética del desarrollo y malformaciones congénitas
Biología del desarrollo en medicina
Introducción a la biología del desarrollo
Influencia de los genes y el ambiente en el desarrollo
Conceptos básicos en biología del desarrollo
Mecanismos celulares y moleculares del desarrollo
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Interacción de los mecanismos del desarrollo en la embriogénesis
Conclusión
Capítulo 15: Genética y genómica del cáncer
Neoplasia
Bases genéticas del cáncer
Cáncer familiar
Incidencia familiar de cáncer
Cáncer esporádico
Cambios citogenéticos en el cáncer
Aplicación de la genómica a la individualización del tratamiento del cáncer
Cáncer y ambiente
Capítulo 16: Evaluación del riesgo y asesoramiento genético
Antecedentes familiares en la evaluación del riesgo
Asesoramiento genético en la práctica clínica
Determinación de los riesgos de recurrencia
Riesgos de recurrencia empíricos
Diagnóstico molecular y basado en el genoma
Capítulo 17: Diagnóstico y cribado prenatales
Métodos de diagnóstico prenatal
Indicaciones para el diagnóstico prenatal mediante pruebas invasivas
Cribado prenatal
Pruebas de laboratorio
Asesoramiento genético para el diagnóstico y cribado prenatales
Capítulo 18: Aplicación de la genómica a la medicina y la asistencia sanitaria
personalizada
Pruebas de cribado genético en grupos de población
Farmacogenómica
La farmacogenómica como un rasgo complejo
Pruebas de cribado para la detección de la susceptibilidad genética frente a la enfermedad
Medicina genómica personalizada
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Capítulo 19: Aspectos éticos y sociales en genética y genómica
Principios de ética biomédica
Dilemas éticos en genética médica
Confidencialidad de la información genética
Efectos eugenésicos y disgenésicos de la genética médica
Genética en medicina
Casos clínicos
Caso 1: Síndrome de Stevens-Johnson inducido por abacavir/necrólisis epidérmica tóxica (Reacción
farmacológica adversa genética determinada inmunológicamente)
Caso 2: Acondroplasia (Mutación en FGFR3, MIM 100800)
Caso 3: Degeneración macular ASOCIada con la edad (Variantes del factor H del complemento, MIM
603075)
Caso 4: Enfermedad de Alzheimer (Disfunción de las neuronas cerebrales y muerte, MIM 104300)
Caso 5: Autismo/síndrome de deleción 16p11.2 (Susceptibilidad a trastornos del espectro del autismo,
MIM 611913)
Caso 6: Síndrome de Beckwith-Wiedemann (Disomía uniparental y defecto de imprinting, MIM
130650)
Caso 7: Cáncer de mama y cáncer de ovario hereditarios (Mutaciones de BRCA1 y BRCA2)
Caso 8: Enfermedad de Charcot-Marie-Tooth tipo 1A (Mutación o duplicación en PMP22, MIM 118220)
Caso 9: Síndrome CHARGE (Mutación en CHD7, MIM 214800)
Caso 10: Leucemia mieloide crónica (Oncogén BCR-ABL1)
Caso 11: Enfermedad de Crohn (Aumento de riesgo por mutaciones en NOD2)
Caso 12: Fibrosis quística (Mutación en CFTR, MIM 219700)
Caso 13: Sordera (no sindrómica) (Mutación en GJB2, MIM 220290)
Caso 14: Distrofia muscular de Duchenne (Mutación de la distrofina [DMD], MIM 310200)
Caso 15: Poliposis adenomatosa familiar (Mutación en APC, MIM 175100)
Caso 16: Hipercolesterolemia familiar (Mutación en el receptor de lipoproteínas de baja densidad
[LDLR], MIM 143890)
Caso 17: Síndrome del X frágil (Mutación en FMR1, MIM 300624)
Caso 18: Enfermedad de Gaucher tipo I (no neuropática) (Mutación en GBA1, MIM 230800)
Caso 19: Deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (Mutación en G6PD, MIM 305900)
Caso 20: Hemocromatosis hereditaria (Mutación en HFE, MIM 235200)
Caso 21: Hemofilia (Mutación en F8 o F9, MIM 307600 y MIM 306900)
Caso 22: Enfermedad de Hirschsprung (Neurocrestopatía, MIM 142623)
Caso 23: Holoprosencefalia (forma no sindrómica) (Mutación en sonic hedgehog (SHH), MIM 236100)
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Caso 24: Enfermedad de Huntington (Mutación en HD, MIM 143100)
Caso 25: Miocardiopatía hipertrófica (Mutaciones en el gen del sarcómero humano, MIM 192600)
Caso 26: Diabetes mellitus insulinodependiente (TIPO 1) (Destrucción autoinmune de las células
pancreáticas beta, MIM 222100)
Caso 27: Retraso DE crecimiento intrauterino (Cariotipo fetal anormal)
Caso 28: Síndrome del QT largo (Mutaciones del gen del canal iónico cardíaco; MIM 192500)
Caso 29: Síndrome de Lynch (Mutación del gen reparador de emparejamientos erróneos de DNA, MIM
120435)
Caso 30: Síndrome de Marfan (Mutación en FBN1, MIM 154700)
Caso 31: Déficit de acil-CoA deshidrogenasa de cadena media (Mutación ACADM, MIM 201450)
Caso 32: Síndrome de Miller-Dieker (Deleción heterocigota en 17p13.3, MIM 247200)
Caso 33: Epilepsia mioclónica con fibras rojas rasgadas (Mutación en tRNAlys mitocondrial, MIM
545000)
Caso 34: Neurofibromatosis 1 (Mutaciones en NF1, MIM 162200)
Caso 35: Diabetes mellitus no insulinodependiente (tipo 2) (Deficiencia y resistencia a la insulina, MIM
125853)
Caso 36: Deficiencia de ornitina transcarbamilasa (Mutación en OTC, MIM 311250)
Caso 37: Enfermedad poliquística renal (Mutaciones en PKD1 y PKD2, MIM 173900 y MIM 613095)
Caso 38: Síndrome de Prader-Willi (Ausencia de la región 15q11-q13 derivada del padre, MIM
176270)
Caso 39: Retinoblastoma (Mutación en RB1, MIM 180200)
Caso 40: Síndrome de Rett (Mutaciones en MeCP2, MIM 312750)
Caso 41: Trastorno deL desarrollo sexual (varón 46,XX) (Translocación en SRY, MIM 400045)
Caso 42: Anemia falciforme (Mutación Glu6Val en el gen de la β-globina, MIM 603903)
Caso 43: Enfermedad de Tay-Sachs (Mutación en HEXA, MIM 272800)
Caso 44: Talasemia (Deficiencia de α o β-globina, MIM 141800 y MIM 613985)
Caso 45: Deficiencia de tiopurina S-metiltransferasa (Polimorfismos del TPMT, MIM 610460)
Caso 46: Trombofilia (Mutaciones en FV y PROC, MIM 188055 y MIM 176860)
Caso 47: Síndrome de Turner (Monosomía X en mujeres)
Caso 48: Xeroderma pigmentoso (Defecto del mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos)
Glosario
Créditos de figuras
Respuestas a los problemas
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Índice alfabético
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Página de créditos
Avda. Josep Tarradellas, 20-30, 1.˚ - 08029, Barcelona, España
Thompson & Thompson Genetics in Medicine
Copyright © 2016 by Elsevier Inc. All rights reserved.
Previous editions copyrighted 2007, 2004, 2001, 1991, 1986, 1980, 1973, 1966.
ISBN original: 978-1-4377-0696-3
This translation of Thompson & Thompson Genetics in Medicine, 8e, by Robert L.
Nussbaum, Roderick R. McInnes and Huntington F. Willard, was undertaken
by Elsevier España, S.L.U., and is published by arrangement with Elsevier
Inc.
Esta traducción de Thompson & Thompson Genetics in Medicine, 8e, de Robert L.
Nussbaum, Roderick R. McInnes y Huntington F. Willard ha sido llevada a
cabo por Elsevier España, S.L.U., y se publica con el permiso de Elsevier Inc.
Thompson y Thompson. Genética en Medicina, 8.ª ed., de Robert L. Nussbaum,
Roderick R. McInnes y Huntington F. Willard. © 2016 Elsevier España. 7.ª
edición © 2007 Elsevier España.
ISBN: 978-84-458-2642-3
eISBN: 978-84-458-2643-0
Fotocopiar es un delito. (Art. 270 C.P.)
Para que existan libros es necesario el trabajo de un importante colectivo
(autores, traductores, dibujantes, correctores, impresores, editores…). El
principal beneficiario de ese esfuerzo es el lector que aprovecha su contenido.
Quien fotocopia un libro, en las circunstancias previstas por la ley, delinque y
contribuye a la «no» existencia de nuevas ediciones. Además, a corto plazo,
encarece el precio de las ya existentes.
Este libro está legalmente protegido por los derechos de propiedad
intelectual. Cualquier uso, fuera de los límites establecidos por la legislación
vigente, sin el consentimiento del editor, es ilegal. Esto se aplica en particular
a la reproducción, fotocopia, traducción, grabación o cualquier otro sistema
de recuperación de almacenaje de información.
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Adve r te ncia
La medicina es un área en constante evolución. Aunque deben seguirse unas
precauciones de seguridad estándar, a medida que aumenten nuestros
conocimientos gracias a la investigación básica y clínica habrá que introducir
cambios en los tratamientos y en los fármacos. En consecuencia, se
recomienda a los lectores que analicen los últimos datos aportados por los
fabricantes sobre cada fármaco para comprobar la dosis recomendada, la vía
y duración de la administración y las contraindicaciones. Es responsabilidad
ineludible del médico determinar la dosis y el tratamiento más indicado para
cada paciente en función de su experiencia y del conocimiento de cada caso
concreto. Ni los editores ni los directores asumen responsabilidad alguna por
los daños que pudieran generarse a personas o propiedades como
consecuencia del contenido de esta obra.
El editor
Revisión científica:
Dr. Josep Oriola Ambròs
Profesor Agregado, Unidad de Genética, Departamento de Ciencias
Fisiológicas I,
Facultad de Medicina, Universitat de Barcelona
Consultor, Servicio de Bioquímica y Genética Molecular, CDB. Hospital
Clínic, Barcelona
Dr. Rafael Oliva Virgili
Catedrático de Universidad, Coordinador de la Unidad de Genética,
Departamento de Ciencias Fisiológicas I,
Facultad de Medicina, Universitat de Barcelona
Consultor Senior, Servicio de Bioquímica y Genética Molecular, CDB.
Hospital Clínic, Barcelona
Depósito legal: B 578-2016
Impreso en España
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Prefacio
En su prefacio a la primera edición de Genética en medicina, publicado hace
casi 50 años, James y Margaret Thompson escribieron:
La genética es fundamental para la educación básica en medicina preclínica
y tiene aplicaciones importantes en la medicina clínica, la salud pública y la
investigación médica… Este libro se ha redactado para introducir al
estudiante de medicina en los principios de la genética y para ofrecerle una
base sobre la que pueda avanzar en la extensa y rápidamente creciente
bibliografía que se publica en este campo. Si sus colegas de mayor edad
también lo encuentran útil estaremos doblemente satisfechos.
Lo que era cierto entonces lo es incluso más en la actualidad, ya que
nuestro conocimiento sobre la genética y el genoma humano está empezando
a formar parte integral de la salud pública y de la práctica de la medicina. En
esta nueva edición de Genética en medicina, la octava, se ha pretendido
alcanzar los objetivos de las siete ediciones previas a través de una exposición
precisa de los principios fundamentales de la genética humana y la genómica.
Mediante ejemplos ilustrativos extraídos de la práctica clínica, se siguen
destacando los genes y los mecanismos moleculares que actúan en las
enfermedades humanas.
Sin embargo, desde la última edición de este libro han cambiado muchas
cosas. El rápido ritmo de progreso impulsado por el Proyecto Genoma
Humano nos ha proporcionado un catálogo de la totalidad de los genes del
ser humano, su secuencia y una amplia base de datos (todavía en fase de
construcción) sobre las variaciones genéticas humanas en todo el mundo y su
relación con la enfermedad. La información genómica ha estimulado la
creación de herramientas nuevas y robustas que están cambiando la
investigación en genética humana y la práctica de la genética médica. Por
estas razones, se ha ampliado el objetivo de este libro para incorporar
aspectos de la medicina personalizada, incluyendo un número mayor de
ejemplos relativos al modo en que se está utilizando la genómica para
identificar la contribución de la variación génica a la susceptibilidad frente a
las enfermedades y al resultado de su tratamiento.
Este libro no pretende ser un compendio de enfermedades genéticas ni
tampoco un tratado enciclopédico de la genética y la genómica humanas en
general. En lugar de ello, los autores esperan que esta octava edición de
Genética en medicina ofrezca al estudiante un marco genérico para el
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14
conocimiento de la especialidad de la genética médica y la genómica, al
tiempo que le proporciona los fundamentos sobre los cuáles establecer un
programa de formación continuada en esta especialidad. Los casos clínicos,
que fueron introducidos por primera vez en la sexta edición para la
demostración y el refuerzo de los principios generales de la herencia, la
patogenia, el diagnóstico y el tratamiento de las enfermedades, así como para
el conocimiento de todo lo relativo al asesoramiento genético, siguen
constituyendo una característica importante de este libro. En esta nueva
edición se ha ampliado el número de casos para incluir los trastornos
complejos más habituales. Con el objetivo de potenciar aún más el valor
docente de la sección de casos clínicos, se ha mantenido a lo largo de todo el
texto (marcado en verde) el número identificativo de cada uno de ellos para
dirigir al lector al caso en la sección de casos clínicos que sea relevante para
los conceptos que se están exponiendo en ese momento en el texto.
Cualquier estudiante de medicina o de asesoramiento genético,
pregraduados o graduados en genética o genómica, residentes de cualquier
campo de la medicina clínica, médicos u otros profesionales sanitarios, como
enfermeros o fisioterapeutas, descubrirán que este libro es una completa,
aunque no exhaustiva (ni extenuante) presentación de los fundamentos de la
genética humana y genómica aplicadas a la salud y la enfermedad.
Robert L. Nussbaum, MD
Roderick R. McInnes, MD, PhD
Huntington F. Willard, PhD
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Agradecimientos
Los autores desean expresar su reconocimiento y gratitud a los muchos
colegas que, a través de sus ideas, sugerencias y críticas, han mejorado la
octava edición de Genética en medicina. En especial, estamos agradecidos a
Anthony Wynshaw-Boris por haber compartido sus conocimientos y
experiencia en dismorfología molecular y genética del desarrollo en la
redacción del capítulo 14 y a Ada Hamosh por su continua dedicación y
cuidado de los casos clínicos.
También queremos dar las gracias a Mark Blostein, Isabelle Carrier,
Eduardo Diez, Voula Giannopoulos, Kostas Pantopoulos y Prem Ponka del
Lady Davis Institute, McGill University; Katie Bungartz; Peter Byers de la
University of Washington; Philippe Campeau del Sainte-Justine University
Hospital Research Center; Ronald Cohn, Chris Pearson, Peter Ray, Johanna
Rommens y Stephen Scherer del Hospital for Sick Children, Toronto; Gary
Cutting y Ada Hamosh de la Johns Hopkins School of Medicine; Beverly
Davidson del Children’s Hospital of Philadelphia; Harold C. Dietz del
Howard Hughes Medical Institute y la Johns Hopkins School of Medicine;
Evan Eichler del Howard Hughes Medical Institute y la University of
Washington; Geoffrey Ginsburg del Duke University Medical Center;
Douglas R. Higgs y William G. Wood del Weatherall Institute of Molecular
Medicine, Oxford University; Katherine A. High del Howard Hughes
Medical Institute y el Children’s Hospital of Philadelphia; Ruth Macpherson
del University of Ottawa Heart Institute; Mary Norton de la University of
California San Francisco; Crista Lese Martin del Geisinger Health System; M.
Katharine Rudd y Lora Bean de la Emory University School of Medicine; Eric
Shoubridge de la McGill University; Peter St. George-Hyslop de la University
of Toronto y el Cambridge Institute for Medical Research; Paula Waters de la
University of British Columbia; Robin Williamson; Daynna Wolff de la
Medical University of South Carolina; y Huda Zoghbi del Howard Hughes
Medical Institute y del Baylor College of Medicine.
Queremos extender nuestro agradecimiento a nuestros editores en Elsevier,
Joan Ryan, Mary Pohlman y Meghan Ziegler, que siempre han mostrado su
perseverancia, determinación y ayuda. Lo que es más importante,
agradecemos una vez más a nuestras familias su paciencia y comprensión por
las muchas horas que hemos dedicado a elaborar esta octava edición de
Genética en medicina.
Por último, expresamos nuestra más profunda gratitud a la Dra. Margaret
Thompson por ofrecernos la oportunidad de mantener el legado de este libro,
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que fue creado por ella hace casi 50 años junto con su marido, James S.
Thompson, ya fallecido. Peggy murió a los 94 años, después de haber
completado esta última revisión de su libro. Esta obra, conocida amplia y
simplemente como el «Thompson y Thompson», pervive como un legado de
su trabajo y de su pasión por la genética en medicina.
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CAPÍTULO 1
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18
Introducción
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El nacimiento y el desarrollo de la genética
y la genómica
En pocas áreas de la ciencia y la medicina se están presenciando avances al
ritmo de los que se están sucediendo en los campos relacionados con la
genética y la genómica. Por ello, hoy en día puede parecer sorprendente para
muchos estudiantes comprobar que el reconocimiento del papel de la
genética en la medicina se remonta a hace más de un siglo, cuando el médico
británico Archibald Garrod y otros científicos comprobaron que las leyes de
Mendel de la herencia podían explicar la recurrencia de ciertas enfermedades
en familias. Durante los años siguientes, con los avances de la biología celular
y molecular, el campo de la genética médica pasó de ser una pequeña
subespecialidad clínica implicada en tan sólo algunos trastornos hereditarios
raros a convertirse en una especialidad médica reconocida cuyos conceptos y
enfoques constituyen un componente importante del diagnóstico y del
tratamiento de muchas enfermedades, tanto frecuentes como infrecuentes.
A comienzos del siglo xxi, el Proyecto Genoma Humano proporcionó una
secuencia casi completa del DNA humano —nuestro genoma (el sufijo –oma
procede de la palabra griega que significa «todo» o «completo»)—. que ahora
sirve como base para catalogar a todos los genes humanos, comprender su
estructura y regulación, determinar el grado de variación en estos genes en
distintas poblaciones y descubrir cómo la variación genética contribuye a la
enfermedad. El genoma humano de cualquier individuo puede estudiarse en
la actualidad por completo, en lugar de un gen cada vez. Estos avances hacen
posible la medicina genómica, que persigue la aplicación a gran escala del
análisis del genoma humano y sus productos (incluyendo el control de la
expresión genética, la variación de los genes humanos y las interacciones
entre los genes y el ambiente) en la asistencia médica.
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20
Genética y genómica en medicina
La práctica de la genética
El genetista médico suele ser un médico que trabaja integrado en un equipo
de profesionales sanitarios, compuesto por muchos otros médicos,
enfermeras y asesores genéticos, para evaluar a los pacientes y detectar
posibles enfermedades hereditarias. Se encarga de caracterizar la enfermedad
del paciente mediante una historia clínica y una exploración física
cuidadosas, de evaluar las posibles formas de herencia, de solicitar las
pruebas diagnósticas, de desarrollar planes terapéuticos y de seguimiento, así
como de identificar e informar a otros miembros de la familia que estén en
situación de riesgo de desarrollar la enfermedad.
Sin embargo, los principios y enfoques genéticos no se restringen a una sola
especialidad o subespecialidad médica, sino que intervienen en muchas áreas
de la medicina (tal vez en todas). A continuación se exponen unos pocos
ejemplos de cómo la genética y la genómica se aplican en la medicina actual:
• Un pediatra evalúa a un niño con múltiples malformaciones congénitas y
solicita una prueba genómica de alta resolución para detectar deleciones o
duplicaciones cromosómicas submicroscópicas que están por debajo del
nivel de resolución del análisis cromosómico de rutina (Caso 32).
• Un asesor genético especializado en cáncer de mama hereditario ofrece
información, posibilidad de realización de pruebas, interpretación y apoyo
a una mujer joven con antecedentes familiares de cáncer de mama y de
ovario (Caso 7).
• Un ginecólogo envía una muestra de vellosidades coriónicas (obtenida en
una mujer de 38 años de edad, embarazada) a un laboratorio de
citogenética para confirmar la existencia de alteraciones en el número o la
estructura de los cromosomas fetales, después de un resultado positivo en
las pruebas de cribado realizadas en un análisis de sangre prenatal no
invasivo (v. cap. 17).
• Un hematólogo combina información derivada de los antecedentes
familiares y médicos con la realización de pruebas genéticas a un adulto
joven que sufre una trombosis venosa profunda, con objeto de determinar
la utilidad y los posibles riesgos de iniciar y mantener un tratamiento
anticoagulante (Caso 46).
• Un cirujano utiliza el análisis de la expresión génica de una muestra de un
tumor pulmonar para determinar el pronóstico y para guiar la toma de
decisiones terapéuticas (v. cap. 15).
• Un oncólogo pediátrico estudia en sus pacientes las variaciones genéticas
que pueden predecir una buena respuesta o una reacción adversa frente a
un fármaco quimioterapéutico (Caso 45).
• Un neurólogo y un asesor genético ofrecen la realización de pruebas del
gen APOE para la susceptibilidad a la enfermedad de Alzheimer a una
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21
mujer con antecedentes familiares de la enfermedad, para que pueda
planificar y organizar su futuro especialmente en relación con los aspectos
económicos (Caso 4).
• Un patólogo forense utiliza las bases de datos de los polimorfismos
genéticos en el análisis de muestras de DNA obtenidas en los objetos
personales de las víctimas y en los familiares de las mismas, con objeto de
identificar los restos humanos recogidos tras un accidente de aviación.
• Un gastroenterólogo solicita un análisis de la secuencia genómica de un
niño con una historia de varios años de enfermedad inflamatoria intestinal
potencialmente mortal y no tratable. La secuenciación muestra una
mutación en un gen previamente no sospechado, lo que aclara el
diagnóstico clínico y modifica el tratamiento del paciente (v. cap. 16).
• Los científicos de la industria farmacéutica secuencian el DNA de células
cancerosas para identificar los cambios específicos en las vías de
señalización oncogénicas activadas inadecuadamente por una mutación
somática, lo que permite el desarrollo de inhibidores específicos que
inducen remisiones de los cánceres en los pacientes (Caso 10).
Categorías de enfermedades genéticas
Casi todas las enfermedades son el resultado de una acción combinada de los
genes y el ambiente, pero el papel relativo desempeñado por el componente
genético puede ser mayor o menor. Entre las enfermedades causadas total o
parcialmente por factores genéticos se reconocen tres tipos principales de
trastornos: cromosómicos, monogénicos y multifactoriales.
En los trastornos cromosómicos el defecto no se debe a un error simple en
la secuencia genética, sino a un exceso o un defecto de los genes localizados
en cromosomas enteros o fragmentos cromosómicos. Por ejemplo, la
presencia de una copia extra de un cromosoma, el 21, produce un trastorno
específico, el síndrome de Down, aunque ninguno de los genes individuales
del cromosoma sea anómalo. La duplicación o deleción de segmentos más
pequeños de cromosomas, de un tamaño que oscila entre el de un único gen
hasta el de un pequeño porcentaje de la longitud cromosómica, puede causar
malformaciones congénitas complejas como el síndrome de DiGeorge o
incluso únicamente autismo sin anomalías físicas evidentes. En conjunto, los
trastornos cromosómicos son bastante comunes, pues afectan a 7 de cada
1.000 nacidos vivos y producen alrededor de la mitad de los abortos
espontáneos del primer trimestre. Estos tipos de trastornos se exponen en el
capítulo 6.
Los defectos monogénicos están causados por mutaciones patógenas en
genes individuales. La mutación puede estar presente en ambos cromosomas
homólogos de un par (uno de origen paterno y otro de origen materno) o sólo
en un cromosoma del par (emparejado con una copia normal de ese gen en el
otro cromosoma homólogo). Los defectos monogénicos suelen causar
enfermedades que siguen uno de los patrones clásicos de herencia en las
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22
familias (autosómico recesivo, autosómico dominante o ligado al X). En unos
pocos casos la mutación se encuentra en el genoma mitocondrial en lugar de
en el genoma nuclear. En cualquier caso, la causa es un error crítico en la
información genética contenida en un solo gen. Los trastornos monogénicos
como la fibrosis quística (Caso 12), la anemia de células falciformes (Caso 42)
y el síndrome de Marfan (Caso 30) suelen mostrar patrones genealógicos
obvios y característicos. La mayoría de estos defectos son raros, con
frecuencias que como mucho llegan a ser de un paciente por cada 500-1.000
individuos, aunque generalmente son muy inferiores. A pesar de que
individualmente son raros, los trastornos monogénicos son, en conjunto,
responsables de una importante proporción de enfermedades y muertes. De
forma global, la incidencia de trastornos monogénicos graves en la población
pediátrica se ha estimado en alrededor de 1 de cada 300 lactantes nacidos
vivos; a lo largo de la vida, la prevalencia de trastornos monogénicos es de
1/50. Estos trastornos se exponen en el capítulo 7.
Las enfermedades multifactoriales con una herencia compleja
constituyen la mayor parte de las enfermedades, en las que existe una
contribución genética, según se deduce del aumento en el riesgo de
enfermedad (en comparación con la población general) en gemelos idénticos
o familiares próximos de los individuos afectados, sin que los antecedentes
familiares se ajusten a los patrones de herencia de los defectos monogénicos.
Entre las enfermedades multifactoriales están las malformaciones congénitas,
como la enfermedad de Hirschsprung (Caso 22), el labio leporino y el paladar
hendido, así como las cardiopatías congénitas y numerosas enfermedades
frecuentes en la vida adulta, como la enfermedad de Alzheimer (Caso 4), la
diabetes y la cardiopatía isquémica. En muchas de estas enfermedades no
parece existir un error único en la información genética, sino que la
enfermedad se debe al efecto combinado de variantes de genes diferentes;
cada variante puede causar, proteger o predisponer a un defecto grave, a
menudo mediante una acción conjunta con factores ambientales o
desencadenada por éstos. Las estimaciones acerca del impacto de las
enfermedades multifactoriales oscilan entre el 5% en la población pediátrica y
más del 60% en la población general. Estas enfermedades se exponen con
detalle en el capítulo 8.
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23
El futuro
Durante los 50 años de vida profesional que les esperan a los profesionales y
estudiantes de medicina actuales, se prevén importantes cambios en el
descubrimiento, el desarrollo y el uso de los conocimientos y herramientas
genéticos y genómicos en medicina. A juzgar por la rápida aceleración a la
que se han sucedido los descubrimientos simplemente en la última década,
podemos afirmar que sólo estamos al principio de una revolución que
integrará el conocimiento de la genética y del genoma en la salud pública y la
práctica de la medicina. El conocimiento del lenguaje y los conceptos de la
genética humana y médica, así como la valoración de la perspectiva genética
y genómica sobre la salud y la enfermedad, establecerán un marco de
aprendizaje continuado que debe formar parte de la carrera de todos los
profesionales sanitarios.
DrBurgos
24
Bibliografía general
Feero WG, Guttmacher AE, Collins FS. Genomic medicine—an updated primer. N Engl J Med.
2010;362:2001–2011.
Ginsburg G, Willard HF, eds. Genomic and personalized medicine, vols 1 & 2. New York: Elsevier; 2012.
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25
CAPÍTULO 2
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26
Introducción al genoma humano
La comprensión de la organización, la variación, y la transmisión del genoma
humano es fundamental para apreciar el papel de la genética en la medicina,
así como los principios emergentes de la medicina genómica y personalizada.
La disponibilidad de la secuencia del genoma humano y la conciencia
creciente del papel de la variación del genoma en las enfermedades permiten
en la actualidad comenzar a aprovechar el impacto de dicha variación en la
salud humana a gran escala. La comparación de genomas individuales pone
de relieve la primera lección que debe extraerse de este libro: cada persona tiene
su propia constitución única de productos génicos, que se produce en respuesta a las
aportaciones combinadas de la secuencia del genoma y del conjunto de exposiciones y
experiencias ambientales de cada uno. Como se ha señalado en el capítulo
anterior, esta concienciación refleja lo que Garrod denominó individualidad
química hace más de un siglo y proporciona un concepto básico para la
práctica de la medicina genómica y personalizada.
Por tanto, los avances en la tecnología del genoma y la consiguiente
explosión del conocimiento y la información derivada del Proyecto Genoma
Humano desempeñan un papel cada vez mayor de cambio en la integración y
la aplicación de conceptos y descubrimientos genéticos en la práctica médica.
Aná lisis cr om osóm ico y de l ge nom a e n m e dicina
clínica
El análisis cromosómico y del genoma se ha convertido en un procedimiento
diagnóstico importante en medicina clínica. Como se describe con más
detalle en los capítulos siguientes, entre estas aplicaciones se pueden citar:
• Diagnóstico clínico. Muchas enfermedades, incluidas algunas que son
frecuentes, se asocian con cambios del número o de la estructura de los
cromosomas y requieren un análisis cromosómico o del genoma para el
diagnóstico y el asesoramiento genético (v. caps. 5 y 6).
• Identificación de genes. Un objetivo principal de la genética y genómica
médicas actuales es la identificación de genes específicos y la comprensión
de su significado en la salud y la enfermedad. Este tema se comenta
repetidamente, pero se describe en detalle en el capítulo 10.
• Genómica del cáncer. Diversos cambios genómicos y cromosómicos en las
células somáticas intervienen en la iniciación y progresión de muchos tipos
de cáncer (v. cap. 15).
• Tratamiento de enfermedades. La evaluación de la integridad, la
composición y el estado de diferenciación del genoma es fundamental para
el desarrollo de células madre pluripotentes específicas del paciente con
vistas a su uso terapéutico (v. cap. 13).
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27
• Diagnóstico prenatal. El análisis cromosómico y del genoma es un
procedimiento esencial en el diagnóstico prenatal (v. cap. 17).
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28
El genoma humano y las bases
cromosómicas de la herencia
La apreciación de la importancia de la genética para la medicina requiere un
conocimiento de la naturaleza del material hereditario, cómo se almacena en
el genoma humano y cómo se transmite de célula a célula durante la división
celular, y de generación en generación durante la reproducción. El genoma
humano se compone de grandes cantidades de ácido desoxirribonucleico
(DNA), que contiene en su estructura la información genética necesaria para
especificar todos los aspectos de la embriogénesis, el desarrollo, el
crecimiento, el metabolismo y la reproducción: esencialmente, todos los
aspectos que hacen que un ser humano sea un organismo funcional. Toda
célula nucleada del cuerpo contiene su propia copia del genoma humano,
que, dependiendo de cómo se defina el término, posee alrededor de 20.00050.000 genes (v. cuadro más adelante). Los genes, que por ahora
consideraremos simplemente y de forma muy general como unidades
funcionales de información genética, están codificados en el DNA, que se
estructura en una serie de orgánulos con forma de bastón denominados
cromosomas, que se localizan a su vez en el núcleo de cada célula. La
influencia de los genes y de la genética en los estados de salud y enfermedad
es muy amplia, y sus raíces se encuentran en la información codificada en el
DNA del genoma humano.
Cada especie tiene un complemento cromosómico característico (cariotipo)
en lo que respecta al número, a la morfología y al contenido de los
cromosomas que constituyen su genoma. Los genes se alinean a lo largo de
los cromosomas y cada uno ocupa un lugar preciso o locus. El mapa génico
es el mapa de la localización genómica de los genes, y también es
característico de cada especie y de los individuos dentro de una especie.
El estudio de los cromosomas, su estructura y su herencia se denomina
citogenética. La citogenética humana data de 1956, cuando se demostró por
primera vez que el número normal de cromosomas humanos es 46. Desde
entonces, se ha aprendido mucho sobre los cromosomas humanos, su
estructura y composición, así como acerca de la identidad de los genes que
contienen y sus numerosas y variadas anomalías.
Con excepción de las células que se transforman en gametos (la línea
germinal), todas las células que contribuyen a la formación de las estructuras
corporales se denominan somáticas (soma, cuerpo). El genoma contenido en
el núcleo de las células somáticas humanas está constituido por 46
cromosomas, compuestos por 24 pares diferentes y organizados en 23 pares
(fig. 2-1). De estos 23 pares, 22 son semejantes en los hombres y las mujeres;
se denominan autosomas y están numerados originalmente en orden de su
tamaño aparente desde el más grande al más pequeño. El par restante está
constituido por los dos tipos diferentes de cromosomas sexuales: un
DrBurgos
29
cromosoma X y un cromosoma Y en los hombres y dos cromosomas X en las
mujeres. Un aspecto fundamental del genoma humano es que cada
cromosoma contiene un conjunto diferente de genes dispuestos linealmente a
lo largo de su DNA. Los miembros de un par de cromosomas (denominados
cromosomas homólogos o, simplemente, homólogos) contienen información
genética congruente entre sí; es decir, suelen poseer los mismos genes y en el
mismo orden. Sin embargo, en un locus específico los cromosomas
homólogos pueden ser idénticos o variar ligeramente de secuencia; estas
formas diferentes del mismo gen se denominan alelos. Uno de los miembros
de cada par de cromosomas se hereda del padre, y el otro, de la madre. Por lo
general, los miembros de un par de autosomas son indistinguibles
microscópicamente entre sí. En las mujeres, los cromosomas sexuales (los dos
cromosomas X) son también prácticamente indistinguibles entre sí. Sin
embargo, en los hombres, los cromosomas sexuales son diferentes uno de
otro. Uno de ellos es un cromosoma X, idéntico a los dos cromosomas X de la
mujer; el hombre hereda este cromosoma X de su madre y lo transmite a sus
hijas. El otro miembro del par de cromosomas sexuales en el hombre es el
cromosoma Y, que el hombre hereda de su padre y que transmite a sus hijos.
En el capítulo 6, al explorar las bases cromosómicas y genómicas de la
enfermedad, se expondrán algunas excepciones a esta regla sencilla y casi
universal que indica que las mujeres poseen cromosomas sexuales XX y los
hombres XY.
DrBurgos
30
FIGURA 2-1
El genoma humano codificado en los cromosomas nucleares y
mitocondriales. Véase Créditos de figuras.
Además del genoma nuclear, hay una parte pequeña pero importante del
genoma humano que se localiza en las mitocondrias existentes en el
citoplasma (v. fig. 2-1). El cromosoma mitocondrial (que se detalla más
adelante en este capítulo) posee diversas características poco habituales que
lo diferencian del resto del genoma humano.
Ge ne s e n e l ge nom a hum a no
Las preguntas ¿qué es un gen? y ¿cuántos genes tenemos? son más difíciles
de responder de lo que podría parecer.
La palabra gen se introdujo por primera vez en 1908 y se ha utilizado en
muchos contextos diferentes desde que Mendel describiera por primera vez
los aspectos fundamentales de los «caracteres unitarios» heredables hace más
de 150 años. Para los médicos (y también para Mendel y otros genetistas de
su tiempo), un gen puede definirse por su impacto observable en un
organismo y en función de su transmisión determinada estadísticamente de
generación en generación. Para los genetistas médicos, un gen se reconoce
clínicamente en el contexto de una variante observable que da lugar a un
trastorno clínico característico. En la actualidad, se reconocen alrededor de
5.000 de estos trastornos (v. cap. 7).
El Proyecto Genoma Humano proporcionó una base más sistemática para
describir los genes humanos basándose en el análisis de secuencias de DNA
en lugar de hacerlo exclusivamente mediante criterios clínicos y estudios
familiares; de hecho, esta fue una de las razones más convincentes para
comenzar el proyecto a finales de la década de 1980. Sin embargo, aunque la
secuenciación se completó en 2003, era evidente que nuestra capacidad de
reconocer características de la secuencia que sugieren la existencia o la
identidad de un gen era muy escasa. Por tanto, la interpretación de la
secuencia del genoma humano y la relación de su variación con la biología
humana tanto en la salud como en la enfermedad son un desafío constante
para la investigación biomédica.
Aunque el catálogo definitivo de genes humanos sigue siendo un objetivo
difícil de alcanzar, se reconocen dos tipos generales de genes, en función de
si su producto es una proteína o un RNA funcional.
• El número de genes que codifican proteínas (reconocidos por
características en el genoma que se describirán en el cap. 3) se estima entre
20.000 y 25.000. En este libro, suele utilizarse la cifra aproximada de 20.000,
y el lector debe saber que es imprecisa y quizás subestimada.
• Además, sin embargo, ha quedado claro durante varias décadas que el
producto final de algunos genes no es una proteína, sino más bien un RNA
transcrito a partir de la secuencia de DNA. Hay muchos tipos diferentes de
estos genes de RNA (denominados normalmente genes no codificantes
para distinguirlos de los genes codificantes de proteínas), y actualmente se
DrBurgos
31
estima que hay al menos otros 20.000-25.000 genes de RNA no codificantes
en todo el genoma humano.
Por lo tanto, en general y en función de lo que cada uno quiera expresar
con el término, el número total de genes en el genoma humano es de entre
20.000 y 50.000. Sin embargo, el lector debe saber que esta sigue siendo una
cifra cambiante, que depende de la evolución de las definiciones, del
aumento de las capacidades tecnológicas y la precisión analítica, de los
avances en informática y en medicina digital, así como de una anotación del
genoma más completa.
Estructura del DNA: una revisión sucinta
Antes de considerar con detalle la organización del genoma humano y los
cromosomas, es necesario revisar las características del DNA que constituye
el genoma. El DNA es una macromolécula de ácido nucleico polimérico
constituida por tres tipos de unidades: un azúcar con cinco carbonos, la
desoxirribosa; una base que contiene nitrógeno, y un grupo fosfato (fig. 2-2).
Las bases son de dos tipos, purinas y pirimidinas. En el DNA hay dos bases
de purina, adenina (A) y guanina (G), y dos bases de pirimidina, timina (T) y
citosina (C). Los nucleótidos están constituidos por una base, un grupo
fosfato y un azúcar, y se polimerizan en cadenas largas de polinucleótidos
que se mantienen juntos mediante los enlaces 5’-3’ fosfodiéster que se forman
entre las unidades adyacentes de desoxirribosa (fig. 2-3A). En el genoma
humano, estas cadenas de polinucleótidos conforman una doble hélice (fig. 23B) que puede tener cientos de millones de nucleótidos de longitud en el caso
de los cromosomas humanos más grandes.
FIGURA 2-2
Las cuatro bases del DNA y la estructura general de un
DrBurgos
32
nucleótido en el DNA.
Cada una de las cuatro bases establece enlaces con la desoxirribosa (a través del
nitrógeno, mostrado en magenta) y con un grupo fosfato, formando los nucleótidos
correspondientes.
FIGURA 2-3 Estructura del DNA.
A, Porción de una cadena polinucleotídica de DNA en la que se muestran los
enlaces fosfodiéster 3’-5’ que enlazan nucleótidos contiguos. B, Modelo de doble
hélice del DNA, según lo propusieron Watson y Crick. Los «peldaños»
horizontales representan las bases emparejadas. Se dice que la hélice sigue el
sentido de las agujas del reloj debido a que la cadena que va desde la parte
inferior izquierda hasta la parte superior derecha cruza a la otra cadena. La
porción detallada de la figura muestra las dos cadenas complementarias de DNA,
con las pares de bases AT y GC. Obsérvese que la orientación de las dos
cadenas es antiparalela. Véase Créditos de figuras.
La estructura anatómica del DNA transporta la información química que
permite la transmisión exacta de la información genética desde una célula
hasta sus células hijas, y de una generación a la siguiente. Al mismo tiempo,
la estructura primaria del DNA especifica las secuencias de aminoácidos de
las cadenas de polipéptidos de las proteínas, tal como se describe en el
capítulo siguiente. El DNA presenta características idóneas que le permiten
poseer estas propiedades. La configuración original del DNA, descrita por
James Watson y Francis Crick, es la de una doble hélice (v. fig. 2-3B). Esta
estructura helicoidal guarda un cierto parecido con una escalera en espiral
dirigida en el sentido de las agujas del reloj, en la que las dos cadenas de
polinucleótidos siguen direcciones opuestas y se mantienen unidas por los
enlaces de hidrógeno existentes entre los pares de bases: la T de una de las
cadenas se une a la A de la otra, y la G se une a la C. La naturaleza específica
de la información genética codificada en el genoma humano se corresponde a
la secuencia de las bases C, A, G y T existentes en las dos cadenas de la doble
DrBurgos
33
hélice que se disponen en cada uno de los cromosomas, tanto en el núcleo
celular como en las mitocondrias (v. fig. 2-1). Dada la naturaleza
complementaria de las dos cadenas de DNA, el conocimiento de la secuencia
de las bases de nucleótidos existentes en una de las cadenas permite
automáticamente la determinación de la secuencia de las bases existentes en
la otra cadena. La estructura de cadena doble de las moléculas de DNA
permite llevar a cabo una replicación precisa mediante la separación de las
dos cadenas, seguida por la síntesis de dos nuevas cadenas complementarias,
según la secuencia de las cadenas originales que actúan como una plantilla
(fig. 2-4). Asimismo, siempre que es necesario, la complementariedad de las
bases permite una reparación eficiente y correcta de las moléculas de DNA
que han sufrido alteraciones.
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35
FIGURA 2-4 Replicación de una doble hélice de DNA con formación de dos
moléculas hijas idénticas constituida cada una de ellas por una cadena madre y
por una cadena recién sintetizada.
Estructura de los cromosomas humanos
La composición de los genes existentes en el genoma humano, así como los
determinantes de su expresión, queda especificada en el DNA de los 46
cromosomas humanos existentes en el núcleo, así como en el DNA del
cromosoma mitocondrial. Cada cromosoma humano está constituido por una única
doble hélice de DNA continuo; esto quiere decir que cada cromosoma es una
única molécula lineal de DNA dispuesta en forma de cadena doble, de
manera que el genoma nuclear está formado por 46 moléculas lineales de
DNA que suman en total más de 6.000 millones de pares de nucleótidos (v.
fig. 2-1).
En cualquier caso, los cromosomas no son simples dobles hélices de DNA.
En el interior de cada célula, el genoma se dispone formando la cromatina, en
la que el DNA genómico forma complejos con varias clases de proteínas
especializadas. Excepto durante la división celular, la cromatina se distribuye
en todo el núcleo y tiene un aspecto relativamente homogéneo bajo el
microscopio. Sin embargo, cuando la célula se divide, su genoma se condensa
y aparece formando los cromosomas que son microscópicamente visibles. Por
tanto, los cromosomas sólo son visibles en forma de estructuras bien
delimitadas cuando las células se están dividiendo, aunque mantienen su
integridad entre las divisiones celulares.
En la cromatina, las moléculas de DNA de un cromosoma forman un
complejo con una familia de proteínas cromosómicas cargadas positivamente
o básicas denominadas histonas. Esta unidad fundamental interactúa con un
grupo heterogéneo de proteínas no histona que establecen un entorno
espacial y funcional apropiado que permite el comportamiento normal de los
cromosomas y la expresión genética adecuada.
Existen cinco clases principales de histonas que desempeñan un papel
fundamental en el correcto empaquetamiento de la fibra de cromatina. Dos
copias de cada una de las histonas nucleares H2A, H2B, H3 y H4 constituyen
un octámero, alrededor del cual se enrolla un segmento de doble hélice de
DNA, como el hilo al carrete (fig. 2-5). Con cada octámero se asocian
aproximadamente 140 pares de bases (pb) a su alrededor dando al menos dos
vueltas. Tras un corto segmento «espaciador» de DNA (entre 20 y 60 pb) se
forma el siguiente complejo DNA-octámero, y así sucesivamente, lo que
confiere a la cromatina un aspecto de collar de perlas. Cada complejo de DNA
con su núcleo de histonas se denomina nucleosoma (v. fig. 2-5), que es la
unidad estructural básica de la cromatina; cada uno de los 46 cromosomas
humanos contiene entre varios cientos de miles y más de 1 millón de
nucleosomas. Una quinta histona, H1, se enlaza con el DNA en el margen de
cada nucleosoma, en la región espaciadora internucleosómica. La cantidad de
DrBurgos
36
DNA asociado con la partícula núcleo de un nucleosoma, junto con su región
espaciadora, es de alrededor de 200 pb.
FIGURA 2-5
Niveles jerárquicos de empaquetamiento de la cromatina en un
cromosoma humano.
Además de los tipos principales de histonas, hay varias histonas
especializadas que pueden sustituir a las histonas H3 o H2A dando lugar a la
aparición de características específicas del DNA genómico en esas
localizaciones. Las histonas también pueden ser modificadas por cambios
químicos y estas modificaciones pueden variar las propiedades de los
nucleosomas que las contienen. Como se describe con más detalle en el
capítulo 3, el patrón de los tipos principales y especializados de histonas,
junto con sus modificaciones, puede variar en cada tipo celular, y se
considera que es responsable de la manera en que es empaquetado el DNA,
de forma que quede accesible a las moléculas reguladoras que determinan la
expresión génica y otras funciones del genoma.
Tal como veremos más adelante en este capítulo, durante el ciclo celular los
cromosomas pasan a través de una serie de fases ordenadas de condensación
y descondensación. Sin embargo, incluso cuando los cromosomas están en su
estado de mayor descondensación (en una fase del ciclo celular denominada
interfase), el DNA empaquetado en la cromatina se mantiene en un grado de
empaquetamiento sustancialmente mayor de lo que tendría lugar en su forma
nativa de doble hélice en ausencia de proteínas. Además, las largas hebras de
nucleosomas están, a su vez, empaquetadas en una estructura helicoidal
secundaria, la fibra «solenoide» (del griego solenoeides, «con forma de tubo»)
cilíndrica, que parece ser la unidad fundamental de la organización de la
cromatina. (v. fig. 2-5). A su vez, los solenoides se organizan en forma de
bucles o dominios y se acoplan, a intervalos de alrededor de 100.000 pb
(equivalente a 100 kilobases [kb], porque 1 kb = 1.000 pb), a un conjunto de
proteínas no histonas que forman la matriz nuclear, situado en el interior del
núcleo. Se ha especulado con la posibilidad de que los bucles sean unidades
DrBurgos
37
funcionales del genoma y que los puntos de acoplamiento de cada bucle estén
especificados a lo largo del DNA cromosómico. Como veremos, uno de los
niveles de control de la expresión génica depende de la forma en que están
empaquetados el DNA y los genes en los cromosomas y de sus asociaciones
con las proteínas de la cromatina durante el proceso de empaquetamiento.
La enorme cantidad de DNA empaquetado en un cromosoma puede
apreciarse cuando los cromosomas son tratados para liberar el DNA de las
proteínas de la cromatina con el fin de observar el andamio proteico
subyacente (v. fig. 2-1). Cuando el DNA es liberado de los cromosomas
tratados de esta forma, pueden visualizarse largos bucles de DNA, así como
el andamiaje residual, que reproduce el perfil de un cromosoma típico.
Cromosoma mitocondrial
Tal como ya se ha señalado, un pequeño pero importante subconjunto de
genes codificados en el genoma humano reside en el citoplasma de la
mitocondria (v. fig. 2-1). Los genes mitocondriales se heredan exclusivamente
por vía materna (v. cap. 7). Las células humanas tienen entre cientos y miles
de mitocondrias que contienen cada una varias copias de una pequeña
molécula de DNA circular, el cromosoma mitocondrial. La molécula de DNA
mitocondrial sólo tiene 16 kb de largo (simplemente una diminuta fracción de
la longitud de incluso el cromosoma nuclear más pequeño) y codifica sólo 37
genes. Aunque los productos de estos genes realizan su función en la
mitocondria, debe señalarse que la inmensa mayoría de las proteínas que se
encuentran en la mitocondria son, de hecho, productos de genes nucleares. Se
han descrito mutaciones en genes mitocondriales en varios trastornos de
herencia materna y esporádicos (Caso 33) (v. caps. 7 y 12).
Secuencia del genoma humano
Una vez lograda una comprensión general de la estructura y la importancia
clínica de los cromosomas y de los genes situados en ellos, los científicos
dirigieron su atención a la identificación de genes específicos y su localización
en el genoma humano. A partir de este amplio esfuerzo surgió el Proyecto
Genoma Humano, un consorcio internacional de cientos de laboratorios de
todo el mundo formado para determinar y ensamblar la secuencia de los
3.300 millones de pares de bases de DNA localizadas en los 24 tipos de
cromosomas humanos.
En el transcurso de una década y media, impulsados por grandes avances
en la tecnología de secuenciación del DNA, los grandes centros de
secuenciación colaboraron para ensamblar las secuencias de cada cromosoma.
Los genomas secuenciados en realidad provenían de varias personas
diferentes, y la secuencia de consenso obtenida al finalizar el Proyecto
Genoma Humano se publicó en 2003 como una secuencia de «referencia»,
para usarla como base en las comparaciones posteriores con secuencias de
genomas individuales. Esta secuencia de referencia se mantiene en bases de
DrBurgos
38
datos de acceso público para facilitar los descubrimientos científicos y su
conversión en avances útiles para la medicina. Las secuencias del genoma
suelen presentarse en dirección 5′ a 3′ en sólo una de las dos hebras de la
doble hélice, ya que, debido a la naturaleza complementaria de la estructura
del DNA que se ha descrito anteriormente, si se conoce la secuencia de una
hebra, se puede inferir la secuencia de la otra (Fig. 2-6).
FIGURA 2-6 Una porción de la secuencia referencia del genoma humano.
Por convención, sólo se muestran las secuencias de una cadena de DNA, porque
la secuencia de la cadena complementaria puede deducirse debido a la
naturaleza bicatenaria del DNA (mostrada encima de la secuencia de referencia).
La secuencia de DNA de un grupo de individuos es similar, pero no idéntica a la
de referencia, y existen cambios de nucleótidos únicos en algunos individuos y
una pequeña deleción de dos bases en otro.
Organización del genoma humano
Los cromosomas no son sólo una colección aleatoria de diferentes tipos de
genes y otras secuencias de DNA. Las regiones del genoma con características
similares tienden a agruparse y la organización funcional del genoma refleja
su organización estructural y su secuencia. Algunas regiones cromosómicas,
o incluso cromosomas enteros, tienen un elevado contenido en genes («ricos
en genes»), mientras otras lo tienen bajo («pobres en genes») (fig. 2-7). Las
consecuencias clínicas de las anomalías de la estructura del genoma reflejan la
naturaleza específica de los genes y las secuencias implicadas. Por tanto, las
DrBurgos
39
anomalías de los cromosomas o las regiones cromosómicas ricas en genes
tienden a ser mucho más graves clínicamente que los defectos de extensión
similar en partes del genoma pobres en genes.
FIGURA 2-7
Tamaño y contenido en genes de los 24 cromosomas
humanos.
La línea de puntos diagonal corresponde a la densidad promedio de genes en el
genoma, que es de alrededor de 6,7 genes codificantes de proteínas por
megabase (Mb). Los cromosomas que son relativamente ricos en genes están por
encima de la diagonal y tienden a situarse en la porción superior izquierda. Los
cromosomas que son relativamente pobres en genes están por debajo de la
diagonal y tienden a situarse en la porción inferior derecha. Véase Créditos de figuras.
Como resultado de los conocimientos adquiridos mediante el Proyecto
Genoma Humano, parece claro que la organización del DNA en el genoma
humano es más variada y más compleja de lo que se creía. De los miles de
millones de pares de bases del DNA existentes en cualquier genoma,
realmente menos del 1,5% codifica proteínas. Se pensaba que los elementos
reguladores que influyen o determinan los patrones de expresión genética
durante el desarrollo o en los tejidos sólo suponían alrededor del 5% de la
secuencia adicional, aunque los análisis más recientes de las características de
la cromatina sugieren que una proporción mucho mayor del genoma puede
proporcionar señales relevantes para las funciones genómicas. Sólo alrededor
de la mitad de la longitud lineal total del genoma se compone del
denominado DNA de copia simple o única, es decir, DNA cuyo orden lineal
de nucleótidos específicos está representado sólo una vez (o a lo sumo unas
cuantas veces) en todo el genoma. Este concepto puede parecer sorprendente
para algunas personas, dado que sólo hay cuatro nucleótidos diferentes en el
DNA. Pero, si consideramos incluso un pequeño segmento del genoma de
DrBurgos
40
sólo 10 bases de longitud, con cuatro tipos de bases hay más de un millón de
secuencias posibles. Y, aunque el orden de bases en el genoma no es
totalmente aleatorio, cualquier secuencia particular de 16 bases sólo
aparecería una vez en cualquier genoma determinado si dependiese
exclusivamente del azar.
El resto del genoma consiste en varias clases de DNA repetitivo, e incluye
DNA con secuencias de nucleótidos repetidas, ya sea de forma idéntica o con
pocas variaciones, de cientos a millones de veces en el genoma. Aunque la
mayoría de los genes (aunque no todos) de los 20.000 estimados en el genoma
que codifican proteínas (v. cuadro previo en este capítulo) están
representados por DNA de copia única, las secuencias de la fracción de DNA
repetitivo contribuyen a mantener la estructura cromosómica y son una
fuente importante de variación entre los diferentes individuos; parte de esta
variación puede predisponer a procesos patológicos en el genoma, tal como
veremos más adelante, en los capítulos 5 y 6.
Secuencias de DNA de copia única
El DNA de copia única constituye al menos la mitad del DNA del genoma,
pero su función sigue siendo un misterio porque, como hemos mencionado
con anterioridad, las secuencias que realmente codifican proteínas (es decir,
la región codificante de los genes) constituyen una pequeña proporción de
todo el DNA de copia única. La mayor parte del DNA de copia única se
encuentra en cortos tramos (varios kb o menos), entremezclados con
miembros de varias familias de DNA repetitivo. La organización de los genes
de DNA de copia única se explica en profundidad en el capítulo 3.
Secuencias de DNA repetitivo
Se han reconocido varias categorías diferentes de DNA repetitivo. Una
característica distintiva útil consiste en determinar si las secuencias repetidas
(«repeticiones») están agrupadas en una o unas pocas localizaciones, o bien se
hallan dispersas, mezcladas con secuencias de copia única a lo largo del
cromosoma. Se estima que las secuencias repetidas agrupadas constituyen
entre un 10 y un 15% del genoma, y que forman conjuntos de varias
repeticiones cortas organizadas en tándem y ordenadas en una sucesión de la
cabeza a la cola. Los diferentes tipos de estas repeticiones en tándem se
denominan genéricamente DNA satélites, denominadas así porque muchas
de las familias originales de repeticiones en tándem fueron purificadas por
centrifugación y separadas del resto del genoma como fracciones («satélite»)
de DNA.
Las familias de DNA en tándem varían con respecto a su localización en el
genoma y a las características de las secuencias que integran su formación. En
general, las formaciones satélite pueden extenderse varios millones de pares
de bases o más y constituyen un porcentaje significativo del contenido en
DNA de un cromosoma humano. Algunas secuencias de repetición en
tándem son importantes como herramientas que tienen utilidad en el análisis
DrBurgos
41
citogenético clínico (v. cap. 5). Las formaciones largas de repeticiones basadas
en repeticiones (con algunas variaciones) de una secuencia corta, como un
pentanucleótido, se encuentran en grandes regiones heterocromáticas de los
cromosomas 1, 9 y 16, y constituyen más de la mitad del cromosoma Y (v.
cap. 6). Otras familias de repeticiones en tándem se basan en repeticiones
básicas más largas. Por ejemplo, la familia de DNA satélite α está compuesta
por formaciones en tándem de una unidad de aproximadamente 171 pb que
se encuentra en el centrómero de cada cromosoma humano, una estructura
clave para la adhesión de los cromosomas a los microtúbulos del huso
mitótico durante la división celular.
Además del DNA satélite, existe otro gran grupo de DNA repetitivo que se
compone de secuencias relacionadas dispersas por el genoma, en lugar de
agrupadas en una o unas pocas localizaciones. Aunque esta descripción
general se ajusta a muchas familias de DNA, hay dos en particular que
merecen mayor atención debido a que, en conjunto, constituyen una
importante proporción del genoma y a que han sido implicadas en
enfermedades genéticas. Entre los elementos repetitivos dispersos mejor
estudiados está la denominada familia Alu. Los miembros de esta familia
tienen una longitud aproximada de 300 pb y presentan secuencias de DNA
parecidas, aunque no idénticas. En total hay más de 1 millón de miembros de
la familia Alu en el genoma y constituyen al menos el 10% del DNA humano.
Una segunda familia importante de DNA repetitivo y disperso es la
denominada familia de elementos nucleares dispersos largos (LINE, long
interspersed nuclear element, en ocasiones denominada L1). Los LINE son
secuencias repetitivas largas (de hasta 6 kb) que se encuentran en alrededor
de 850.000 copias por genoma y constituyen cerca del 20% del mismo. Ambas
familias también son abundantes en algunas regiones del genoma, pero en
otras son muy escasas. Las regiones con un alto contenido en GC tienden a
presentar una abundancia de elementos Alu, pero son escasas las secuencias
LINE, mientras que sucede lo contrario en las regiones del genoma con mayor
abundancia en AT.
DNA repetitivo y enfermedad
Tanto las secuencias Alu como las LINE han sido implicadas como causa de
mutaciones en enfermedades hereditarias. Al menos unas cuantas copias de
las familias LINE y Alu generan copias de sí mismas que pueden integrarse
en cualquier lugar del genoma, causando en ocasiones inactivación por
inserción en un gen importante clínicamente. Se desconoce la frecuencia de
los eventos de este tipo que causan enfermedades genéticas en humanos, pero
podrían suponer hasta una de cada 500 mutaciones. Además, los eventos de
recombinación aberrante entre diferentes repeticiones LINE o Alu pueden ser
también causa de mutación en algunas enfermedades genéticas (v. cap. 12).
Un tipo adicional importante de DNA repetitivo que se observa en muchas
localizaciones diferentes en el genoma es el constituido por secuencias que
están duplicadas, a menudo con un grado extraordinariamente elevado de
DrBurgos
42
conservación. Las duplicaciones que afectan a segmentos sustanciales de un
cromosoma, denominadas duplicaciones segmentarias, pueden abarcar
cientos de pares de kilobases constituyendo al menos el 5% del genoma.
Cuando las regiones duplicadas contienen genes, los reagrupamientos
genómicos que afectan a las secuencias duplicadas pueden dar lugar a la
deleción de la región (y de los genes) existente entre las copias, lo que causa
una enfermedad (v. caps. 5 y 6).
DrBurgos
43
Variación en el genoma humano
Una vez completada la secuencia del genoma humano de referencia, gran
parte de la atención se ha dirigido al descubrimiento y catalogación de la
variación de secuencia entre diferentes individuos (incluidas personas sanas
y otras con diversas enfermedades) y entre diferentes poblaciones de todo el
mundo. Como se analizará con más detalle en el capítulo 4, hay muchas
decenas de millones de variantes de secuencias comunes que se observan con
una frecuencia significativa en una o más poblaciones; cualquier individuo
dado tiene al menos 5 millones de estas variantes de secuencia. Además, hay
un número incontable de variantes muy poco comunes, muchas de las cuales
probablemente sólo están presentes en un solo individuo o en unos pocos. De
hecho, dado el número de individuos de nuestra especie, prácticamente es de
esperar que todos y cada uno de los pares de bases del genoma humano varíen en
alguna persona de algún lugar del mundo. Por esta razón, la secuencia del
genoma humano original se considera una secuencia de «referencia» para
nuestra especie, pero en realidad no es idéntica al genoma de ningún
individuo.
Según las primeras estimaciones, dos individuos seleccionados al azar
tendrían secuencias idénticas en un 99,9% o, dicho de otro modo, un genoma
individual llevaría dos versiones (alelos) diferentes de la secuencia del
genoma humano en 3-5 millones de posiciones, con diferentes bases (p. ej.,
una T o una G) en las copias materna y paterna heredadas de esa posición de
secuencia en particular (v. fig. 2-6). Aunque muchas de estas diferencias
alélicas implican simplemente un nucleótido, gran parte de la variación
consiste en inserciones o deleciones de (por lo general) segmentos de
secuencia cortos, variación del número de copias de elementos repetidos
(incluidos genes) o inversiones del orden de secuencias en una posición
particular (locus) en el genoma (v. cap. 4).
En la actualidad, se sabe que la proporción total del genoma implicada en
dicha variación es sustancialmente mayor de lo estimado en un principio y se
acerca al 0,5% entre dos individuos seleccionados al azar. Como se explicará
en los próximos capítulos, todos y cada uno de estos tipos de variación
pueden influir en la función biológica y, por tanto, deben tenerse en cuenta en
cualquier intento de comprender la contribución de la genética a la salud
humana.
DrBurgos
44
Transmisión del genoma
La base cromosómica de la herencia se localiza en la copia del genoma y en su
transmisión de una célula a su progenie durante la división celular y de una
generación a la siguiente durante la reproducción, cuando las copias
individuales del genoma de cada progenitor se unen para formar un nuevo
embrión.
Para lograr estas formas de herencia genómica relacionadas pero
diferentes, hay dos tipos de división celular: la mitosis y la meiosis. La
mitosis es la división normal de las células somáticas gracias a la cual el
cuerpo crece, se diferencia y lleva a cabo la regeneración tisular. La división
mitótica suele dar lugar a dos células hijas, cada una de ellas con los mismos
cromosomas y genes que los de la célula originaria. Pueden producirse
docenas o incluso centenares de mitosis sucesivas en una línea de células
somáticas. Por el contrario, la meiosis sólo se produce en células de la línea
germinal. La meiosis ocasiona la formación de células reproductoras
(gametos), cada una con sólo 23 cromosomas: uno de cada clase de autosomas
y un X o un Y. Por tanto, mientras que las células somáticas tienen el
complemento diploide (diploos, doble) o 2n (es decir, 46 cromosomas), los
gametos tienen el complemento haploide (haploos, simple) o n (es decir, 23
cromosomas). Por errores en la división celular pueden producirse anomalías
en el número de cromosomas o en su estructura que suelen ser clínicamente
importantes, tanto en células somáticas como en células de la línea germinal.
Ciclo celular
El ser humano comienza la vida como un óvulo fecundado (cigoto), una
célula diploide de la que se derivarán todas las células del cuerpo (se estiman
en alrededor de 100 billones) a través de una serie de docenas o incluso
centenares de mitosis. Obviamente, la mitosis es crucial para el crecimiento y
la diferenciación, pero sólo abarca una pequeña parte del ciclo de una célula.
El período entre dos mitosis sucesivas se denomina interfase y es el estado en
el que la célula pasa la mayor parte de su ciclo vital.
Inmediatamente después de la mitosis, la célula entra en una fase
denominada G1 en la cual no hay síntesis de DNA (fig. 2-8). Algunas células
atraviesan esta fase en cuestión de horas; otras pueden permanecer durante
días o años en G1. De hecho, algunos tipos celulares como las neuronas y los
eritrocitos no se dividen en absoluto una vez que están plenamente
diferenciados, sino que permanecen detenidos permanentemente durante en
una fase específica denominada G0 («G cero»). Otras células, como los
hepatocitos, pueden entrar en la fase G0, pero tras la lesión del hígado,
vuelven a la fase G1 y siguen después el ciclo celular.
DrBurgos
45
FIGURA 2-8 Un ciclo celular de mitosis típico, descrito en el texto.
Aparecen indicados los telómeros, el centrómero y las cromátidas hermanas.
El ciclo celular está gobernado por una serie de puntos de control que
determinan la cronología de cada paso de la mitosis. Además, estos puntos de
control vigilan y comprueban la precisión de la síntesis de DNA, así como el
ensamblaje de una elaborada red de microtúbulos que facilitan los
movimientos de los cromosomas. Si se detecta daño en el genoma, estos
controles mitóticos detienen la progresión del ciclo celular hasta que se repara
o, si el daño es excesivo, la célula recibe instrucciones de morir por muerte
celular programada (un proceso denominado apoptosis).
Durante la fase G1 cada célula contiene una copia diploide del genoma.
Cuando el proceso de división celular comienza, la célula entra en la fase S,
que es la etapa de síntesis programada de DNA, que al final da lugar a la
replicación precisa del DNA de cada cromosoma. Durante esta etapa, cada
cromosoma, que durante la etapa G1 es una molécula simple de DNA, se
duplica y consta de dos cromátidas hermanas (v. fig. 2-8), cada una de las
cuales contiene una copia idéntica de la molécula original lineal de DNA. Las
dos cromátidas hermanas están físicamente unidas en el centrómero, una
región de DNA que se asocia con una serie de proteínas específicas para
formar el cinetocoro. Esta compleja estructura sirve para acoplar cada
cromosoma a los microtúbulos del huso mitótico y gobernar los movimientos
cromosómicos durante la mitosis. La síntesis de DNA durante la fase S no
está sincronizada en todos los cromosomas ni en un mismo cromosoma, sino
que a lo largo de cada cromosoma comienza en cientos o miles de sitios,
denominados orígenes de replicación de DNA. Cada segmento cromosómico
individual tiene su tiempo de replicación característico durante las 6-8 h que
DrBurgos
46
dura la fase S. Los extremos de cada cromosoma (o cromátida) están
formados por telómeros, compuestos por secuencias de DNA repetitivo
especializadas que aseguran la integridad del cromosoma durante la división
celular. El mantenimiento correcto de los extremos de los cromosomas
requiere la participación de una enzima especial denominada telomerasa,
que garantiza la replicación de los extremos finales de cada cromosoma.
La naturaleza esencial de estos elementos estructurales de los cromosomas
y su papel a la hora de asegurar la integridad del genoma se ilustra por una
serie de enfermedades clínicas que se deben a defectos de los elementos del
telómero, del cinetocoro o de la maquinaria del ciclo celular, o bien a una
replicación inexacta de porciones pequeñas del genoma (v. cuadro). Algunas
de estas enfermedades se presentarán con mayor detalle en capítulos
posteriores.
Conse cue ncia s clínica s de la a nom a lía s y la va r ia ción
de la e str uctur a y m e cá nica cr om osóm ica s
Entre las enfermedades médicamente relevantes secundarias a anomalías de
la estructura o de la función de elementos cromosómicos durante la división
celular anormal se incluyen las siguientes:
• Un amplio espectro de malformaciones congénitas en niños con defectos
hereditarios en los genes que codifican componentes clave del punto de
control del huso mitótico en el cinetocoro.
• Diversas malformaciones congénitas y trastornos del desarrollo debidos a
la segregación anómala de los cromosomas con centrómeros múltiples o
ausentes (v. cap. 6).
• Varios cánceres asociados con una hiperreplicación (amplificación) o una
alteración de la secuencia temporal de la replicación de las regiones
específicas del genoma en la fase S (v. cap. 15).
• Síndrome de Roberts, consistente en retraso del crecimiento, acortamiento
de las extremidades y microcefalia en niños con anomalías de un gen
necesario para el alineamiento y cohesión adecuados de las cromátidas
hermanas en fase S.
• Insuficiencia ovárica prematura, como una de las causas principales de
infertilidad femenina, debida a la mutación de un gen específico de la
meiosis necesario para la cohesión correcta entre cromátidas hermanas.
• Los denominados síndromes teloméricos, que son varios trastornos
degenerativos que aparecen desde la infancia a la edad adulta en pacientes
con un acortamiento anómalo de los telómeros debido a defectos de los
componentes de la telomerasa.
• Y, en el otro extremo del espectro, las variantes de genes comunes que se
correlacionan con el número de copias de repeticiones en los telómeros, así
como con la esperanza de vida y la longevidad.
Al final de la fase S, el contenido de DNA de la célula se ha duplicado y
DrBurgos
47
ahora la célula contiene dos copias del genoma diploide. Después de la fase S,
la célula entra en una breve etapa denominada G2. Durante todo el ciclo, la
célula va creciendo para, finalmente, duplicar su masa total antes de la
siguiente mitosis. La etapa G2 termina cuando la célula entra en mitosis, que
empieza cuando los cromosomas comienzan a condensarse y se hacen
visibles al microscopio en forma de finos hilos extendidos, un proceso que se
expondrá con mayor detalle en el siguiente apartado.
Las fases G1, S y G2 constituyen la interfase. En células humanas típicas, las
tres fases duran entre 16 y 24 h, mientras que la mitosis dura 1 o 2 h (v. fig. 28). Sin embargo, hay una gran variación en la duración del ciclo celular, que
oscila entre unas pocas horas en células en rápida división, como las de la
dermis o la mucosa intestinal, y varios meses en otros tipos de células.
Mitosis
Durante la fase mitótica del ciclo celular, un elaborado aparato asegura que
cada una de las células hijas reciba un juego completo de la información
genética. Esto se consigue mediante un mecanismo que distribuye una
cromátida de cada cromosoma en cada célula hija (fig. 2-9). El proceso de
distribuir una copia de cada cromosoma a cada célula hija se denomina
segregación cromosómica. La importancia de este proceso para el
crecimiento celular normal se ilustra con la observación de que muchos
tumores se caracterizan por un estado de desequilibrio genético resultante de
errores mitóticos en la distribución de los cromosomas en las células hijas.
DrBurgos
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FIGURA 2-9 Mitosis.
Solamente se muestran 2 pares de cromosomas. Para los detalles adicionales,
véase el texto.
El proceso de la mitosis es continuo, pero se distinguen cinco etapas, que se
muestran en la figura 2-9: profase, prometafase, metafase, anafase y telofase.
• Profase. Esta etapa se caracteriza por la condensación gradual de los
cromosomas, la formación del huso mitótico y la aparición de un par de
centrosomas, a partir de los cuales los microtúbulos se irradian y al final se
sitúan en los polos de la célula.
• Prometafase. En esta etapa, la membrana nuclear se disuelve, lo que
permite a los cromosomas dispersarse por la célula y acoplarse, mediante
sus cinetocoros, a los microtúbulos del huso mitótico.
• Metafase. En esta etapa, los cromosomas alcanzan su máxima condensación
y se alinean en el plano ecuatorial de la célula.
• Anafase. Los cromosomas se separan en el centrómero y las cromátidas
hermanas de cada cromosoma se convierten en cromosomas hijos
independientes que se dirigen hacia los polos opuestos de la célula.
• Telofase. En esta etapa, los cromosomas comienzan a descondensarse a
partir de su estado altamente condensado y se empieza a formar una
membrana nuclear alrededor de cada uno de los dos núcleos hijos, que
recuperan su aspecto de interfase. Para completar el proceso de la división
celular, el citoplasma se escinde por un proceso denominado citocinesis.
Existe una diferencia importante entre una célula que entra en mitosis y
otra que acaba de completar el proceso. Una célula original en G2 tiene un
DrBurgos
49
genoma completamente replicado (es decir, un complemento 4n de DNA) y
cada cromosoma consta de un par de cromátidas hermanas. Por el contrario,
después de la mitosis, los cromosomas de cada célula hija sólo tienen una
copia del genoma. Esta copia no se duplica hasta que la célula hija alcanza a
su vez la fase S de su siguiente ciclo celular (v. fig. 2-8). Por tanto, todo el
proceso de la mitosis asegura la duplicación y distribución ordenada del
genoma a través de divisiones celulares sucesivas.
Cariotipo humano
Los cromosomas condensados de una célula humana en división pueden
analizarse con más facilidad en metafase o en prometafase. En estas etapas,
los cromosomas son visibles al microscopio en una extensión cromosómica y
se puede observar que cada cromosoma se compone de sus cromátidas
hermanas unidas por el centrómero, a pesar de que en la mayor parte de las
preparaciones cromosómicas las dos cromátidas están unidas entre sí tan
estrechamente que no es fácil observarlas como entidades diferenciadas.
Como ya se ha indicado, hay 24 tipos diferentes de cromosomas humanos,
cada uno de los cuales puede distinguirse citológicamente por una
combinación de longitud global, localización del centrómero y contenido de
secuencia. Esta última característica se pone de manifiesto con diversos
métodos de tinción. El centrómero presenta una constricción primaria, una
especie de estrechamiento o pellizcamiento de las cromátidas hermanas
debido a la formación del cinetocoro. El centrómero es un marcador
citogenético reconocible que divide el cromosoma en dos brazos: un brazo
corto denominado p (por petit) y un brazo largo o q.
La figura 2-10 muestra una célula en prometafase con los cromosomas
teñidos con el método de tinción Giemsa (bandas G) (v. también cap. 5). Cada
par de cromosomas se tiñe con un patrón característico de bandas claras y
oscuras (bandas G) que se correlaciona aproximadamente con las
características de la secuencia del DNA subyacente, tal como la composición
en bases (es decir, el porcentaje de pares de bases GC o AT) o la distribución
de los elementos de DNA repetitivos. Con estas técnicas de bandas, pueden
distinguirse individualmente todos los cromosomas y determinarse la
naturaleza de muchas anomalías numéricas y estructurales, como se expone
con mayor detalle en los capítulos 5 y 6.
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FIGURA 2-10 Extensión cromosómica preparada a partir de un cultivo de
linfocitos teñido con la técnica de bandeo Giemsa (bandas G). El núcleo oscuro
adyacente a los cromosomas es de otra célula en interfase, cuando el material
cromosómico se encuentra de forma difusa por todo el núcleo. Véase Créditos de
figuras.
Aunque los expertos pueden analizar a menudo los cromosomas en
metafase directamente al microscopio, un procedimiento usual es cortar los
cromosomas a partir de una imagen digital o de una microfotografía y
ordenarlos en parejas en una clasificación estándar (fig. 2-11). El conjunto
completo se denomina cariotipo. Este término se utiliza también para
referirse a la serie cromosómica estándar de un individuo («un cariotipo
normal de varón») o de una especie («el cariotipo humano»). Así, «cariotipar»
es el proceso de preparar el cariotipo.
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FIGURA 2-11
Un cariotipo masculino humano teñido con la técnica de
Giemsa (bandas G).
Los cromosomas corresponden a la prometafase de la mitosis y están dispuestos
en una clasificación estándar en la que aparecen numerados de 1 a 22 en orden
de longitud, con los cromosomas X e Y separados. Véase Créditos de figuras.
A diferencia de los cromosomas que se observan en preparaciones con
tinción al microscopio o en fotografías, los cromosomas de las células vivas
son estructuras fluidas y dinámicas. Durante la mitosis, la cromatina de cada
cromosoma en interfase se condensa de forma sustancial (fig. 2-12). Cuando
los cromosomas alcanzan su máxima condensación en la metafase, su DNA
ocupa alrededor de la diezmilésima parte de su estado completamente
extendido. Cuando los cromosomas son preparados para observar sus bandas
(como en las figs. 2-10 y 2-11) pueden reconocerse hasta 1.000 o más bandas
en las preparaciones teñidas de todos los cromosomas, y cada banda
citogenética contiene 50 o más genes, aunque –tal como ya se ha señalado– la
densidad de genes en el genoma es variable.
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FIGURA 2-12
Ciclo de condensación y descondensación de un cromosoma a
través del ciclo celular.
Meiosis
La meiosis es el proceso por el que las células diploides de la línea germinal
dan lugar a gametos haploides; es un tipo de división celular específico de las
células germinales. A diferencia de la mitosis, la meiosis consiste en una
ronda de replicación de DNA seguida de dos rondas de segregación
cromosómica y división celular (v. meiosis I y meiosis II en la fig. 2-13). Como
se indica aquí y se ilustra en la figura 2-14, la secuencia global de eventos en
la meiosis masculina y femenina es la misma; sin embargo, la secuencia
temporal de la gametogénesis es muy diferente en ambos sexos y se
describirá con más detalle más adelante en este capítulo.
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FIGURA 2-13 Representación simplificada de los pasos básicos de la meiosis,
con un ciclo de replicación del DNA seguido de dos ciclos de segregación
cromosómica, meiosis I y meiosis II.
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FIGURA 2-14
Representación esquemática de la meiosis y sus
consecuencias.
Se muestran un solo cromosoma y un solo entrecruzamiento que conducen a la
formación de cuatro gametos distintos. Los cromosomas se replican durante la
interfase y comienzan a condensarse a medida que la célula entra en la profase
de la meiosis I. En la meiosis I, los cromosomas efectúan la sinapsis y se
recombinan. Cuando los homólogos se alinean en metafase I, puede observarse
el entrecruzamiento, con los centrómeros orientados hacia polos opuestos. En la
anafase I se puede apreciar el intercambio de DNA entre los homólogos, mientras
los cromosomas son atraídos hacia los polos opuestos. Cuando han acabado la
meiosis I y la citocinesis se produce la meiosis II, con una división parecida a la de
la mitosis. Los cinetocoros hermanos se separan y se mueven a polos opuestos
en la anafase II, produciendo cuatro productos haploides.
La meiosis I también se denomina división reduccional, porque en ella se
reduce el número de cromosomas de diploide a haploide mediante
emparejamiento de los homólogos en la profase y su segregación a diferentes
células en la anafase de la meiosis I. La meiosis I es, asimismo, notable debido
a que es la etapa en la que se produce recombinación genética (también
denominada entrecruzamiento meiótico). En este proceso, como se muestra
para un par de cromosomas en la figura 2-14, se intercambian segmentos
homólogos del DNA entre cromátidas no hermanas de cada pareja de
cromosomas homólogos, lo que asegura que ninguno de los gametos
producidos por meiosis sea idéntico a otro. Las consecuencias conceptuales y
prácticas de la recombinación para muchos aspectos de la genética y
genómica humanas son considerables y se resumen en el cuadro que aparece
al final de esta sección.
La profase de la meiosis I difiere de la profase mitótica en varios aspectos
que tienen consecuencias genéticas importantes, porque los cromosomas
homólogos deben emparejarse e intercambiar información genética. La etapa
inicial más crítica se denomina cigoteno, donde los cromosomas homólogos
comienzan a alinearse a lo largo de toda su longitud. El proceso de
emparejamiento meiótico, o sinapsis, suele ser preciso y alinea las secuencias
de DNA correspondientes en todo el par de cromosomas. Los cromosomas
homólogos emparejados, denominados ahora bivalentes, se mantienen juntos
por una estructura proteica similar a un lazo denominada complejo
sinaptonémico, que es esencial para el proceso de recombinación. Una vez
que se ha completado la sinapsis, se produce el entrecruzamiento meiótico
durante la etapa de paquiteno, tras la que se disuelve el complejo
sinaptonémico.
Como en la mitosis, la metafase I empieza cuando desaparece la membrana
nuclear. Se forma un huso y los cromosomas emparejados se alinean en el
plano ecuatorial, con sus centrómeros orientados hacia polos diferentes (v.
fig. 2-14).
La anafase de la meiosis I también difiere considerablemente de la etapa
correspondiente de la mitosis. En este caso, son los dos miembros de cada
bivalente los que se separan, en lugar de las cromátidas hermanas (compárese
la fig. 2-14 con la fig. 2-9). Los centrómeros homólogos (con sus cromátidas
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hermanas unidas) se dirigen a los polos opuestos de la célula, un proceso
denominado disyunción. Así, el número de cromosomas se reduce a la mitad
y cada célula resultante de la meiosis I tiene el número haploide de
cromosomas. Los 23 pares de cromosomas homólogos se recombinan
independientemente entre sí, de modo que los juegos de cromosomas
paternos y maternos originales se distribuyen según combinaciones
aleatorias. El número de combinaciones posibles de los 23 pares de
cromosomas que pueden estar presenten en los gametos es de 223 (más de 8
millones). Sin embargo, debido al proceso de entrecruzamiento, la variación
del material genético que se transmite de los progenitores a los hijos es en
realidad mucho mayor que esa cifra. Como resultado, cada cromátida suele
contener segmentos derivados de ambos cromosomas de cada par de los
progenitores, como se muestra esquemáticamente en la figura 2-14. Por
ejemplo, en esta etapa, un cromosoma 1 típico se compone de tres a cinco
segmentos de origen paterno y materno alternativamente, como se deduce de
las variantes de secuencia de DNA que diferencian los respectivos genomas
parentales (fig. 2-15).
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FIGURA 2-15 Efecto de la recombinación homóloga en la meiosis.
En este ejemplo, que representa la herencia de secuencias en un cromosoma
grande típico, un individuo tiene homólogos diferentes, uno que contiene
secuencias heredadas de su padre (azul) y otro con secuencias homólogas de su
madre (morado). Después de la meiosis en la espermatogénesis, transmite una
única copia completa de ese cromosoma a sus dos hijos. Sin embargo, como
resultado del entrecruzamiento (flechas), la copia que transmite a cada hijo consta
de segmentos alternantes de las dos secuencias de los abuelos. El hijo 1 hereda
una copia tras dos entrecruzamientos, mientras que el hijo 2 hereda una copia con
tres entrecruzamientos.
Conse cue ncia s ge né tica s y r e le va ncia m é dica de la
r e com bina ción hom óloga
La lección práctica de esta parte del capítulo es sencilla: el contenido
genético de cada gameto es único, debido a la distribución aleatoria de los
cromosomas parentales que mezcla la combinación de variantes de secuencia
entre cromosomas y a la recombinación homóloga que mezcla la combinación
de variantes de secuencia dentro de todos y cada uno de los cromosomas.
Esto tiene consecuencias significativas para los patrones de variación
genómica en el seno de una población y entre distintas poblaciones de todo
el mundo, así como para el diagnóstico y el asesoramiento de muchas
enfermedades frecuentes que tienen patrones complejos de herencia (v. caps.
8 y 10).
Las cuantías y los patrones de recombinación meiótica están
determinados por las variantes de secuencia en los genes específicos y en
«puntos calientes» específicos, y difieren entre individuos, entre los sexos,
entre familias y entre poblaciones (v. cap. 10).
Dado que la recombinación implica un proceso de entrelazamiento físico
entre los cromosomas homólogos durante la meiosis I, también es crucial
para asegurar una segregación cromosómica correcta durante la meiosis. Si
no se produce una apropiada recombinación pueden aparecer errores en la
segregación (no disyunción) de los cromosomas en meiosis I, que es una
causa frecuente de aborto y de anomalías cromosómicas, como el síndrome
de Down (v. caps. 5 y 6).
Los principales esfuerzos que se están llevando a cabo para identificar los
genes y sus variantes responsables de varias afecciones médicas se basan
en el seguimiento de la herencia de millones de diferencias de secuencia en el
seno de las familias o la presencia compartida de variantes dentro de grupos
de individuos, incluso no emparentados, afectados por una enfermedad en
particular. La utilidad de este enfoque, que ha descubierto miles de
asociaciones entre genes y enfermedades hasta el momento, depende de los
patrones de recombinación homóloga en la meiosis (v. cap. 10).
Aunque la recombinación homóloga suele ser precisa, las áreas de DNA
repetitivo del genoma y los genes con un número variable de copias en la
población son propensos a que se produzca un entrecruzamiento desigual
durante la meiosis, que dé lugar a variaciones de rasgos con relevancia
DrBurgos
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clínica (como la respuesta a fármacos), a enfermedades frecuentes (como la
talasemia o el autismo), o a anomalías de la diferenciación sexual (v. caps. 6,
8 y 11).
Aunque la recombinación homóloga es una parte normal y esencial de la
meiosis, también se produce, aunque más raramente, en las células
somáticas. Las anomalías de la recombinación somática son una de las
causas de inestabilidad genómica en el cáncer (v. cap. 15).
Después de la telofase de la meiosis I, las dos células hijas haploides entran
en la interfase meiótica. Al contrario de lo que ocurre en la mitosis, esta
interfase es breve y enseguida comienza la meiosis II. El aspecto más
importante que distingue la interfase meiótica de la mitótica es que no hay
fase S (es decir, no se produce síntesis de DNA ni duplicación del genoma)
entre la primera y la segunda divisiones meióticas.
La meiosis II es similar a una mitosis normal excepto en que el número de
cromosomas es de 23 en lugar de 46; las cromátidas de cada uno de los 23
cromosomas se separan y una cromátida de cada cromosoma pasa a la célula
hija (v. fig. 2-14). Sin embargo, tal y como se ha mencionado con anterioridad,
debido al entrecruzamiento producido en la meiosis I, los cromosomas de los
gametos resultantes no son idénticos (v. fig. 2-15).
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Gametogénesis y fecundación humanas
Las células de la línea germinal que experimentan meiosis (espermatocitos
primarios y ovocitos primarios) derivan del cigoto a través de una larga serie
de mitosis antes de que se inicie la meiosis. Los gametos masculinos y
femeninos tienen una historia diferente, caracterizada por patrones distintos
de expresión génica que reflejan su origen en el desarrollo como embrión XY
o XX. Las células germinales humanas primordiales pueden reconocerse
hacia la cuarta semana de desarrollo fuera del embrión propiamente dicho, en
el endodermo de la vesícula vitelina. Desde allí migran, durante la sexta
semana, a las crestas genitales, y se asocian con células somáticas para formar
las gónadas primitivas, que al poco tiempo se diferencian en testículos u
ovarios, dependiendo de la constitución de los cromosomas sexuales de las
células (XY o XX), tal como se expone con mayor detalle en el capítulo 6.
Tanto la espermatogénesis como la ovogénesis requieren meiosis, pero
presentan importantes diferencias de proceso y cronología que pueden tener
consecuencias clínicas y genéticas para la descendencia. La meiosis femenina
se inicia en un momento determinado durante la vida fetal incipiente en un
número limitado de células. Por el contrario, la meiosis masculina se va
iniciando de manera continuada en muchas células de una población celular
durante de la vida adulta del varón.
Las sucesivas etapas de la meiosis en la mujer se producen a lo largo de
varias décadas en el ovario fetal antes incluso del nacimiento de la mujer en
cuestión, en el ovocito cuando se acerca la ovulación en la mujer sexualmente
madura, y después de la fecundación del óvulo que puede convertirse en el
hijo de la mujer. Aunque las etapas posfecundación pueden estudiarse in
vitro, el acceso a las primeras etapas es limitado. El material testicular para el
estudio de la meiosis masculina es más fácil de conseguir, ya que en la
evaluación de muchos varones que visitan clínicas de infertilidad se incluye
la biopsia testicular. Queda mucho por aprender sobre los mecanismos
citogenéticos, bioquímicos y moleculares implicados en la meiosis, así como
sobre las causas y consecuencias de sus irregularidades.
Espermatogénesis
Las etapas de la espermatogénesis se muestran en la figura 2-16. Los túbulos
seminíferos de los testículos están revestidos con espermatogonias, que se
desarrollan a partir de células germinales primordiales mediante una larga
serie de mitosis y que están en diferentes etapas de diferenciación. Los
espermatozoides sólo se forman después de alcanzar la madurez sexual. El
último tipo celular en la secuencia de desarrollo es el espermatocito primario,
una célula germinal diploide que sufre meiosis I para formar dos
espermatocitos secundarios haploides. Los espermatocitos secundarios
entran rápidamente en meiosis II y cada uno forma dos espermátidas, que se
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diferencian sin dividirse más en espermatozoides. En el ser humano, todo el
proceso dura unos 64 días. El enorme número de espermatozoides formados,
alrededor de 200 millones por eyaculación y 1012 en toda la vida, requiere
varios cientos de mitosis sucesivas.
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FIGURA 2-16
Esquema que ilustra la espermatogénesis humana con sus
dos divisiones meióticas.
La secuencia de acontecimientos comienza en la pubertad y dura unos 64 días.
Se muestran el número de cromosomas (46 o 23) y la constitución de los
cromosomas sexuales (X o Y) de cada célula. Véase Créditos de figuras.
Como ya se ha señalado, la meiosis normal requiere el emparejamiento de
cromosomas homólogos y la recombinación posterior. Los autosomas y los
cromosomas X en las mujeres no suelen presentar dificultades al respecto;
pero cabe preguntarse qué sucede con los cromosomas X e Y durante la
espermatogénesis. Aunque los cromosomas X e Y son diferentes y no son
homólogos en sentido estricto, tienen segmentos idénticos relativamente
cortos en los extremos de sus respectivos brazos cortos (Xp e Yp) y largos
brazos (Xq e Yq) (v. cap. 6). Se produce emparejamiento y entrecruzamiento
en ambas regiones durante la meiosis I. Estos segmentos homólogos se
denominan pseudoautosómicos para reflejar su comportamiento de
emparejamiento y recombinación similar al de los autosomas, a pesar de estar
en cromosomas sexuales diferentes.
Ovogénesis
Mientras que la espermatogénesis no se inicia hasta la pubertad, la
ovogénesis comienza durante el desarrollo del feto femenino (v. fig. 2-18). Los
óvulos se desarrollan a partir de ovogonias, células de la corteza ovárica que
descienden de las células germinales primitivas por una serie de alrededor de
20 mitosis. Cada ovogonia ocupa el centro de un folículo en desarrollo. Hacia
el tercer mes de gestación, las ovogonias del embrión han comenzado a
desarrollarse como ovocitos primarios, la mayoría de los cuales ya han
entrado en la profase de la meiosis I. El proceso de ovogénesis no está
sincronizado, de manera que en el ovario fetal coexisten estadios incipientes y
tardíos. Aunque en el momento del nacimiento hay varios millones de
ovocitos, la mayoría degeneran; los demás permanecen detenidos en profase I
(v. fig. 2-14) durante décadas. Finalmente, sólo maduran unos 400, que son
expulsados mediante la ovulación como parte del ciclo menstrual femenino.
Cuando la mujer alcanza la madurez sexual, cada folículo crece y madura,
y unos pocos son expulsados con la ovulación (en promedio, uno cada mes).
Cada ovocito completa la meiosis I con rapidez inmediatamente antes de la
ovulación, dividiéndose de forma que una célula se convierte en el ovocito
secundario (un huevo u óvulo), que contiene la mayor parte del citoplasma
con sus orgánulos; la otra se convierte en el primer corpúsculo polar (v. fig. 217). La meiosis II comienza inmediatamente y prosigue hasta la etapa de
metafase durante la ovulación, donde se detiene de nuevo, y sólo se completa
si se produce la fecundación.
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FIGURA 2-17
Esquema que ilustra la ovogénesis y la fecundación humanas
en relación con las dos divisiones meióticas.
Los ovocitos primarios se forman antes del nacimiento y permanecen suspendidos
en profase de la meiosis I durante décadas, hasta que comienza la pubertad. Un
ovocito completa la meiosis I cuando madura su folículo, produciendo un ovocito
secundario y el primer corpúsculo polar. Después de la ovulación cada ovocito
continúa hasta la metafase de la meiosis II. La meiosis II se completa sólo si se
produce fecundación, lo que resulta en un óvulo maduro fecundado y el segundo
corpúsculo polar.
Fecundación
Generalmente, la fecundación de un óvulo se produce en la trompa de
Falopio en las 24 horas siguientes a la ovulación. Aunque pueden estar
presentes muchos espermatozoides, la penetración de uno solo en el óvulo
desencadena una serie de acontecimientos bioquímicos que suelen impedir la
entrada de otro espermatozoide.
La fecundación es seguida por la finalización de la meiosis II, con la
formación del segundo corpúsculo polar (v. fig. 2-17). Los cromosomas del
óvulo fecundado y del espermatozoide forman pronúcleos, cada uno
rodeado de su propia membrana nuclear. Sólo después de la replicación de
los genomas parentales tras la fecundación, los genomas haploides se
convierten en un genoma diploide en un núcleo común. El cigoto diploide se
divide por mitosis para formar dos células hijas diploides, en la primera de
una serie de divisiones celulares que inician el proceso de desarrollo
embrionario (v. cap. 14).
Aunque el desarrollo comienza en el momento de la concepción, con la
formación del cigoto, en medicina clínica la etapa y duración de la gestación
se miden generalmente por la «edad menstrual», contando a partir del inicio
del último período menstrual, por lo general alrededor de 14 días antes de la
concepción.
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Importancia médica de la mitosis y la
meiosis
Desde el punto de vista biológico, la mitosis y la meiosis son importantes
porque garantizan la constancia del número de cromosomas de una célula a
su progenie, y de una generación a la siguiente. La importancia médica de
estos procesos se basa en los errores de la división celular que pueden
provocar la formación de un individuo o una línea celular con un número
anómalo de cromosomas y, por tanto, con una cantidad anómala de material
genómico.
Como veremos con detalle en el capítulo 5, la no disyunción meiótica,
especialmente en la ovogénesis, es el mecanismo mutagénico más frecuente
en nuestra especie, responsable de una proporción apreciable de fetos con
anomalías cromosómicas entre las gestaciones reconocidas. En las gestaciones
que llegan a término, las anomalías cromosómicas son una de las principales
causas de defectos del desarrollo, limitación del crecimiento neonatal y
discapacidad intelectual.
La no disyunción mitótica en las células somáticas también puede producir
enfermedades genéticas. Si se produce no disyunción en las primeras etapas
posfecundación, en el embrión o en los tejidos extraembrionarios como la
placenta, se produce un mosaicismo cromosómico que puede causar algunas
patologías, como una proporción de pacientes con síndrome de Down.
Además, una segregación anómala de los cromosomas de tejidos en rápida
división, como las células del colon, es con frecuencia un paso en el desarrollo
de tumores cromosómicamente anómalos y, por lo tanto, la evaluación del
equilibrio cromosómico es una importante prueba diagnóstica y pronóstica
en muchos tipos de cáncer.
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67
Bibliografía general
Green ED, Guyer MS. National Human Genome Research Institute: Charting a course for genomic medicine
from base pairs to bedside. Nature. 2011;470:204–213.
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Moore KL, Presaud TVN, Torchia MG. The developing human: clinically oriented embryology. ed 9 Philadelphia:
WB Saunders; 2013.
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68
Bibliografía específica
Deininger P. Alu elements: know the SINES. Genome Biol. 2011;12:236.
Frazer KA. Decoding the human genome. Genome Res. 2012;22:1599–1601.
International Human Genome Sequencing Consortium Initial sequencing and analysis of the human
genome. Nature. 2001;409:860–921.
International Human Genome Sequencing Consortium Finishing the euchromatic sequence of the human
genome. Nature. 2004;431:931–945.
Venter J, Adams M, Myers E, et al. The sequence of the human genome. Science. 2001;291:1304–1351.
P r oble m a s
1. Una persona tiene dos alelos, A y a, en un cierto locus.
a. ¿Qué alelos estarán presentes en sus gametos?
b. ¿Cuándo segregan A y a (1) si no hay entrecruzamiento entre el locus y el
centrómero del cromosoma?, (2) ¿y si se produce un entrecruzamiento
entre el locus y el centrómero?
2. ¿Cuál es la causa principal de las anomalías cromosómicas numéricas en el
ser humano?
3. Sin tener en cuenta el entrecruzamiento que incrementa la variabilidad
genética, calcule la probabilidad de que todos sus cromosomas provengan
de su abuela paterna y de su abuela materna. ¿Sería usted varón o mujer?
4. Un cromosoma que entra en meiosis se compone de dos cromátidas
hermanas, cada una de las cuales es una molécula de DNA.
a. En nuestra especie, al final de la meiosis I, ¿cuántos cromosomas hay en
cada célula?, ¿y cuántas cromátidas?
b. Al final de la meiosis II, ¿cuántos cromosomas hay en cada célula?, ¿y
cuántas cromátidas?
c. ¿Cuándo se restablece el número diploide de cromosomas? ¿Cuándo se
restablece la estructura de dos cromátidas típica de una metafase
cromosómica?
5. A partir de la figura 2-7, estime el número de genes por millón de pares de
bases en los cromosomas 1, 13, 18, 19, 21 y 22. ¿Tendría un impacto clínico
mayor una alteración cromosómica de tamaño igual localizada en los
cromosoma 18 o 19? ¿Y en los cromosomas 21 o 22?
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CAPÍTULO 3
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El genoma humano: estructura y
función de los genes
Durante las últimas 3 décadas se ha producido un progreso considerable en el
conocimiento de la estructura y la función de los genes y los cromosomas.
Estos avances se han apoyado en las aplicaciones de la genética molecular y
la genómica en muchas situaciones clínicas, que han aportado las
herramientas necesarias para un nuevo enfoque de la genética médica. En
este capítulo se expone una panorámica general de la organización del
genoma humano y de los aspectos de la genética molecular necesarios para
comprender el enfoque genético y genómico de la medicina. Para completar
la información que se ofrece en éste y en otros capítulos, se proporciona
material online adicional para explicar con más detalle muchos de los
enfoques experimentales de la genética y genómica modernas, que se han
convertido en elementos clave para la práctica y el conocimiento de la
genética humana y médica.
El conocimiento más detallado de los genes y de su organización en el
genoma ha tenido un enorme impacto en la medicina y en nuestra
comprensión de la fisiología humana. Tal como señaló el premio Nobel Paul
Berg con visión profética en los albores de esta nueva era:
Así como nuestros actuales conocimientos y práctica de la medicina se
basan en un sofisticado conocimiento de la anatomía, fisiología y bioquímica
humanas, de la misma forma, en el futuro, el manejo de la enfermedad
exigirá un detallado conocimiento de la anatomía, la fisiología y la bioquímica
moleculares del genoma humano... Necesitaremos un conocimiento más
detallado de la manera en que están organizados los genes, de cómo
funcionan y de cómo se regulan. Asimismo, necesitaremos que nuestros
médicos estén tan familiarizados con la anatomía y la fisiología moleculares
de los cromosomas y los genes tal como lo están ahora los cirujanos
cardíacos con la estructura y el funcionamiento del corazón.
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Información contenida en el genoma
humano
¿Cómo es posible que el código digital de 3.000 millones de letras en que
consiste el genoma humano pueda dirigir los complejos procesos de la
anatomía, la fisiología y la bioquímica humanas a los que se refería Berg? La
respuesta radica en la enorme amplificación e integración de la información
contenida en el genoma humano, que tiene lugar cuando pasamos de los
genes del genoma a sus productos en la célula y a la expresión observable de
esta información genética como rasgos celulares, morfológicos, clínicos o
bioquímicos, lo que se denomina fenotipo del individuo. Esta expansión
jerárquica de información desde el genoma al fenotipo incluye un amplio
rango de productos estructurales y regulatorios de RNA, así como productos
proteicos que orquestan numerosas funciones de las células, los órganos y
todo el organismo, además de sus interacciones con el ambiente. A pesar de
poseer la práctica totalidad de la secuencia completa del genoma humano,
todavía desconocemos el número preciso de genes existentes en el genoma.
Las estimaciones actuales indican que el genoma contiene alrededor de 20.000
genes codificantes de proteínas (v. cuadro en cap. 2), pero esta cifra sólo
representa una indicación de los niveles de complejidad que se observan
durante la descodificación de esta información digital (fig. 3-1).
FIGURA 3-1 Amplificación de la información genética desde el genoma a
los productos génicos, a las redes de genes y, en última instancia, a la
función y el fenotipo celulares.
El genoma contiene tanto genes codificantes de proteínas (azul) como genes de
RNA no codificante (ncRNA) (rojo). Muchos genes del genoma utilizan
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72
información codificante alternativa para generar múltiples productos diferentes.
Los ncRNA, tanto grandes como pequeños, intervienen en la regulación génica.
Muchas proteínas participan en redes constituidas por genes múltiples que
responden a las señales celulares de una forma coordinada y combinatoria,
ampliando adicionalmente el rango de las funciones celulares asociadas a los
fenotipos del organismo.
Tal como se ha expuesto brevemente en el capítulo 2, el producto de los
genes codificantes de proteínas es una proteína cuya estructura determina en
última instancia las funciones concretas que desempeña dicha proteína en la
célula. Sin embargo, si existiera una correspondencia unívoca simple entre
genes y proteínas, tendríamos como mucho alrededor de 20.000 proteínas
diferentes. Este número parece insuficiente para explicar la inmensa gama de
funciones que tienen lugar en las células humanas a lo largo de la vida. La
respuesta a este dilema se encuentra en dos características de la estructura y
la función de los genes. En primer lugar, muchos genes pueden producir
múltiples productos distintos, no solamente uno (v. fig. 3-1). Este proceso,
que se expone más adelante en este capítulo, se consigue mediante el uso de
segmentos de codificación alternativos en los genes y a través de la
modificación bioquímica subsiguiente de la proteína codificada; ambas
características de los genomas complejos facilitan una amplificación
sustancial de la información contenida en el genoma. Así, se ha estimado que
a través de este mecanismo, los 20.000 genes humanos pueden codificar
muchos cientos de miles de proteínas diferentes, que se denominan en
conjunto proteoma. En segundo lugar, las proteínas individuales no actúan
por sí mismas, sino que establecen complicadas redes en las que participan
muchas proteínas distintas y RNA reguladores que responden de una manera
coordinada e integrada frente a numerosas señales genéticas, del desarrollo y
del ambiente. La naturaleza combinatoria de las redes de proteínas genera
una diversidad incluso mayor de posibles funciones celulares.
Los genes se localizan en todo el genoma, pero tienden a agruparse en
regiones particulares y en cromosomas específicos, mientras que son
relativamente escasos en otras regiones y en otros cromosomas. Por ejemplo,
el cromosoma 11, que tiene alrededor de 135 millones de pb (megapares de
bases [Mb]) es relativamente rico en genes y posee alrededor de 1.300 genes
codificantes de proteínas (v. fig. 2-7). Estos genes no están distribuidos
aleatoriamente en el cromosoma, sino que se localizan de forma
predominante en dos regiones cromosómicas en las que la densidad de genes
llega a ser de un gen por cada 10 kb (fig. 3-2). Algunos de estos genes
pertenecen a familias de genes relacionados, tal como se describirá con mayor
detalle en este capítulo. Otras regiones contienen pocos genes, y hay incluso
varias regiones denominadas desiertos de genes en las que existe 1 millón o
más de pares de bases sin que se hayan detectado genes codificantes de
proteínas conocidos. Aquí hay que hacer dos observaciones: en primer lugar,
el proceso de identificación de genes y de anotación del genoma sigue siendo
un desafío constante; a pesar de la aparente solidez de las estimaciones
recientes, es casi seguro que hay algunos genes, incluidos algunos que son
DrBurgos
73
clínicamente relevantes, que todavía no se han identificado o que presentan
características que hoy en día no se reconocen como asociadas a genes. En
segundo lugar, como se mencionó en el capítulo 2, muchos genes no son
codificantes de proteínas; sus productos son moléculas de RNA funcionales
(RNA no codificantes o ncRNA; v. fig. 3-1) que desempeñan diversas
funciones en la célula, muchas de las cuales se están empezando a descubrir.
FIGURA 3-2
Genes contenidos en el cromosoma 11, que está constituido
por 135 Mb de DNA.
A, La distribución de los genes queda indicada a lo largo del cromosoma y es
mayor en dos regiones del cromosoma y menor en otras. B, Una región ampliada
desde 5,15 hasta 5,35 Mb (medida a partir del telómero del brazo corto), que
contiene 10 genes codificantes de proteínas conocidos; cinco de ellos pertenecen
a la familia del gen del receptor olfatorio (OR, olfactory receptor) y cinco a la del
gen de la globina. C, Los cinco genes de la globina de tipo β con una expansión
adicional. Véase Créditos de figuras.
En lo que se refiere a los genes localizados en los autosomas, cada gen
posee dos copias, una en el cromosoma heredado de la madre y otra en el
cromosoma heredado del padre. Con respecto a la mayor parte de los genes
autosómicos, ambas copias presentan expresión y generan un producto. No
obstante, hay un número creciente de genes en el genoma que constituyen
una excepción a esta regla general y que se expresan diferente en las dos
copias, incluidos algunos que, en su grado máximo, se expresan sólo en una
de las dos copias de los dos cromosomas homólogos. Estos ejemplos de
desequilibrio alélico se describen con más detalle más adelante en este
capítulo, así como en los capítulos 6 y 7.
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74
El dogma central: DNA → RNA → proteína
¿Cómo especifica el genoma la diversidad y complejidad funcionales que es
evidente en la figura 3-1? Tal como hemos visto en el capítulo anterior, la
información genética está contenida en el DNA de los cromosomas, en el
núcleo celular; sin embargo, la síntesis de proteínas, durante la cual se utiliza
la información codificada en el DNA para la especificación de las funciones
celulares, tiene lugar en el citoplasma. Esta compartimentación refleja el
hecho de que el organismo humano es eucariota, lo que significa que las
células humanas tienen un núcleo, que contiene el DNA, separado del
citoplasma por una membrana nuclear. Por el contrario, en los organismos
procariotas, como la bacteria intestinal Escherichia coli, el DNA no está
contenido en un núcleo. Debido a la compartimentación de las células
eucariotas, la transferencia de información del núcleo al citoplasma es un
proceso muy complejo que ha sido centro de atención para biólogos
moleculares y celulares.
El enlace molecular entre estos dos tipos de información relacionados (el
código de DNA de los genes y el código de aminoácidos de las proteínas) es
el ácido ribonucleico (RNA). La estructura química del RNA es similar a la
del DNA, excepto por el hecho de que cada nucleótido del RNA tiene un
azúcar de ribosa en lugar de desoxirribosa; además, el uracilo (U) reemplaza
a la timina como una de las bases pirimidínicas del RNA (fig. 3-3). Otra
diferencia entre el RNA y el DNA es que el RNA que existe en la mayoría de
los organismos es una molécula de una sola cadena, al contrario que el DNA,
que es una doble hélice (v. cap. 2).
FIGURA 3-3
La pirimidina uracilo y la estructura de un nucleótido en el
RNA.
Se puede observar que el azúcar ribosa sustituye al azúcar desoxirribosa del
RNA. Esta figura se debe comparar con la figura 2-2.
Las relaciones de información entre el DNA, el RNA y las proteínas están
DrBurgos
75
entremezcladas: el DNA genómico dirige la síntesis y la secuencia de RNA y
éste dirige la síntesis y la secuencia de los polipéptidos. Asimismo, existen
proteínas implicadas en la síntesis y el metabolismo del DNA y del RNA. Este
flujo de información se conoce como el «dogma central» de la biología
molecular.
La información genética es almacenada en el DNA del genoma mediante
un código (el código genético, que se expone más adelante) en el que la
secuencia de bases adyacentes determina en último extremo la secuencia de
aminoácidos del polipéptido codificado. En primer lugar, se sintetiza RNA a
partir de la plantilla de DNA mediante un proceso denominado
transcripción. El RNA, portador de la información codificada en forma de
RNA mensajero (mRNA), es transportado entonces desde el núcleo al
citoplasma, en el que la secuencia de RNA es descodificada, o traducida, para
determinar la secuencia de aminoácidos de la proteína que se está
sintetizando. El proceso de traducción tiene lugar en los ribosomas, unos
orgánulos citoplasmáticos con puntos de unión para todas las moléculas que
interactúan, incluido el mRNA, involucradas en la síntesis de proteínas. Los
propios ribosomas están compuestos de muchas proteínas estructurales
diferentes en asociación con un tipo de RNA especializado conocido como
RNA ribosómico (rRNA). La traducción implica un tercer tipo de RNA, el
RNA de transferencia (tRNA), que proporciona el enlace molecular entre el
código contenido en la secuencia de bases del mRNA y la secuencia de
aminoácidos de la proteína codificada por ese mRNA.
Debido al flujo interdependiente de información que implica el dogma
central, la genética molecular de la expresión génica puede investigarse a
partir de cualquiera de los tres niveles de información: DNA, RNA o
proteína. Comenzaremos examinando la estructura de los genes como base
del estudio del código genético, la transcripción y la traducción.
DrBurgos
76
Estructura y organización de los genes
De forma simple, un gen codificante de proteína puede ser representado
como un segmento de una molécula de DNA que contiene el código para la
secuencia de aminoácidos de una cadena de polipéptidos, así como las
secuencias reguladoras necesarias para su expresión. Sin embargo, esta
descripción es inadecuada para los genes del genoma humano (y para la
mayoría de los genomas de organismos eucariotas) debido a que existen
pocos genes que sean secuencias codificantes continuas. En su lugar, en la
inmensa mayoría de los genes, las secuencias codificantes están
interrumpidas por una o más regiones no codificantes (fig. 3-4). Estas
secuencias interpuestas, llamadas intrones, se transcriben inicialmente a RNA
en el núcleo, pero no están presentes en el mRNA en el citoplasma, porque se
eliminan («corte») por un proceso que se explicará después. Por tanto, la
información de las secuencias intrónicas no está representada en el producto
proteico final. Los intrones alternan con secuencias codificantes, o exones,
que al final codifican la secuencia de aminoácidos de la proteína. Además, el
conjunto de exones codificantes de cualquier gen particular está flanqueado
por secuencias adicionales que se transcriben, pero no se traducen,
denominadas regiones 5’ y 3’ no traducidas (v. fig. 3-4). Aunque algunos
pocos genes del genoma humano carecen de intrones, la mayoría contiene al
menos uno y, generalmente, varios. En muchos genes, la longitud acumulada
de los intrones representa una proporción mucho mayor de la longitud total
del gen que la constituida por los exones. Mientras que algunos genes sólo
tienen algunas kilobases de longitud, otros se extienden a lo largo de cientos
de kilobases. Además, algunos genes son excepcionalmente largos, como el
gen de la distrofina ligado al cromosoma X (cuyas mutaciones dan lugar a la
distrofia muscular de Duchenne [Caso 14]), con más de 2 Mb, de las cuales
menos del 1% son exones codificantes.
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77
FIGURA 3-4 A, Estructura general de un gen humano típico. Las características
individuales resultantes se exponen en el texto. B, Ejemplos de tres genes
humanos con importancia médica. Las diferentes mutaciones en el gen de la βglobina, que presenta tres exones, causan diversas alteraciones importantes de la
hemoglobina (Casos 42 y 44). Las mutaciones en el gen BRCA1 (24 exones) son
responsables de los muchos casos de carcinomas hereditarios de mama y/u
ovario (Caso 7). Las mutaciones en el gen de la cadena pesada de la β-miosina
(MYH7) (40 exones) causan una miocardiopatía hipertrófica hereditaria.
Características estructurales de un gen humano
típico
Los genes humanos presentan un rango de características (v. fig. 3-4). En los
capítulos 1 y 2 definimos brevemente el concepto de «gen» en términos
generales. Ahora podemos ofrecer una definición molecular de gen como una
secuencia de DNA que especifica la elaboración de un producto funcional, sea un
polipéptido o una molécula de RNA funcional. Un gen incluye no sólo las
secuencias codificantes, sino otras secuencias de nucleótidos adyacentes
necesarias para la adecuada expresión del gen, es decir, para la producción de
una molécula normal de mRNA u otras moléculas de RNA en cantidad
suficiente, en el lugar adecuado y en el momento preciso durante el
desarrollo o el ciclo celular.
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Las secuencias de nucleótidos adyacentes aportan las señales moleculares
de «inicio» y «terminación» para la síntesis de mRNA transcrito del gen.
Debido a que el transcrito primario de RNA se sintetiza en dirección 5’ a 3’, el
inicio de la transcripción se denomina extremo 5’ de la porción transcrita de
un gen (v. fig. 3-4). Por convención, el DNA genómico que precede al sitio de
inicio de la transcripción en dirección 5’ se denomina secuencia «upstream»
(hacia arriba), mientras que la secuencia de DNA localizada en dirección 3’
después del extremo de un gen es la secuencia «downstream» (hacia abajo). En
el extremo 5’ del gen se encuentra la región del promotor, que incluye
secuencias responsables del inicio adecuado de la transcripción. En esta
región se localizan varios elementos del DNA cuya secuencia suele estar
conservada en muchos genes diferentes. Esta conservación, junto con
estudios funcionales sobre expresión génica, indica que dichas secuencias
desempeñan un papel importante en la regulación génica. En cada tejido
concreto, o en un momento determinado durante el desarrollo, sólo se
expresa un subgrupo de genes del genoma. En el genoma humano existen
varios tipos de promotores, con propiedades reguladoras diferentes, que
especifican los patrones y los niveles de expresión de un gen particular en los
diferentes tejidos y tipos celulares, tanto durante el desarrollo como a lo largo
de la vida. Algunas de estas propiedades están codificadas en el genoma,
mientras que otras están especificadas por características de la cromatina
asociadas con esas secuencias, como se describe más adelante en este
capítulo. Tanto los promotores como otros elementos reguladores
(localizados en los extremos 5’ o 3’ de un gen o en sus intrones) pueden ser
sitios de mutación en enfermedades genéticas que pueden interferir con la
expresión normal de un gen. Estos elementos reguladores, incluidos los
potenciadores, los aisladores y las regiones de control de locus se exponen
con detalle más adelante en este capítulo. Algunos de estos elementos se
sitúan a una distancia significativa de la porción codificante de un gen, lo que
refuerza el concepto de que el ambiente genómico en el que residen los genes
es un elemento importante en su evolución y regulación.
La región 3’ no traducida contiene una señal para añadir una secuencia de
residuos de adenosina (la denominada cola poliA) al extremo del RNA
maduro. Aunque, en general, se acepta que estas secuencias reguladoras tan
cercanas son parte de lo que se denomina un «gen», las dimensiones precisas
de cualquier gen serán inciertas hasta que sean completamente caracterizadas
las funciones potenciales de las secuencias más alejadas.
Familias de genes
Muchos genes pertenecen a familias génicas, que comparten secuencias de
DNA estrechamente relacionadas y codifican polipéptidos con secuencias de
aminoácidos estrechamente relacionadas.
Los miembros de dos de estas familias de genes se localizan en una
pequeña región del cromosoma 11 (v. figura 3-2) e ilustran diversas
DrBurgos
79
características que definen a las familias de genes en general. Una familia de
genes pequeña, pero médicamente importante, es la compuesta por los genes
que codifican las cadenas de proteínas de las hemoglobinas. Los grupos de
genes de las α y β-globinas, en los cromosomas 16 y 11, respectivamente,
parecen haberse originado por duplicación de un gen precursor primitivo
hace alrededor de 500 millones de años. Estos dos grupos contienen genes
que codifican cadenas de globinas relacionadas que se expresan en diferentes
etapas del desarrollo, desde el embrión al adulto. Los genes de cada grupo
tienen secuencias más similares entre sí que entre cada uno y los del otro
grupo, por lo que se cree que cada grupo ha evolucionado mediante una serie
de duplicaciones génicas secuenciales a lo largo de los últimos 100 millones
de años. Los patrones exón-intrón de los genes de las globinas se han
conservado extremadamente durante la evolución; cada uno de los genes
funcionales de la globina (v. el gen de la β-globina en la fig. 3-4) tiene dos
intrones en una localización similar, aunque las secuencias intrónicas han
acumulado muchos más cambios de nucleótidos a lo largo del tiempo que las
secuencias codificantes de cada gen. Más adelante en este capítulo y en el
capítulo 11 se tratan de forma más detallada el control de la expresión de
varios genes de globina, tanto en su estado normal como en muchas
hemoglobinopatías heredadas.
La segunda familia de genes que se muestran en la figura 3-2 es la
correspondiente a los genes del receptor olfatorio (OR, olfactory receptor). Se
ha estimado que hay hasta 1.000 genes OR funcionales en el genoma. Los OR
son responsables de nuestro agudo sentido del olfato, que puede reconocer y
diferenciar miles de compuestos químicos estructuralmente diversos. Los
genes OR se localizan en todo el genoma y en casi todos los cromosomas,
aunque más de la mitad de ellos se sitúan en el cromosoma 11, incluidos
varios miembros de la familia situados cerca del grupo de la β-globina.
Pseudogenes
En las familias de genes de la β-globina y del OR hay secuencias relacionadas
con genes funcionales de la globina y del OR, pero que no producen ninguna
forma de RNA funcional ni productos proteicos. Las secuencias de DNA que
muestran una gran similitud con genes conocidos pero que carecen de
función se denominan pseudogenes; existen decenas de miles de
pseudogenes relacionados con numerosos genes y familias de genes distintos
localizados en todo el genoma. Los pseudogenes son de dos tipos generales,
procesados y no procesados. Se considera que los pseudogenes no
procesados son productos intermedios de la evolución y representan genes
«muertos» que en algún momento fueron funcionales pero que en la
actualidad son un vestigio, tras haber sido inactivados por mutaciones en
secuencias codificantes o reguladoras críticas. A diferencia de los no
procesados, los pseudogenes procesados son pseudogenes que se han
formado no a través de mutaciones, sino mediante un proceso denominado
DrBurgos
80
retrotransposición, que conlleva la transcripción, la generación de una copia
de DNA a partir del mRNA (denominada cDNA) por transcripción inversa y,
finalmente, la reintegración de estas copias de DNA en el genoma en una
localización bastante distante del gen original. Dado que estos pseudogenes
son creados a través de la retrotransposición de una copia de DNA originada
a partir de mRNA procesados, carecen de intrones y no necesariamente se
localizan en el mismo cromosoma (o la misma región cromosómica) que su
gen progenitor, que es precisamente lo que suele ocurrir. En muchas familias
de genes el número de pseudogenes es igual o superior al de genes
funcionales.
Genes de RNA no codificante
Como se acaba de exponer, muchos genes son codificantes de proteínas y se
transcriben en mRNA que se traducen finalmente en sus proteínas
respectivas; sus productos son las enzimas, proteínas estructurales, receptores
y proteínas reguladoras que se encuentran en diversos tejidos y tipos
celulares humanos. Sin embargo, como se ha descrito brevemente en el
capítulo 2, hay otros genes cuyo producto funcional parece ser el propio RNA
(v. fig. 3-1). Estos RNA no codificantes (ncRNA) tienen una serie de
funciones en la célula, aunque muchos aún no tienen ninguna función
identificada. Según estimaciones actuales, hay entre 20.000 y 25.000 genes de
ncRNA, además de los alrededor de 20.000 genes codificantes de proteínas
que se comentaron previamente. Por tanto, el conjunto de ncRNA supone
alrededor de la mitad de todos los genes humanos identificados. Por ejemplo,
se estima que el cromosoma 11, además de sus 1.300 genes codificantes de
proteínas, tiene 1.000 genes de ncRNA.
Algunos de los tipos de ncRNA desempeñan papeles en gran medida
genéricos en la infraestructura celular, incluidos los tRNA y rRNA implicados
en la traducción de los mRNA en los ribosomas, otros RNA implicados en el
control del corte y empalme de RNA, y pequeños RNA nucleolares (snoRNA)
implicados en la modificación de rRNA. Otros ncRNA pueden ser bastante
largos (por lo que a veces se denominan ncRNA largos o lncRNA) y
participan en la regulación génica, en el silenciamiento génico y en
enfermedades humanas, como se detallará más adelante en este capítulo.
Una clase particular de RNA pequeños con una importancia creciente son
los microRNA (miRNA), unos ncRNA de sólo unas 22 bases de longitud que
suprimen la traducción de los genes diana al unirse a sus respectivos mRNA
y regular la producción de proteínas a partir de los transcritos diana. Se han
identificado muchos más de 1.000 genes de miRNA en el genoma humano;
algunos están conservados evolutivamente, mientras que otros parecen tener
un origen evolutivo muy reciente. Se ha demostrado que algunos miRNA
inhiben la traducción de cientos de mRNA cada uno, con diferentes
combinaciones de RNA diana en distintos tejidos; por tanto, se ha propuesto
que los miRNA en conjunto controlan la actividad de hasta el 30% de todos
DrBurgos
81
los genes codificantes de proteínas del genoma.
Aunque esta área de la biología del genoma está en rápida evolución, las
mutaciones en varios genes de ncRNA ya se han implicado en enfermedades
humanas, como el cáncer, los trastornos del desarrollo, y diversas
enfermedades, tanto de inicio temprano como en adultos (v. cuadro).
RNA no codif ica nte s y e nf e r m e da de s
El papel de los distintos tipos de ncRNA en varias enfermedades humanas,
desde los síndromes del desarrollo temprano a los trastornos de inicio en
adultos, pone de relieve su importancia para la medicina.
• La deleción de un grupo de genes de miRNA en el cromosoma 13 provoca
una forma de síndrome de Feingold, un síndrome del desarrollo en el que
se producen defectos esqueléticos y del crecimiento, con microcefalia, talla
baja y anomalías de los dedos.
• Las mutaciones del gen de miRNA MIR96, en la región del gen crucial para
la especificidad de reconocimiento de su mRNA diana, pueden causar
hipoacusia progresiva en adultos.
• Se ha descrito la presencia de niveles aberrantes de ciertas clases de miRNA
en una amplia variedad de cánceres, trastornos del sistema nervioso central
y enfermedades cardiovasculares (v. cap. 15).
• La deleción de grupos de genes de snoRNA en el cromosoma 15 provoca el
síndrome de Prader-Willi, un trastorno caracterizado por obesidad,
hipogonadismo y deterioro cognitivo (v. cap. 6).
• Se ha descrito la expresión anómala de un lncRNA específico en el
cromosoma 12 en pacientes con una enfermedad asociada al embarazo
denominada síndrome HELLP.
• La deleción, la expresión anormal y/o las anomalías estructurales de
diferentes lncRNA implicados en la regulación de largo alcance de la
expresión génica y la función del genoma están presentes en diversos
trastornos que implican el mantenimiento de la longitud de los telómeros,
la expresión monoalélica de genes en regiones específicas del genoma y la
dosis del cromosoma X (v. cap. 6).
DrBurgos
82
Fundamentos de la expresión génica
Para los genes que codifican proteínas, el flujo de información desde el gen al
polipéptido implica varios pasos (fig. 3-5). El inicio de la transcripción de un
gen se encuentra bajo la influencia de promotores y otros elementos
reguladores, así como de otras proteínas específicas conocidas como factores
de transcripción, que interactúan con secuencias específicas de esas regiones
y determinan el patrón espacial y temporal de la expresión de un gen. La
transcripción de un gen se inicia en el «lugar de inicio» de la transcripción en
el DNA cromosómico, al comienzo de la región 5’ transcrita pero no traducida
(denominada UTR [untranslated region] 5’), inmediatamente hacia arriba de las
secuencias codificantes; después, continúa a lo largo del cromosoma hasta
algún lugar situado desde varios cientos a más de 1 millón de pares de bases,
a través de intrones y exones, y más allá del final de las secuencias
codificantes. Tras una modificación en los extremos 5’ y 3’ del transcrito
primario de RNA, las porciones correspondientes a los intrones son
separadas y los segmentos correspondientes a los exones son empalmados
unos con otros en un proceso denominado corte y empalme del RNA o
splicing. Después del corte y empalme, el mRNA resultante (que contiene un
segmento central que ahora es colineal con las porciones codificantes del gen)
es transportado del núcleo al citoplasma, donde el mRNA es finalmente
traducido a la secuencia de aminoácidos del polipéptido codificado. Cada
uno de los pasos de este complejo proceso es susceptible de error, y las
mutaciones que interfieren con cada paso son responsables de diversos
trastornos hereditarios (v. caps. 11 y 12).
DrBurgos
83
FIGURA 3-5
Flujo de información DNA → RNA → proteína en un hipotético
gen con tres exones y dos intrones.
En los exones, la banda morada indica las secuencias codificantes. Los pasos
incluyen la transcripción, el procesamiento y el corte y empalme del RNA
(splicing), el transporte del RNA desde el núcleo al citoplasma y la traducción.
Transcripción
La transcripción de los genes que codifican proteínas mediante la RNA
polimerasa II (uno de los tipos de RNA polimerasas) se inicia hacia arriba de
la primera secuencia codificante, en el lugar de inicio de la transcripción, el
punto que se corresponde con el extremo 5’ del producto final de RNA (v.
figs. 3-4 y 3-5). La síntesis del transcrito primario de RNA se desarrolla en
sentido 5’ a 3’, mientras que la cadena del gen que está siendo transcrito y
que sirve de plantilla para el RNA se lee en sentido 3’ a 5’ con respecto a la
dirección del eje de desoxirribosa fosfodiéster (v. fig. 2-3). Debido a que el
RNA sintetizado se corresponde, tanto en polaridad como en secuencia de
bases (sustituyendo U por T), a la cadena 5’ a 3’ del DNA, esta cadena no
transcrita de DNA es denominada algunas veces cadena de DNA codificante o
«con sentido». La cadena de DNA 3’ a 5’ que se usa como molde para la
transcripción se denomina cadena no codificante o «antisentido». La
transcripción continúa a través de intrones y exones del gen, más allá de la
posición en el cromosoma que corresponde al extremo 3’ del mRNA maduro.
No sabemos si la transcripción finaliza en un punto de terminación 3’
predeterminado.
El transcrito primario de RNA es procesado añadiendo una estructura
química llamada «caperuza» al extremo 5’ del RNA y cortando el extremo 3’
DrBurgos
84
en un punto específico más abajo del final de la información codificante. A
este corte le sigue la adición de una cola poli-A en el extremo 3’ del RNA, lo
que parece incrementar la estabilidad del RNA poliadenilado resultante. La
localización del punto de poliadenilación está especificada en parte por la
secuencia AAUAAA (o por alguna variante de la misma), que en general se
encuentra en la porción 3’ no traducida del transcrito de RNA. Todas estas
modificaciones postranscripcionales tienen lugar en el núcleo, así como
también el proceso de corte y empalme del RNA. El RNA del todo procesado,
denominado ahora mRNA, es finalmente transportado al citoplasma, donde
se produce la traducción (v. fig. 3-5).
Traducción y código genético
En el citoplasma, el mRNA se traduce a proteína mediante la acción de una
variedad de moléculas adaptadoras cortas de RNA (los tRNA), cada una de
las cuales es específica de un aminoácido concreto y sólo tiene una longitud
comprendida entre 70 y 100 nucleótidos. Desempeñan la función de transferir
el aminoácido correcto a su posición a lo largo de la plantilla de mRNA para
ser añadido a la cadena polipeptídica en construcción. La síntesis de
proteínas se produce en los ribosomas, unos complejos macromoleculares de
rRNA (codificados por los genes de rRNA 18S y 28S) y varias docenas de
proteínas ribosómicas (v. fig. 3-5).
La clave para la traducción es un código que relaciona aminoácidos
específicos con combinaciones de tres bases contiguas a lo largo del mRNA.
Cada serie de tres bases constituye un codón, que es específico para cada
aminoácido (tabla 3-1). En teoría, las posibles variaciones en el orden de bases
a lo largo de una cadena polinucleotídica son casi infinitas. En cualquier
posición existen cuatro posibilidades (A, T, C o G); por tanto, para tres bases
hay 43, es decir, 64 combinaciones posibles de tripletes. Estos 64 codones
constituyen el código genético.
Tabla 3-1
El código genético
DrBurgos
85
Stop, codón de terminación.
Los codones se muestran en términos de mRNA, que son complementarios con los correspondientes
codones de DNA.
Debido a que sólo existen 20 aminoácidos y 64 codones posibles, la mayoría
de aminoácidos están especificados por más de un codón; de aquí que se diga
que el código es degenerado. Por ejemplo, la base en tercera posición del
triplete a menudo puede ser cualquier purina (A o G) o cualquier pirimidina
(T o C) o –en algunos casos– cualquiera de las cuatro bases, sin que se altere
el mensaje codificado (v. tabla 3-1). La leucina y la arginina están
especificadas por seis codones cada una. Sólo la metionina y el triptófano
están especificados por un solo codón. Tres de los codones se denominan
codones de terminación (o sin sentido) porque indican el final de la
traducción del mRNA en ese punto.
La traducción de un mRNA procesado se inicia siempre en un codón de
metionina. La metionina es, por tanto, el primer aminoácido codificado
(amino-terminal) de cada cadena polipeptídica, aunque generalmente es
DrBurgos
86
eliminada antes de que se complete la síntesis de la proteína. El codón de la
metionina (el codón iniciador, AUG) establece el marco de lectura del mRNA;
cada codón que le sigue se lee por turno para establecer la secuencia de
aminoácidos de la proteína.
Los enlaces moleculares entre los codones y los aminoácidos son
establecidos por moléculas específicas de tRNA. En cada tRNA existe un
lugar determinado que forma un anticodón de tres bases complementario
con un codón determinado del mRNA. El enlace entre el codón y el anticodón
lleva el aminoácido apropiado a la siguiente posición en el ribosoma para su
incorporación, mediante el establecimiento de un enlace peptídico con el
extremo carboxilo de la cadena polipeptídica en formación. El ribosoma se
desliza entonces a lo largo del mRNA exactamente tres bases, exponiendo el
siguiente codón para que sea reconocido por otro tRNA con el siguiente
aminoácido. Así, las proteínas se sintetizan desde el amino-terminal hasta el
carboxilo-terminal, que corresponde a la traducción del mRNA en dirección
5’ a 3’.
Según se ha señalado con anterioridad, la traducción termina cuando se
encuentra un codón de terminación (UGA, UAA o UAG) en el mismo marco
de lectura que el codón de inicio. (Los codones de terminación existentes en
cualquiera de los otros dos marcos de lectura que no se utilizan no se leen y,
por tanto, no tienen efecto en la traducción). El polipéptido completado es
entonces liberado del ribosoma, que ahora está preparado para comenzar la
síntesis de otra proteína.
Aum e nto de la dive r sida d f unciona l de la s pr ote ína s
Muchas proteínas son objeto de un empaquetamiento y procesamiento
considerables cuando adoptan su estado funcional final (v. cap. 12). La
cadena de polipéptidos que constituye el producto primario de la traducción
se pliega sobre sí misma y forma enlaces intramoleculares para crear una
estructura tridimensional determinada por su propia secuencia de
aminoácidos. Se pueden combinar dos o más cadenas de polipéptidos,
productos del mismo o de diferentes genes, para formar un único complejo
multiproteico. Por ejemplo, dos cadenas de α-globina y dos de β-globina se
asocian de forma no covalente para formar la molécula de hemoglobina
tetramérica (v. cap. 11). Los productos proteicos pueden ser modificados
también químicamente, por ejemplo, por adición de fosfato o hidratos de
carbono en lugares específicos. Estas modificaciones pueden tener una
influencia significativa respecto a la función o la abundancia de la proteína
modificada. Otras modificaciones pueden implicar la partición de la proteína
para eliminar determinadas secuencia amino-terminales que han servido
para dirigirla a su localización correcta dentro de la célula (p. ej., proteínas
que actúan dentro de las mitocondrias), o la división de la molécula en
cadenas de polipéptidos más pequeñas. Por ejemplo, las dos cadenas que
conforman la insulina madura, una de 21 aminoácidos y la otra de 30, son
originalmente parte de un producto de traducción primario de 82
DrBurgos
87
aminoácidos denominado proinsulina.
Transcripción del genoma mitocondrial
En los apartados previos se han descrito los aspectos fundamentales de la
expresión genética correspondiente a los genes existentes en el genoma
nuclear. El genoma mitocondrial presenta su propio sistema de transcripción
y de síntesis de proteínas. Para transcribir el genoma mitocondrial de 16 kb se
utiliza una RNA polimerasa especializada (codificada en el genoma nuclear)
que contiene dos secuencias promotoras relacionadas, una para cada cadena
del genoma circular. Cada cadena se transcribe en su totalidad y los
transcritos mitocondriales son procesados después para generar los diferentes
mRNA, tRNA y rRNA mitocondriales individuales.
DrBurgos
88
La expresión génica en acción
El flujo de información esbozado en la sección anterior puede apreciarse
mejor en referencia a un determinado gen que haya sido bien estudiado, por
ejemplo, el gen de la β-globina. La cadena de la β-globina es un polipéptido
de 146 aminoácidos codificado por un gen de 1,6 kb situado en el brazo corto
del cromosoma 11. El gen tiene tres exones y dos intrones (v. fig. 3-4). El gen
de la β-globina, como otros genes cercanos en el grupo de la β-globina (v. fig.
3-2), se transcribe desde el centrómero hacia el telómero. Sin embargo, esta
orientación es diferente para genes diferentes y depende de cuál sea la cadena
codificante.
Las secuencias de DNA que se requieren para una apropiada iniciación de
la transcripción del gen de la β-globina se localizan en el promotor, a unos
200 pb hacia arriba del lugar de inicio de la transcripción. En la figura 3-6 se
exponen la secuencia de DNA de doble cadena de esa región del gen de la βglobina, la secuencia de RNA correspondiente y la secuencia traducida de los
10 primeros aminoácidos, para ilustrar las relaciones entre estos tres niveles
de información. Tal como ya se ha mencionado con anterioridad, la cadena 3’
a 5’ del DNA es la que sirve de molde y se traduce, pero es la secuencia 5’ a 3’
la que se corresponde directamente con la secuencia 5’ a 3’ del mRNA (de
hecho, es idéntica a esa cadena de DNA, excepto que U es sustituido por T).
Debido a esta correspondencia, la cadena 5’ a 3’ del gen (es decir, la que no se
transcribe) es la que en general se incluye en la bibliografía médica o en las
bases de datos.
FIGURA 3-6 Estructura y secuencia de nucleótidos del extremo 5’ del gen
de la β-globina humana en el brazo corto del cromosoma 11.
La transcripción de la cadena 3’ a 5’ (abajo) comienza en el lugar de inicio
indicado para producir RNA mensajero (mRNA) de β-globina. El marco de lectura
de la traducción está determinado por el codón iniciador AUG («««); los siguientes
codones, que especifican aminoácidos, están indicados en azul. Los otros dos
marcos de lectura potenciales no se utilizan.
De acuerdo con esta convención, en la figura 3-7 se expone la secuencia
completa de aproximadamente 2,0 kb en el cromosoma 11, que incluye el gen
de la β-globina. (Da que pensar el hecho de que si se imprimiera todo el
genoma humano a esta escala, se requerirían más de 300 libros del tamaño de
este.) En esas 2,0 kb están contenidos la mayoría (aunque no todos) de los
elementos de la secuencia que se requieren para codificar y regular la
DrBurgos
89
expresión de este gen. En la figura 3-7 se recogen muchas de las
características estructurales importantes del gen de la β-globina, incluidos los
elementos de la secuencia conservada del promotor, los límites entre intrones
y exones, las UTR 5’ y 3’, los sitios de corte y empalme del RNA, los codones
de iniciación y terminación, y la señal de poliadenilación. Se conocen
mutaciones de todos estos sitios que causan defectos hereditarios del gen de
la β-globina (v. cap. 11).
FIGURA 3-7
Secuencia completa de nucleótidos del gen de la β-globina
humana.
Se muestra la secuencia de la cadena 5’ a 3’ del gen. Las áreas en naranja y con
letras mayúsculas representan secuencias exónicas correspondientes al mRNA
maduro. Las letras minúsculas indican intrones y secuencias colindantes. Las
secuencias de las cajas CAT y TATA en la región colindante 5’ están indicadas en
marrón. Los dinucleótidos GT y AG, importantes para el corte y empalme
(splicing) del RNA en las uniones intrones-exones, así como la señal AATAAA,
importante para la adición de la cola poli-A, también están destacados. En letras
rojas se señalan el codón iniciador ATG (AUG en el mRNA) y el codón de
terminación TAA (UAA en el mRNA). La secuencia de aminoácidos de la β-globina
aparece encima de la secuencia codificante; se han utilizado las abreviaturas de
tres letras de la tabla 3-1. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
90
Inicio de la transcripción
El promotor del gen de la β-globina, igual que otros muchos promotores, se
compone de una serie de elementos funcionales cortos que se cree interactúan
con proteínas reguladoras específicas (denominadas genéricamente factores
de transcripción) que controlan la transcripción, incluyendo –en el caso del
gen de la β-globina– las proteínas que restringen la expresión de estos genes a
las células eritroides, donde se produce la hemoglobina. Hay muchos más de
mil factores de transcripción específicos de secuencia que se unen al DNA en
el genoma, alguno de los cuales tienen una expresión ubicua, mientras que
otros son específicos de un tipo celular o de un tejido.
Una secuencia promotora importante presente en muchos genes (pero no
en todos), es la caja TATA, una región conservada rica en adeninas y timinas,
que se sitúa a unos 25- 30 pb hacia arriba del sitio de inicio de la transcripción
(v. figs. 3-4 y 3-7). Parece que la caja TATA es importante para determinar la
posición del inicio de la transcripción, que en el gen de la β-globina está
aproximadamente 50 pb hacia arriba del sitio de inicio de la traducción (v. fig.
3-6). Así, en este gen hay alrededor de 50 pb de la secuencia en el extremo 5’
que se transcriben, pero no se traducen; en otros genes, la región 5’ UTR
puede ser mucho más larga y, de hecho, puede hallarse interrumpida por uno
o más intrones. Una segunda región conservada, la llamada caja CAT (en
realidad es CCAAT), está situada a unas cuantas docenas de pares de bases
más arriba (v. fig. 3-7). En cualquiera de estos elementos de la secuencia, así
como en otras secuencias reguladoras incluso más arriba, se producen
mutaciones, tanto inducidas de forma experimental como de forma natural,
que provocan una fuerte reducción del nivel de transcripción, lo que
demuestra la importancia de estos elementos para la expresión génica
normal. Se han identificado muchas mutaciones en estos elementos
reguladores en pacientes con β-talasemia (v. cap. 11).
No todos los promotores génicos contienen estos dos elementos descritos.
Los genes que se expresan de forma constitutiva en la mayoría de los tejidos
(denominados genes de mantenimiento o housekeeping) con frecuencia carecen
de las cajas TATA y CAT, más típicas de los genes con especificidad tisular.
Los promotores de muchos genes de mantenimiento suelen contener una
elevada proporción de citosinas y guaninas, en comparación con el DNA que
les rodea (v. el promotor del gen BRCA1 en la fig. 3-4). Estos promotores ricos
en CG se suelen localizar en regiones del genoma denominadas islas CpG,
por la concentración inusualmente elevada del dinucleótido 5’-CpG-3’ (la p
representa el grupo fosfato entre bases adyacentes; v. fig. 2-3) en relación con
el resto del cromosoma, más rico en AT. Se cree que algunos de los elementos
de la secuencia ricos en CG que se encuentran en esos promotores sirven
como sitios de enlace para determinados factores de transcripción. Las islas
CpG también son importantes debido a que son objetivos para la metilación
del DNA. La amplia metilación de las islas CpG se suele asociar a una
represión de la transcripción génica, como se comentará con más detalle más
adelante en el contexto de la cromatina y su papel en el control de la
DrBurgos
91
expresión génica.
La transcripción por la RNA polimerasa II (RNA pol II) está sometida a
regulación a múltiples niveles, incluida la unión al promotor, el inicio de la
transcripción, el desplegamiento de la doble hélice de DNA para exponer la
cadena molde y la elongación a medida que la RNA pol II avanza a lo largo
del DNA. Aunque algunos genes silenciados carecen de unión a RNA pol II,
lo que concuerda con su incapacidad para ser transcritos en un tipo de célula
determinado, otros tienen RNA pol II preparada bidireccionalmente en el
sitio de inicio de la transcripción, lo que puede ser un medio de ajuste fino de
la transcripción en respuesta a señales celulares particulares.
Además de las secuencias que componen el promotor, existen otros
elementos de la secuencia que pueden cambiar de forma sustancial la
eficiencia de la transcripción. Los elementos mejor caracterizados de estas
secuencias «activadoras» se llaman potenciadores. Los potenciadores son
elementos de la secuencia que pueden actuar a cierta distancia de un gen (a
menudo a varias kilobases o incluso a cientos de ellas) para estimular la
transcripción. Al contrario que los promotores, los potenciadores son
independientes de la posición y de la orientación, y pueden localizarse en 5’ o
3’ del lugar de inicio de la transcripción. Los elementos potenciadores
específicos funcionan sólo en ciertos tipos de células y parecen estar
implicados en el establecimiento de la especificidad tisular o en el nivel de
expresión de muchos genes, coordinados con uno o más factores de
transcripción. El gen de la β-globina tiene varios potenciadores específicos de
tejido, tanto dentro del gen como en las regiones colindantes. La interacción
de los potenciadores con proteínas reguladoras específicas incrementa los
niveles de transcripción.
La expresión normal del gen de la β-globina durante el desarrollo
embrionario requiere también la participación de secuencias más alejadas,
denominadas regiones de control de locus (LCR), localizadas hacia arriba del
gen de la ɛ-globina (v. fig. 3-2), que son necesarias para establecer el contexto
apropiado en la cromatina suficiente para un elevado nivel de expresión. Tal
como era de esperar, las mutaciones que alteran o delecionan las secuencias
potenciadoras o las RCL interfieren o impiden la expresión del gen de la βglobina (v. cap. 11).
Corte y empalme del RNA (splicing)
El transcrito primario de RNA del gen de la β-globina contiene dos exones, de
cerca de 100 y 850 pb, que deben ser eliminados, y los segmentos restantes
deben unirse entre sí para formar el mRNA maduro. Este proceso de corte y
empalme del RNA, descrito de forma general previamente, suele ser exacto y
muy eficiente; se calcula que el 95% de los transcritos de β-globina son
ensamblados de forma correcta para producir el mRNA funcional de la
globina. Las reacciones de corte y empalme son dirigidas por secuencias
específicas de RNA en los dos extremos, 5’ y 3’, de los intrones. La secuencia
DrBurgos
92
5’ se compone de nueve nucleótidos, de los cuales dos (el dinucleótido GT
[GU en el transcrito de RNA] localizado en el intrón inmediatamente
adyacente al lugar de corte y empalme) son virtualmente invariables en los
lugares de corte y empalme de los diferentes genes (v. fig. 3-7). La secuencia
3’ se compone de alrededor de una docena de nucleótidos, de los cuales de
nuevo dos, los AG localizados inmediatamente 5’ del límite intrón/exón, son
obligados para el corte y empalme normal. Estos lugares de corte y empalme
son independientes del marco de lectura de un mRNA específico. En
ocasiones, como en el caso del intrón 1 del gen de la β-globina, el intrón
divide un codón (v. fig. 3-7).
Un hecho que ilustra la importancia médica del corte y empalme del RNA
es que las mutaciones en las secuencias conservadas de los límites
intrón/exón suelen dañar el proceso de corte y empalme del RNA, lo que
ocasiona una reducción de la cantidad de mRNA de β-globina maduro y
normal; las mutaciones en los dinucleótidos GT y AG mencionadas con
anterioridad eliminan de forma invariable el proceso de corte y empalme
normal del intrón que contiene la mutación. En el capítulo 11 se expone una
serie de mutaciones del lugar de corte y empalme identificadas en pacientes
con β-talasemia.
Corte y empalme alternativo
Tal como se acaba de señalar, cuando los intrones son eliminados del
transcrito de RNA primario mediante el mecanismo del empalme del RNA,
los exones restantes se empalman entre sí para generar el RNA maduro final.
Sin embargo, en lo que se refiere a la mayoría de los genes, el transcrito
primario puede seguir múltiples vías alternativas de empalme, dando lugar a
la síntesis de numerosos mRNA relacionados pero distintos, cada uno de los
cuales puede ser traducido posteriormente para generar productos proteicos
diferentes (v. fig. 3-1). Alguno de estos eventos alternativos tiene una
especificidad tisular o celular muy elevada y, en la medida en que estos
eventos están determinados por la secuencia primaria, están sujetos a
variación alélica entre los distintos individuos. Casi todos los genes humanos
presentan un corte y empalme alternativo en cierta medida, y se ha estimado
que cada uno de los genes del genoma humano muestra un promedio de 2 a 3
transcritos alternativos, lo que amplía de manera importante la información
contenida en el genoma humano, muy por encima de la correspondiente a los
20.000 genes codificantes de proteínas. La regulación del corte y empalme
alternativos parece desempeñar un papel especialmente destacado durante el
desarrollo neuronal, donde puede contribuir a generar los elevados niveles
de diversidad funcional necesarios en el sistema nervioso. En concordancia
con esto, la susceptibilidad a varias enfermedades neuropsiquiátricas se ha
asociado a desplazamientos o a la alteración de patrones de corte y empalme
alternativos.
DrBurgos
93
Poliadenilación
El mRNA maduro de β-globina contiene cerca de 130 pb de material no
traducido en la región 3’ (la 3’UTR) entre el codón de terminación y sitio de
inicio de la cola poli-A (v. fig. 3-7). Al igual que ocurre en otros genes, la
escisión del extremo 3’ y la adición de la cola poli-A están controladas, al
menos en parte, por una secuencia AAUAAA de unos 20 pb situada antes del
sitio de poliadenilación. Las mutaciones en esta señal de poliadenilación en
pacientes con β-talasemia (así como las mutaciones en la correspondiente
señal de poliadenilación en el gen de la β-globina en pacientes con βtalasemia) documentan la importancia de esta señal para la correcta escisión
en 3’ y poliadenilación (v. cap. 11). La UTR 3’ no traducida de algunos genes
puede tener hasta varias kb de longitud. Otros genes tienen varios lugares de
poliadenilación alternativos y, si la selección actúa en su contra, puede influir
en la estabilidad del mRNA resultante y, por tanto, en el nivel estable de cada
mRNA.
Edición del RNA y diferencias de secuencia entre
el RNA y el DNA
Varios hallazgos recientes sugieren que el principio conceptual que subyace
al dogma central (que las secuencias del RNA y de las proteínas reflejan la
secuencia genómica subyacente) no siempre se cumple. Se ha demostrado la
edición del RNA para modificar la secuencia de nucleótidos del mRNA en
varios organismos, incluido el ser humano. Este proceso implica la
desaminación de la adenosina en sitios particulares, con conversión de una A
en la secuencia de DNA en una inosina en el RNA resultante que, a
continuación, se lee por la maquinaria de traducción como una G, lo que
provoca cambios en la expresión génica y la función de la proteína, sobre
todo en el sistema nervioso. También se han descrito diferencias más
generalizadas entre DNA y RNA que implican a otras bases (con los cambios
correspondientes en la secuencia de aminoácidos codificada), a niveles que
varían entre los individuos. Aunque el (o los) mecanismo(s) y la relevancia
clínica de estos eventos siguen siendo controvertidos, ilustran la existencia de
diversos procesos capaces de aumentar la transcripción y la diversidad del
proteoma.
DrBurgos
94
Aspectos epigenéticos y epigenómicos de
la expresión génica
Dada la gama de funciones y destinos que las distintas células de cualquier
organismo deben adoptar durante su vida, es evidente que no todos los genes
del genoma pueden expresarse activamente en todas las células todo el
tiempo. La identificación de las secuencias genómicas y de las funciones que
dirigen el desarrollo ha sido tan importante como la finalización del Proyecto
Genoma Humano para contribuir a nuestra comprensión de la biología y las
enfermedades humanas, y los aspectos espaciales y temporales de la
expresión génica siguen planteando un desafío formidable. Los elementos
reguladores críticos para muchos genes individuales se han determinado
después de varias décadas de trabajo en el campo de la biología molecular,
como vimos en la sección anterior, y la atención más reciente se ha dirigido a
la realización de tales estudios a escala de todo el genoma.
En el capítulo 2, se introdujeron aspectos generales de la cromatina que
empaqueta el genoma y sus genes en todas las células. Aquí, se analizan las
características específicas de la cromatina que se asocian con genes activos o
reprimidos como paso previo hacia la identificación de un código normativo
para la expresión del genoma humano. Tales estudios se centran en los
cambios reversibles de la cromatina como determinantes de la función génica,
en lugar de en los cambios de la propia secuencia genómica, por lo que se
denominan epigenéticos o, cuando se consideran en el contexto de todo el
genoma, epigenómicos (del griego epi-, «sobre» o «por encima»).
El campo de la epigenética crece con rapidez y consiste en el estudio de los
cambios heredables de la función celular o de la expresión de genes que
pueden transmitirse de célula a célula (e incluso de generación a generación)
como resultado de señales moleculares basadas en la cromatina (fig. 3-8). Los
estados epigenéticos complejos se pueden establecer, mantener y transmitir
por varios mecanismos: modificaciones del DNA, como metilación del DNA;
numerosas modificaciones de las histonas que alteran el empaquetamiento o
acceso de la cromatina, y la sustitución de variantes histónicas especializadas
que marcan la cromatina asociada con secuencias o regiones particulares en el
genoma. Estos cambios de la cromatina pueden ser muy dinámicos y
transitorios, capaces de responder con rapidez y sensibilidad a las
necesidades cambiantes de la célula, o pueden ser duraderos, con la
posibilidad de transmitirlos a través de múltiples divisiones celulares o
incluso a las generaciones posteriores. En cualquier caso, el concepto clave es
que los mecanismos epigenéticos no alteran la secuencia de DNA subyacente,
y esto los distingue de los mecanismos genéticos, que se basan en la
secuencia. En conjunto, las marcas epigenéticas y la secuencia de DNA
constituyen el conjunto de señales que guían al genoma para expresar sus
genes en el momento adecuado, en el lugar correcto y en las cantidades
DrBurgos
95
precisas.
FIGURA 3-8 Representación esquemática de la cromatina y de tres
mecanismos epigenéticos principales: metilación del DNA en dinucleótidos CpG,
asociada con la represión génica; varias modificaciones (indicadas por colores
diferentes) en las colas de las histonas, asociadas con expresión o represión
génica, y diversas variantes de histonas que marcan regiones específicas del
genoma, asociadas con funciones específicas necesarias para la estabilidad
cromosómica o la integridad genómica. No está a escala.
Cada vez es mayor la evidencia que apunta a la implicación de los cambios
epigenéticos en las enfermedades humanas en respuesta a las influencias
ambientales o del estilo de vida. La naturaleza dinámica y reversible de los
cambios epigenéticos permite un nivel de adaptabilidad o plasticidad que
supera en gran medida la capacidad de la secuencia de DNA por sí sola, por
lo que es relevante tanto para el origen como para el posible tratamiento de la
enfermedad. Se han iniciado varios proyectos epigenómicos a gran escala
(similares al Proyecto Genoma Humano original) para catalogar los sitios de
metilación del DNA en todo el genoma (el denominado metiloma), para
evaluar el panorama de CpG en todo el genoma, descubrir nuevas variantes
de histonas y patrones de modificación en diversos tejidos y documentar la
localización de los nucleosomas en todo el genoma en diferentes tipos
celulares y en muestras de individuos tanto asintomáticos como con cáncer u
otras enfermedades. Estos análisis forman parte de un esfuerzo amplio
(denominado Proyecto ENCODE, de Encyclopedia of DNA Elements) para
analizar los patrones epigenéticos de la cromatina a escala de todo el genoma,
DrBurgos
96
con el fin de comprender mejor el control de la expresión génica en diferentes
tejidos o estados patológicos.
Metilación del DNA
La metilación del DNA consiste en la modificación de las bases citosina por
metilación del carbono en la quinta posición en el anillo de pirimidina (fig. 39). Una metilación abundante del DNA es una característica de los genes
reprimidos y es un mecanismo generalizado asociado con el establecimiento
de programas específicos de expresión génica durante la diferenciación y el
desarrollo celulares. Por lo general, la metilación del DNA se produce en la C
de los dinucleótidos CpG (v. fig. 3-8) e inhibe la expresión génica por
reclutamiento de proteínas específicas de unión a metil-CpG que, a su vez,
reclutan enzimas modificadoras de la cromatina para silenciar la
transcripción. Se considera que la presencia de 5-metilcitosina (5-mC) es una
marca epigenética estable que puede transmitirse fielmente a través de la
división celular; sin embargo, los estados de metilación alterados suelen
observarse en el cáncer, con hipometilación de grandes segmentos genómicos
o con hipermetilación regional (sobre todo en las islas CpG) en otros (v. cap.
15).
FIGURA 3-9
Bases de DNA modificadas, 5-metilcitosina y 5hidroximetilcitosina.
Compárense con la estructura de la citosina en la figura 2-2. Los grupos metilo e
hidroximetilo añadidos se recuadran en morado. Los átomos de los anillos de
pirimidina se numeran del 1 al 6 para indicar el carbono 5.
Se produce una desmetilación extensa durante el desarrollo de las células
germinales y en las primeras etapas del desarrollo embrionario, en
consonancia con la necesidad de «reiniciar» el entorno de la cromatina y
restaurar la totipotencia o pluripotencia del cigoto y de varias poblaciones de
células madre. Aunque los detalles todavía no se comprenden por completo,
estos pasos de reprogramación parecen implicar la conversión enzimática de
DrBurgos
97
5-mC a 5-hidroximetilcitosina (5-hmC; v. fig. 3-9), como un probable
intermedio en la desmetilación del DNA. En general, los niveles de 5-mC son
estables en los distintos tejidos adultos (alrededor del 5% de todas las
citosinas), mientras que los niveles de 5-hmC son mucho menores y mucho
más variables (0,1% al 1% de todas las citosinas). Curiosamente, aunque la
presencia de 5-hmC es muy generalizada en el genoma, sus niveles más
elevados se encuentran en las regiones reguladoras conocidas, lo que sugiere
su posible intervención en la regulación de promotores y potenciadores
específicos.
Modificaciones de las histonas
Una segunda clase de señales epigenéticas consta de una amplia gama de
modificaciones de cualquiera de los tipos de histonas centrales, H2A, H2B,
H3, y H4 (v. cap. 2). Tales modificaciones son la metilación, fosforilación y
acetilación de la histona, y otras variaciones en residuos de aminoácidos
específicos, la mayoría localizados en las «colas» N-terminales de las histonas
que se extienden hacia fuera desde el propio nucleosoma central (v. fig. 3-8).
Se cree que estas modificaciones epigenéticas influyen en la expresión génica
al modificar la compactación o la accesibilidad de la cromatina y por
complejos de proteínas de señalización que, dependiendo de la naturaleza de
la señal, activan o silencian la expresión génica en ese sitio. Hay docenas de
sitios modificados que pueden evaluarse de forma experimental a nivel de
todo el genoma utilizando anticuerpos que reconocen específicamente los
sitios modificados, por ejemplo, la histona H3 metilada en la lisina en
posición 9 (metilación H3K9, utilizando la abreviatura de una letra K para la
lisina; v. tabla 3-1) o la histona H3 acetilada en la lisina en posición 27
(acetilación H3K27). La primera es una marca represiva asociada con regiones
silentes del genoma, mientras que la segunda es una marca para la activación
de regiones reguladoras.
Ciertos patrones específicos de diferentes modificaciones de las histonas se
asocian con promotores, potenciadores o con el conjunto de genes de
diferentes tejidos y tipos celulares. El Proyecto ENCODE, citado
anteriormente, evaluó 12 de las modificaciones más comunes en casi 50 tipos
de células diferentes e integró los perfiles individuales de cromatina para
asignar supuestos atributos funcionales a más de la mitad del genoma
humano. Este hallazgo implica que una proporción mucho mayor del
genoma interviene, directa o indirectamente, en la determinación de los
diversos patrones de expresión génica que distinguen los tipos celulares de lo
que previamente se había deducido a partir del hecho de que menos del 2%
del genoma es «codificante» en sentido tradicional.
Variantes de histonas
Las modificaciones de las histonas que acaban de comentarse implican la
DrBurgos
98
modificación de las propias histonas centrales, que están todas codificadas
por grupos multigénicos en unas pocas localizaciones del genoma. En
contraste, las numerosas docenas de variantes de histonas son productos de
genes totalmente diferentes localizados en otro lugar del genoma, y sus
secuencias de aminoácidos son distintas a las de las histonas canónicas,
aunque están relacionadas con ellas.
Las diferentes variantes de histonas se asocian con distintas funciones y
sustituyen (por completo o en parte) al miembro correspondiente de las
histonas centrales que se encuentra en los nucleosomas típicos para generar
estructuras especializadas de la cromatina (v. fig. 3-8). Algunas variantes
marcan regiones o loci específicos en el genoma con funciones altamente
especializadas; por ejemplo, la histona CENP-A es una variante relacionada
con la histona H3 que se encuentra exclusivamente en los centrómeros
funcionales en el genoma y contribuye a las características esenciales de la
cromatina centromérica que marcan la localización de los cinetocoros a lo
largo de la fibra del cromosoma. Otras variantes son más transitorias y
marcan las regiones del genoma con atributos especiales; por ejemplo, H2A.X
es una variante de la histona H2A implicada en la respuesta a la lesión del
DNA para marcar regiones del genoma que requieren la reparación del DNA.
Arquitectura de la cromatina
A diferencia de la impresión que se obtiene al considerar el genoma como
una cadena lineal de secuencia (v. fig. 3-7), el genoma adopta una disposición
altamente ordenada y dinámica en el espacio del núcleo, que se correlaciona
con las señales epigenéticas y epigenómicas que acaban de describirse y
probablemente está guiada por ellas. Este paisaje tridimensional es muy
predictivo del mapa de todas las secuencias expresadas en cualquier tipo
celular determinado (el transcriptoma) y refleja los cambios dinámicos de la
arquitectura de la cromatina a diferentes niveles (fig. 3-10). En primer lugar,
los grandes dominios cromosómicos (hasta millones de pares de bases de
tamaño) pueden mostrar patrones coordinados de expresión génica a nivel
cromosómico, lo que implica interacciones dinámicas entre diferentes puntos
de contacto intracromosómicos e intercromosómicos dentro del núcleo. En un
nivel más sutil, los avances técnicos para mapear y secuenciar los puntos de
contacto en el genoma en el contexto del espacio tridimensional han señalado
a los bucles ordenados de cromatina que colocan y orientan los genes con
precisión, exponiendo o bloqueando regiones reguladoras críticas para el
acceso de RNA pol II, factores de transcripción y otros reguladores. Por
último, los patrones específicos y dinámicos de ubicación del nucleosoma
difieren entre los tipos celulares y los tejidos frente a las señales ambientales y
de desarrollo cambiantes (v. fig. 3-10). Las propiedades biofísicas,
epigenómicas y/o genómicas que facilitan o especifican el empaquetamiento
ordenado y dinámico de cada cromosoma durante cada ciclo celular, sin
reducir el genoma a una maraña desordenada dentro del núcleo, siguen
DrBurgos
99
siendo una maravilla arquitectónica.
FIGURA 3-10 Estructura tridimensional y empaquetamiento dinámico del
genoma, visto con niveles crecientes de resolución.
A, En los núcleos en interfase, cada cromosoma ocupa un territorio particular, que
se representa con colores diferentes. B, La cromatina está organizada en grandes
dominios subcromosómicos en cada territorio, con bucles que aproximan ciertas
secuencias y genes entre sí, lo que da lugar a interacciones intra e
intercromosómicas detectables. C, Los bucles hacen que ciertos elementos
reguladores de largo alcance (p. ej., potenciadores o regiones de control de locus)
se asocien con promotores, lo que da lugar a una transcripción y expresión génica
activas. D, La situación de los nucleosomas a lo largo de la fibra de cromatina
permite acceder a secuencias de DNA específicas para la unión de factores de
transcripción y de otras proteínas reguladoras.
DrBurgos
100
La expresión génica como integración de
señales genómicas y epigenómicas
El programa de expresión génica de una célula engloba el subconjunto
específico de los aproximadamente 20.000 genes codificantes de proteínas del
genoma que se transcriben y traducen activamente en sus respectivos
productos funcionales, el subconjunto de los 20.000-25.000 genes de ncRNA
estimados que se transcriben, el conjunto de los productos sintetizados y la
secuencia particular (alelos) de esos productos. Por tanto, el perfil de
expresión génica de cualquier célula o tipo celular específico en un individuo
dado en un momento concreto (ya sea en el contexto del ciclo celular, en una
etapa precoz del desarrollo o durante toda la vida) y bajo un conjunto dado
de circunstancias (influenciadas por el entorno, el estilo de vida o la
enfermedad) es la suma integrada de varios efectos diferentes, pero
interrelacionados, entre los que se incluyen los siguientes:
• La secuencia primaria de los genes, sus variantes alélicas y sus productos
codificados
• Las secuencias reguladoras y su localización epigenética en la cromatina
• Interacciones con los miles de factores transcripcionales, ncRNA, y otras
proteínas implicadas en el control de la transcripción, corte y empalme,
traducción y modificación postraduccional.
• Organización del genoma en dominios subcromosómicos.
• Interacciones programadas entre las diferentes partes del genoma.
• Empaquetamiento dinámico tridimensional de la cromatina en el núcleo.
Todos estos elementos se orquestan de una manera eficiente, jerárquica y
altamente programada. La alteración de uno solo de ellos (debido a variación
genética, a cambios epigenéticos y/o a procesos relacionados con
enfermedades) podría modificar el programa celular global y su resultado
funcional (v. cuadro).
Pa isa je e pige né tico de l ge nom a y m e dicina
• Los diferentes cromosomas y regiones cromosómicas ocupan territorios
característicos dentro del núcleo. La probabilidad de la proximidad física
influye en la incidencia de anomalías cromosómicas específicas (v. caps. 5 y
6).
• El genoma está organizado en dominios con un tamaño de megabases, con
características compartidas a nivel local en cuanto a la composición de
pares de bases (es decir, abundancia en GC o en AT), densidad de genes,
cronología de la replicación en la fase S y presencia de determinadas
modificaciones de las histonas (v. cap. 5).
• Los módulos de genes coexpresados corresponden a etapas anatómicas o de
desarrollo distintas, por ejemplo, en el cerebro humano o la estirpe
DrBurgos
101
hematopoyética. Estas redes de coexpresión se ponen de manifiesto por
redes reguladoras y señales epigenéticas compartidas, por la agrupación en
dominios genómicos y por patrones superpuestos de alteración de la
expresión génica en varios estados patológicos.
• Aunque los gemelos monocigóticos comparten genomas prácticamente
idénticos, pueden ser bastante discordantes para ciertos rasgos, como la
susceptibilidad a enfermedades frecuentes. Durante la vida de estos
gemelos, se producen cambios significativos en la metilación del DNA, lo
que implica la existencia de una regulación epigenética de la expresión
génica como fuente de diversidad.
• El paisaje epigenético puede integrar contribuciones genómicas y
ambientales para el desarrollo de enfermedades. Por ejemplo, los niveles
diferenciales de metilación del DNA se correlacionan con la variación de la
secuencia subyacente en loci específicos del genoma, lo que modula el
riesgo genético de artritis reumatoide.
DrBurgos
102
Desequilibrio alélico en la expresión
génica
Antes se suponía que los genes presentes en dos copias en el genoma se
expresarían en niveles comparables a partir de los dos homólogos. Sin
embargo, cada vez es más evidente que puede haber un amplio desequilibrio
entre alelos, lo que refleja tanto la cantidad de variación de la secuencia en el
genoma como la interacción entre la secuencia del genoma y los patrones
epigenéticos que se acaban de exponer.
En el capítulo 2, se comentó el hallazgo general de que cualquier genoma
individual presenta dos alelos diferentes en un mínimo de 3-5 millones de
posiciones en todo el genoma, lo que permite distinguir por la secuencia las
copias heredadas por vía materna y paterna de esa posición de la secuencia
(v. fig. 2-6). En este apartado, se analizan las formas en las que esas
diferencias de secuencia revelan un desequilibrio alélico en la expresión
génica, tanto en loci autosómicos como en loci del cromosoma X en las
mujeres.
La determinación de las secuencias de todos los productos de RNA (el
transcriptoma) en una población de células permite cuantificar el nivel
relativo de transcripción de todos los genes (tanto codificantes como no
codificantes de proteínas) que presentan una transcripción activa en esas
células. Pongamos como ejemplo el conjunto de genes codificantes de
proteínas. Aunque una célula promedio podría contener unas 300.000 copias
de mRNA en total, la abundancia de mRNA específicos puede diferir en
muchos órdenes de magnitud; entre los genes que están activos, la mayoría se
expresan en niveles bajos (con una estimación de <10 copias de mRNA de ese
gen por célula), mientras que otros se expresan en niveles mucho mayores (de
varios cientos a unos pocos miles de copias de ese mRNA por célula). Sólo en
tipos celulares muy especializados se expresan ciertos genes en niveles muy
altos (muchas decenas de miles de ejemplares) que constituyen una
proporción significativa de todo el mRNA en estas células.
Ahora consideraremos un gen expresado con una variante de secuencia
que nos permite distinguir entre los productos de RNA (mRNA o ncRNA)
transcritos a partir de cada uno de dos alelos, un alelo con una T que se
transcribe para producir RNA con una A y el otro alelo con una C que se
transcribe para producir RNA con una G (fig. 3-11). Mediante la
secuenciación de moléculas de RNA individuales y comparando el número
de secuencias generadas que contengan una A o una G en esa posición, se
puede inferir la proporción de transcritos de los dos alelos en esa muestra.
Aunque la mayoría de los genes muestran niveles esencialmente equivalentes
de expresión bialélica, en análisis recientes de este tipo se ha demostrado una
expresión alélica desigual generalizada en el 5-20% de los genes autosómicos
del genoma (tabla 3-2). Para la mayoría de estos genes, el grado de
DrBurgos
103
desequilibrio es el doble o menos, aunque se han observado diferencias de
hasta diez veces para algunos genes. Este desequilibrio alélico puede reflejar
las interacciones entre la secuencia del genoma y la regulación génica; por
ejemplo, cambios de la secuencia pueden alterar la unión relativa de varios
factores de transcripción o de otros reguladores transcripcionales a los dos
alelos o el grado de metilación del DNA observado en los dos alelos (v. tabla
3-2).
FIGURA 3-11 Patrones de expresión alélica para una secuencia génica con
una variante de DNA transcrita (en este caso, una C o una T) para distinguir
los alelos.
Como se describe en el texto, la abundancia relativa de transcritos de RNA de los
dos alelos (en este caso, con G o A) demuestra si el gen presenta expresión
equilibrada (arriba), desequilibrio alélico (centro) o exclusivamente expresión
monoalélica (abajo). Los distintos mecanismos subyacentes de desequilibrio
alélico se comparan en la tabla 3-2. SNP, polimorfismo de un único nucleótido.
Tabla 3-2
Desequilibrio alélico en la expresión génica
DrBurgos
104
Expresión génica monoalélica
Sin embargo, algunos genes muestran una forma mucho más completa de
desequilibrio alélico, lo que da lugar a la expresión génica monoalélica (v. fig.
3-11). Se ha demostrado la existencia de varios mecanismos diferentes
responsables del desequilibrio alélico de este tipo para subconjuntos
particulares de genes del genoma: la reordenación del DNA, la expresión
monoalélica aleatoria, la impronta del progenitor de origen y, para los genes
del cromosoma X en las mujeres, la inactivación del cromosoma X. Sus
características distintivas se resumen en la tabla 3-2.
Reordenación somática
Una forma altamente especializada de expresión génica monoalélica se
observa en los genes que codifican inmunoglobulinas y receptores de
linfocitos T, que se expresan en linfocitos B y linfocitos T, respectivamente,
DrBurgos
105
como parte de la respuesta inmunitaria. Los anticuerpos están codificados en
la línea germinal por un número relativamente pequeño de genes que,
durante el desarrollo del linfocito B, sufren un proceso único de reordenación
somática que implica el corte y pegado de secuencias de DNA en las células
precursoras de linfocitos (pero no en cualquier otra estirpe celular) para
reordenar los genes en células somáticas con el fin de generar la enorme
diversidad de anticuerpos. Las reordenaciones de DNA altamente
orquestadas se producen a lo largo de muchos cientos de kilobases, pero
implican sólo a uno de los dos alelos, que se elige al azar en cualquier
linfocito B determinado (v. tabla 3-2). Por tanto, la expresión de los mRNA
maduros para las subunidades de la cadena pesada o ligera de
inmunoglobulina es exclusivamente monoalélica.
Este mecanismo de reordenación somática y la expresión génica
monoalélica aleatoria también se observan en los genes del receptor del
linfocito T en la estirpe de linfocitos T. Sin embargo, este tipo de
comportamiento es exclusivo de estas familias génicas y estirpes celulares; el
resto del genoma sigue siendo muy estable durante todo el desarrollo y la
diferenciación.
Expresión monoalélica aleatoria
A diferencia de esta forma altamente especializada de reordenación del DNA,
la expresión monoalélica suele deberse a la regulación epigenética diferencial
de los dos alelos. Un ejemplo bien estudiado de expresión monoalélica
aleatoria es el de la familia de genes del OR descrita anteriormente (v. fig. 32). En este caso, sólo un único alelo de un gen del OR se expresa en cada
neurona sensorial olfatoria; los muchos cientos de copias adicionales de la
familia del OR permanecen reprimidos en esa célula. Otros genes con
funciones quimiosensoriales o del sistema inmunitario también muestran
expresión monoalélica aleatoria, lo que sugiere que este puede ser un
mecanismo general para aumentar la diversidad de respuestas para las
células que interactúan con el mundo exterior. Sin embargo, este mecanismo
aparentemente no está restringido a los sistemas inmunológico y sensoriales,
porque se ha demostrado que un subgrupo sustancial de todos los genes
humanos (5-10% en diferentes tipos celulares) presenta un silenciamiento
alélico aleatorio; estos genes están ampliamente distribuidos en todos los
autosomas, tienen una amplia gama de funciones y varían en cuanto a los
tipos celulares y tejidos donde se observa la expresión monoalélica.
Impronta del progenitor de origen
Para los ejemplos que acaban de describirse, la elección del alelo que se
expresa no depende del origen parental; tanto la copia materna como la
paterna pueden expresarse en diferentes células y sus descendientes clonales.
Esto diferencia las formas aleatorias de expresión monoalélica de la impronta
genómica, en la que la elección del alelo que se expresa es no aleatoria y está
determinada únicamente por su origen parental. La impronta es un proceso
DrBurgos
106
normal que implica la introducción de marcas epigenéticas (v. fig. 3-8) en la
línea germinal de uno de los progenitores, pero no el otro, en localizaciones
específicas en el genoma. Esto da lugar a la expresión monoalélica de un gen
o, en algunos casos, de múltiples genes de la región con impronta.
La impronta tiene lugar durante la gametogénesis, antes de la fecundación,
y marca ciertos genes como procedentes de la madre o el padre (fig. 3-12).
Después de la concepción, la impronta del progenitor de origen se mantiene
en algunos o todos los tejidos somáticos del embrión y silencia la expresión
génica de alelo(s) situado(s) en la región con impronta; mientras que algunos
genes con impronta muestran una expresión monoalélica en todo el embrión,
otros presentan una impronta específica de tejido, sobre todo en la placenta,
con expresión bialélica en otros tejidos. El estado de impronta persiste
después del nacimiento hasta la edad adulta a través de cientos de divisiones
celulares, de modo que sólo se expresa la copia materna o paterna del gen.
Sin embargo, la impronta debe ser reversible: un alelo de origen paterno,
cuando se hereda por una mujer, se debe convertir en su línea germinal para
que luego pueda transmitirse con una impronta materna a su descendencia.
Asimismo, cuando un varón hereda un alelo materno con impronta, éste debe
convertirse en su línea germinal para que pueda transmitirlo como un alelo
con impronta paterna a su descendencia (v. fig. 3-12). El control sobre este
proceso de conversión parece regirse por elementos específicos de DNA
denominados regiones de control de impronta o centros de impronta
situados en las regiones con impronta en todo el genoma; aunque su
mecanismo de acción preciso no se conoce, muchos parecen consistir en
ncRNA que inician el cambio epigenético en la cromatina, que después se
propaga hacia el exterior a lo largo del cromosoma sobre la región con
impronta. Curiosamente, aunque la región con impronta puede abarcar más
de un único gen, esta forma de expresión monoalélica se limita a un segmento
genómico delimitado, generalmente de unos pocos cientos de kilobases a una
pocas megabases de tamaño global; esto distingue la impronta genómica
tanto de la forma más general de expresión monoalélica aleatoria descrita
anteriormente (que parece implicar genes individuales sometidos a control
específico de locus) como de la inactivación del cromosoma X, que se describe
en la siguiente sección (que implica a genes a lo largo de todo el cromosoma).
DrBurgos
107
FIGURA 3-12 Impronta genómica y conversión de las improntas materna y
paterna durante el paso a través de la gametogénesis masculina o femenina.
En una hipotética región con impronta de un par de autosomas homólogos, los
genes con impronta paterna se indican en azul, mientras que un gen con impronta
materna se indica en rojo. Después de la fecundación, los embriones tanto
masculinos como femeninos cuentan con una copia del cromosoma que tiene una
impronta paterna y una copia con impronta materna. Durante la ovogénesis
(arriba) y la espermatogénesis (abajo), las improntas se borran al eliminar las
marcas epigenéticas y se establecen nuevas improntas determinadas en función
del sexo del progenitor en la región con impronta. Por tanto, los gametos portan
una impronta monoalélica apropiada en función del progenitor de origen, mientras
que las células somáticas de ambos sexos portan un cromosoma de cada tipo con
impronta.
Hasta el momento, se han identificado alrededor de 100 genes con
impronta en muchos autosomas diferentes. La implicación de estos genes en
diversos trastornos cromosómicos se describe con más detalle en el capítulo 6.
Para las enfermedades debidas a un solo gen con impronta, como el
síndrome de Prader-Willi (Caso 38) y el síndrome de Beckwith-Wiedemann
(Caso 6), el efecto de la impronta genómica en los patrones de herencia en los
árboles genealógicos se describe en el capítulo 7.
Inactivación del cromosoma X
La base cromosómica para la determinación del sexo, que ya se comentó en el
capítulo 2 y se describe con más detalle en el capítulo 6, da lugar a una
DrBurgos
108
diferencia de dosis entre varones y mujeres típicos con respecto a los genes
del cromosoma X. A continuación, se describen los mecanismos
cromosómicos y moleculares de inactivación del cromosoma X, que es el
ejemplo más amplio de expresión monoalélica aleatoria en el genoma y un
mecanismo de compensación de dosis que produce el silenciamiento
epigenético de la mayoría de los genes en uno de los dos cromosomas X en
las mujeres.
En las células femeninas normales, la elección del cromosoma X que se va a
inactivar es aleatoria y se mantiene a continuación en cada estirpe clonal. Por
lo tanto, las mujeres son un mosaico con respecto a la expresión génica ligada
al cromosoma X; algunas células expresan alelos del X heredado del padre,
pero no del X heredado de la madre, mientras que otras células hacen lo
contrario (fig. 3-13). Este patrón en mosaico de la expresión génica distingue
la mayoría de los genes ligados al cromosoma X de los genes con impronta,
cuya expresión, como se acaba de ver, se determina estrictamente por su
origen parental.
FIGURA 3-13
Inactivación aleatoria del cromosoma X en una etapa precoz
del desarrollo femenino.
Poco después de la concepción de un embrión femenino, los cromosomas X
heredados tanto por vía paterna como materna (pat y mat, respectivamente) están
activos. En las primeras semanas de la embriogénesis, uno de los dos X se
escoge de forma aleatoria para convertirse en el futuro X inactivo, mediante una
serie de eventos que implican al centro de inactivación del cromosoma X
(recuadro negro). Ese X se convierte en el X inactivo (Xi, indicado en sombreado)
en esa célula, y su progenie forma el corpúsculo de Barr en los núcleos en
interfase. Por tanto, el embrión femenino resultante es un mosaico clonal de dos
tipos celulares determinados epigenéticamente: uno expresa alelos del X materno
(células rosas), mientras que el otro expresa alelos del X paterno (células azules).
La proporción de los dos tipos celulares se determina al azar, pero varía entre las
mujeres sanas y entre las que son portadoras de alelos patológicos ligados al X
(v. caps. 6 y 7).
Aunque el cromosoma X inactivo se identificó inicialmente por métodos
citológicos debido a la presencia de una masa de heterocromatina
DrBurgos
109
(denominada corpúsculo de Barr) en células en interfase, muchas
características epigenéticas distinguen los cromosomas X activos e inactivos,
como la metilación del DNA, modificaciones de las histonas y una variante
de histona específica, macroH2A, que es especialmente abundante en la
cromatina del X inactivo. Además de proporcionar conocimientos sobre los
mecanismos de inactivación del X, estas características pueden tener utilidad
diagnóstica para identificar los cromosomas X inactivos en muestras clínicas,
como se verá en el capítulo 6.
Aunque la inactivación del X es claramente un fenómeno cromosómico, no
todos los genes del cromosoma X muestran expresión monoalélica en las
células femeninas. Un análisis amplio de la expresión de casi todos los genes
ligados al X ha demostrado que al menos el 15% de los genes muestran
expresión bialélica y se expresan a partir de los dos cromosomas X, tanto
activo como inactivo, al menos en cierta medida; una proporción de éstos
muestran niveles significativamente mayores de producción de mRNA en las
células femeninas en comparación con las células masculinas y son
candidatos interesantes a los que atribuir un papel que explique los rasgos
con dimorfismo sexual.
Un subconjunto especial de genes se localiza en los segmentos
pseudoautosómicos, que son esencialmente idénticos en los cromosomas X e
Y, y en los que se produce recombinación durante la espermatogénesis (v.
cap. 2). Estos genes tienen dos copias tanto en las mujeres (dos copias ligadas
al X) como en varones (una ligada al X y otra ligada al Y), por lo que no
experimentan inactivación de X; como era de esperar, estos genes presentan
una expresión bialélica equilibrada, como sucede en la mayoría de los genes
autosómicos.
Centro de inactivación del cromosoma X y gen XIST
La inactivación del cromosoma X se produce muy pronto en el desarrollo
embrionario femenino, y la determinación de qué X se designará como X
inactivo en cualquier célula determinada en el embrión es una elección
aleatoria sometida al control de un locus complejo denominado centro de
inactivación del cromosoma X. Esta región contiene un gen ncRNA inusual,
XIST, que parece ser un locus regulador maestro clave para la inactivación X.
El gen XIST (acrónimo de inactive X [Xi]–specific transcript, o transcrito
específico del X inactivo) tiene la característica novedosa de expresarse sólo a
partir del alelo X inactivo; es silente desde el punto de vista transcripcional en
el X activo tanto en las células masculinas como femeninas. Aunque el modo
de acción exacto del gen XIST se desconoce, la inactivación del X no puede
ocurrir en su ausencia. El producto del gen XIST es un ncRNA largo que se
mantiene en el núcleo en estrecha asociación con el cromosoma X inactivo.
Otros aspectos y consecuencias de la inactivación del cromosoma X se
comentarán en el capítulo 6, en el contexto de los individuos con anomalías
estructurales del cromosoma X o con un número anormal de cromosomas X,
y en el capítulo 7, en el caso de las mujeres portadoras de alelos mutantes
DrBurgos
110
patológicos, causantes de enfermedades ligadas al X.
DrBurgos
111
Variación de la expresión génica y su
importancia en medicina
La expresión regulada de los genes codificados en el genoma humano implica
una serie de complejas interrelaciones entre diferentes niveles de control,
incluida la dosis génica apropiada (controlada por mecanismos de replicación
cromosómica y segregación), la estructura de los genes, el empaquetamiento
de la cromatina y la regulación epigenética, la transcripción, el corte y
empalme del RNA y, para los loci codificantes de proteínas, la estabilidad del
mRNA, la traducción, el procesamiento de proteínas y la degradación
proteica. Con respecto a algunos genes, las fluctuaciones en el nivel de
producto génico funcional, debidas a variaciones heredadas de la estructura
del gen o a cambios inducidos por factores no genéticos, como la dieta o el
ambiente, son de una importancia relativa escasa. En lo que se refiere a otros
genes, los cambios incluso relativamente menores en el nivel de expresión
pueden tener consecuencias clínicas muy importantes, lo que refleja la
importancia de estos productos génicos en determinadas vías metabólicas. La
naturaleza de la variación heredada de la estructura y la función de los
cromosomas, los genes y el genoma, combinada con la influencia de esta
variación en la expresión de rasgos específicos, es la verdadera esencia de la
genética médica y molecular, y será abordada en capítulos posteriores.
DrBurgos
112
Bibliografía general
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DrBurgos
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mammalian genomes. Nat Rev Genet. 2012;12:7–18.
P r oble m a s
1. La secuencia de aminoácidos siguiente representa parte de una proteína. Se
muestran la secuencia normal y cuatro formas mutantes. Según la
información de la tabla 3-1, determine la secuencia de la doble cadena de la
sección correspondiente del gen normal. ¿Qué cadena es la que «lee» la
polimerasa del RNA?, ¿cuál sería la secuencia del mRNA resultante?, ¿qué
tipo de mutación representa más probablemente cada proteína mutante?
Normal -lys-arg-his-his-tyr-leuMutante 1 -lys-arg-his-his-cys-leuMutante 2 -lys-arg-ile-ile-ileMutante 3 -lys-glu-thr-ser-leu-serMutante 4 -asn-tyr-leu2. Los siguientes conceptos están relacionados entre sí de forma jerárquica.
¿Cuál es la relación entre ellos?: cromosoma, par de bases, nucleosoma,
kilobases, intrón, gen, exón, cromatina, codón, nucleótido, promotor.
3. Describa la manera con la que se puede esperar que la mutación en cada
uno de los elementos siguientes podría alterar el funcionamiento de un gen
normal, o interferir en dicho funcionamiento, dando lugar así a una
enfermedad humana: promotor, codón iniciador, zonas de corte y empalme
en las uniones intrón-exón, una deleción en un par de bases en la secuencia
codificante, codón de terminación.
DrBurgos
114
4. La mayor parte del genoma humano está constituido por secuencias que no
se transcriben y que no codifican directamente productos genéticos. Para
cada uno de los elementos del genoma siguientes, considere los
mecanismos a través de los cuales dichos elementos podrían contribuir a la
aparición de enfermedades humanas: intrones, secuencias repetitivas Alu o
LINE, regiones de control de locus, pseudogenes.
5. Compare los mecanismos y las consecuencias del corte y empalme del
RNA y de la reordenación somática.
6. Describa las distintas formas en las que las mutaciones o la variación de los
siguientes elementos pueden provocar enfermedades en el ser humano:
modificaciones epigenéticas, metilación del DNA, genes de miRNA, genes
de lncRNA.
7. Compare los mecanismos y las consecuencias de la impronta genómica y
de la inactivación del cromosoma X.
DrBurgos
115
CAPÍTULO 4
DrBurgos
116
Diversidad genética humana:
mutación y polimorfismo
El estudio de la variación genética y genómica es la piedra angular
conceptual de la genética en medicina y en el campo más amplio de la
genética humana. Durante el transcurso de la evolución, la afluencia
constante de nuevas variaciones de nucleótidos ha garantizado un alto grado
de diversidad e individualidad genéticas, y este tema se extiende a través de
todos los campos de la genética humana y médica. La diversidad genética
puede manifestarse como diferencias en la organización del genoma, cambios
de nucleótidos en la secuencia del genoma, variación del número de copias
de grandes segmentos de DNA genómico, alteraciones de la estructura o la
cantidad de proteínas que se encuentran en diversos tejidos, o como
cualquiera de estas modificaciones en el contexto de enfermedades clínicas.
Este capítulo es uno de los dedicados a examinar la naturaleza de las
diferencias determinadas genéticamente entre los individuos. La secuencia
del DNA nuclear de dos seres humanos no emparentados es idéntica en
alrededor del 99,5-99,9%. Sin embargo, es precisamente esa pequeña fracción
de diferencia de secuencia del DNA la responsable de la variabilidad
determinada genéticamente que es evidente tanto en la existencia diaria de
cada persona como en la medicina clínica. Muchas diferencias en la secuencia
del DNA tienen poco o ningún efecto sobre el aspecto externo, mientras que
otras son responsables directas de enfermedades. Entre esos dos extremos, se
sitúan las diferencias responsables de la variabilidad determinada
genéticamente en la anatomía, la fisiología, las intolerancias alimentarias, la
susceptibilidad a la infección, la predisposición al cáncer, las respuestas
terapéuticas y las reacciones adversas a los medicamentos y, quizá, incluso la
variabilidad en diversos rasgos de la personalidad, la aptitud deportiva y el
talento artístico.
Uno de los conceptos importantes de la genética humana y médica, y de
sus aspectos clínicos, es que las enfermedades con un componente claramente
hereditario son sólo una de las manifestaciones más evidentes y, a menudo,
más notables de las diferencias genéticas, el extremo de un continuum de
variaciones que abarca desde variantes patológicas raras que causan
enfermedades y variantes más comunes que pueden aumentar la
predisposición a éstas, hasta las variaciones más frecuentes en la población,
con una relevancia incierta respecto a las enfermedades.
DrBurgos
117
La naturaleza de la variación genética
Tal como se ha descrito en el capítulo 2, un segmento de DNA que ocupa una
posición o localización particulares en un cromosoma es un locus (plural
loci). Un locus puede ser grande, como un segmento de DNA que contiene
muchos genes (p. ej., el locus del complejo principal de histocompatibilidad
implicado en la respuesta del sistema inmunitario a sustancias extrañas);
puede ser un único gen, como el locus de la β-globina que se describió en el
capítulo 3; o puede ser incluso una única base en el genoma, como una
variante de un único nucleótido (v. fig. 2-6 y más adelante en este capítulo).
Las versiones alternativas de la secuencia de DNA en un locus se denominan
alelos. En lo que se refiere a muchos genes, hay un único alelo predominante
que suele estar presente en más de la mitad de los individuos de una
población y que los especialistas en genética denominan alelo natural o
común. (En el lenguaje habitual, suele denominarse alelo «normal». Sin
embargo, debido a que la variación genética es en sí misma muy «normal», la
existencia de diferentes alelos en personas «normales» es muy común. Por
tanto, debería evitarse el término «normal» para designar al alelo más
frecuente). Las otras versiones del gen son alelos variantes (o mutantes) que
se diferencian del alelo natural debido a la presencia de una mutación, es
decir, un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos o en la
disposición del DNA. Obsérvese que los términos mutación y mutante se
refieren al DNA y no a los seres humanos portadores de alelos mutantes. Los
términos indican un cambio en la secuencia, pero no conllevan por lo demás
ninguna connotación respecto a la función o la idoneidad de dicho cambio.
La frecuencia de las diferentes variantes puede oscilar ampliamente en
diferentes poblaciones de todo el mundo, como se analizará en profundidad
en el capítulo 9. Si hay dos o más alelos relativamente frecuentes (definidos
por convención como aquellos con una frecuencia alélica > 1%) en un locus en
una población, se dice que el locus presenta polimorfismo (literalmente
«muchas formas») en esa población. La mayoría de los alelos variantes, sin
embargo, no son lo bastante frecuentes en una población para considerarlos
polimorfismos; algunos son tan raros como los que se encuentran en una sola
familia, y se denominan alelos «privados».
Concepto de mutación
En este capítulo, se empieza por analizar la naturaleza de la mutación, que
oscila desde el cambio de un solo nucleótido a alteraciones de un cromosoma
entero. Reconocer un cambio significa que tiene que haber un patrón de
referencia, comparado con el cual la variante muestra una diferencia. Como
vimos en el capítulo 2, no existe una sola persona cuya secuencia del genoma
pueda servir como un estándar de este tipo para la especie humana, por lo
que la secuencia o combinación más frecuente en una población en cualquier
DrBurgos
118
posición del genoma se designa arbitrariamente secuencia de referencia (v. fig.
2-6). A medida que se muestrean cada vez más genomas de individuos en
todo el mundo (y, por tanto, según se detecta cada vez mayor variación entre
los siete mil millones de genomas que componen actualmente nuestra
especie), este genoma de referencia está sometido a una evaluación y cambio
constantes. De hecho, varias colaboraciones internacionales comparten y
actualizan los datos sobre la naturaleza y frecuencia de la variación del DNA
en diferentes poblaciones en el contexto de la secuencia de referencia del
genoma humano y hacen que los datos estén disponibles a través de bases de
datos de acceso público que sirven como recursos esenciales para científicos,
médicos y otros profesionales sanitarios (tabla 4-1).
Tabla 4-1
Bases de datos útiles de información sobre la diversidad genética
humana
Descripción
URL
El Proyecto Genoma humano, completado en 2003, fue una colaboración internacional http://www.genome.gov/10001772
para secuenciar y establecer el mapa del genoma de nuestra especie. El borrador de la http://genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgGateway
secuencia del genoma se publicó en 2001, y el conjunto del genoma de referencia «casi http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/Index
completo» se publicó en 2004.
La Base de datos de polimorfismos de un único nucleótido (dbSNP) y la Base de datos
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/
de variaciones estructurales (dbVar) son bases de datos de variaciones a pequeña escala
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbvar/
y a gran escala que incluyen variantes de un único nucleótido, microsatélites, indels y
CNV.
El proyecto 1.000 Genomas está secuenciando los genomas de un gran número de
www.1000genomes.org
individuos para proporcionar un recurso exhaustivo sobre la variación genética en
nuestra especie. Todos los datos están disponibles públicamente.
La Base de datos de mutaciones de genes humanos es una recopilación exhaustiva de
www.hgmd.org
mutaciones de la línea germinal asociadas o causantes de enfermedades hereditarias
humanas (en la actualidad, incluye más de 120.000 mutaciones en 4.400 genes).
La Base de datos de variantes genómicas es un catálogo revisado de la variación
http://dgv.tcag.ca
estructural del genoma humano. A fecha de 2012, la base de datos contenía más de
400.000 entradas, con más de 200.000 CNV, 1.000 inversiones y 34.000 indels.
La Base de datos japonesa de polimorfismos de un único nucleótido (JSNP Database)
http://snp.ims.u-tokyo.ac.jp/
publica los SNP descubiertos como parte del Proyecto Genoma del milenio.
CNV, variante del número de copias; SNP, polimorfismo de un único nucleótido.
Actualizada de Willard HF: The human genome: a window on human genetics, biology and medicine. En
Ginsburg GS, Willard HF, editores: Genomic and personalized medicine, 2.ª ed., Nueva York, 2013,
Elsevier.
Las mutaciones se clasifican a veces por el tamaño de la secuencia de DNA
alterado y, en otras ocasiones, por el efecto funcional de la mutación sobre la
expresión génica. Aunque la clasificación por tamaño es algo arbitraria,
puede ser útil conceptualmente distinguir entre las mutaciones a tres niveles
diferentes:
• Mutaciones que dejan los cromosomas intactos, pero cambian el número de
cromosomas en una célula (mutaciones cromosómicas).
• Mutaciones que modifican sólo una parte de un cromosoma y que podrían
implicar un cambio en el número de copias de un segmento
subcromosómico o una reorganización estructural que implica partes de
uno o más cromosomas (mutaciones regionales o subcromosómicas).
• Alteraciones de la secuencia de DNA, que implican la sustitución, deleción
o inserción de DNA y que oscilan desde un solo nucleótido hasta un límite
DrBurgos
119
fijado arbitrariamente de alrededor de 100 kb (mutaciones de genes o del
DNA).
El fundamento y las consecuencias de este tercer tipo de mutación son el
tema central de este capítulo, mientras que tanto las mutaciones
cromosómicas como regionales se describirán en detalle en los capítulos 5 y 6.
Las consecuencias funcionales de las mutaciones del DNA, incluso las que
cambian un único par de bases, pueden oscilar de ser completamente inocuas
a causar una enfermedad grave, dependiendo de la ubicación precisa, la
naturaleza y las dimensiones de la mutación. Por ejemplo, incluso una
mutación dentro de un exón codificante de un gen puede no tener ningún
efecto sobre la expresión de un gen si el cambio no modifica la secuencia
primaria de aminoácidos del producto polipeptídico; e incluso si lo hace, el
cambio resultante de la secuencia de aminoácidos codificada puede no alterar
las propiedades funcionales de la proteína. Por tanto, no todas las mutaciones
son evidentes en un individuo.
Concepto del polimorfismo genético
La secuencia de DNA de una región determinada del genoma es muy similar
en los cromosomas de muchos individuos de todo el mundo. De hecho,
cualquier segmento de DNA humano de unos 1.000 pb elegido al azar
contiene, de media, solo un par de bases diferentes entre dos cromosomas
homólogos heredados de los progenitores (suponiendo que los progenitores
no estén emparentados). Sin embargo, en todas las poblaciones humanas, se
han identificado y catalogado decenas de millones de diferencias de un único
nucleótido y más de un millón de variantes más complejas. Debido a que el
muestreo es limitado, es probable que estas cifras sean una subestimación de
la auténtica magnitud de la diversidad genética en nuestra especie. Todavía
quedan muchas poblaciones de todo el mundo por estudiar, e incluso en las
que se han estudiado, el número de individuos evaluados es demasiado
pequeño para revelar la mayoría de las variantes que tienen frecuencias
alélicas menores del 1-2%. Por tanto, a medida que se incluyan más personas
en los proyectos para descubrir variantes, seguramente se revelarán variantes
adicionales (y más raras).
El hecho de que una variante se considere un polimorfismo o no depende
por completo de si su frecuencia en una población supera el 1% de los alelos
en dicha población y no del tipo de mutación que la ha provocado, de la
longitud del segmento de genoma implicado o de si tiene un efecto
demostrable en el individuo. La localización de una variante respecto a un
gen tampoco determina si la variante es un polimorfismo. Aunque la mayoría
de polimorfismos de secuencia se localizan entre genes o en intrones y
carecen de consecuencias para el funcionamiento de cualquier gen, otros
pueden situarse en la secuencia codificante de los propios genes y causar
distintas variantes proteicas que, a su vez, pueden dar lugar a diferencias
evidentes en las poblaciones humanas. Otras están en regiones reguladoras y
DrBurgos
120
también pueden tener efectos importantes en la transcripción o en la
estabilidad del RNA.
Se podría pensar que las mutaciones deletéreas que provocan
enfermedades monogénicas raras probablemente sean demasiado escasas
para alcanzar la frecuencia necesaria para considerarlas polimorfismos.
Aunque es cierto que los alelos responsables de la mayoría de las
enfermedades claramente hereditarias son infrecuentes, algunos alelos que
tienen un gran impacto sobre la salud, como los alelos de genes codificantes
de enzimas que metabolizan fármacos (p. ej., la sensibilidad al abacavir en
algunas personas infectadas con el virus de la inmunodeficiencia humana
[VIH] [Caso 1] o la mutación de la drepanocitosis en poblaciones africanas y
afroamericanas (v. cap. 11) [Caso 42]), son relativamente frecuentes. Sin
embargo, estas son excepciones y, a medida que se descubren y catalogan
más y más variaciones genéticas, está claro que la inmensa mayoría de
variantes del genoma, tanto frecuentes como raras, reflejan diferencias de
secuencia del DNA carentes de relevancia conocida para la salud.
Los polimorfismos son un elemento clave para el estudio de la genética
humana y médica. La capacidad de distinguir las diferentes formas
heredadas de un gen o los distintos segmentos del genoma proporciona
instrumentos decisivos para una amplia gama de aplicaciones, tanto en la
investigación como en la práctica clínica (v. cuadro).
P olim or f ism os y va r ia ción he r e da da e n ge né tica
hum a na y m é dica
Las variantes alélicas se pueden usar como «marcadores» para el
seguimiento de la herencia del segmento correspondiente del genoma en las
familias y en las poblaciones. Estas variantes se pueden utilizar del siguiente
modo:
• Como herramientas de investigación potentes para ubicar un gen en una
región particular de un cromosoma mediante análisis de ligamiento o
asociación alélica (v. cap. 10).
• Para el diagnóstico prenatal de enfermedades genéticas y para la detección
de portadores de alelos deletéreos (v. cap. 17), así como en los bancos de
sangre y la tipificación de tejidos para transfusiones y trasplantes de
órganos.
• En las aplicaciones forenses, como pruebas de identificación para
determinar la paternidad, la identificación de los restos de víctimas de
delitos o la verificación de la concordancia entre el DNA de un sospechoso
y el del agresor (v. este capítulo).
• En los esfuerzos continuos por proporcionar una medicina personalizada
basada en la genómica (v. cap. 18), en la que se individualiza la asistencia
médica de un individuo en función de si es portador de variantes que
aumentan o disminuyen el riesgo de trastornos en la edad adulta (como
cardiopatía isquémica, cáncer y diabetes; v. cap. 8) o que influyen en la
DrBurgos
121
eficacia o la seguridad de determinados fármacos.
DrBurgos
122
Variación heredada y polimorfismo en el
DNA
La enorme cantidad de información de secuencias de DNA provenientes de
muchos miles de individuos de todo el mundo, obtenida por el Proyecto
Genoma Humano original y el estudio posterior, ha proporcionado la
información necesaria para empezar a caracterizar los tipos y frecuencias de
la variación polimórfica presente en el genoma humano y para generar
catálogos de la diversidad de la secuencia del DNA humano a escala
mundial. Los polimorfismos del DNA pueden clasificarse de acuerdo con la
variación de la secuencia del DNA entre diferentes alelos (tabla 4-2 y figs. 4-1
y 4-2).
Tabla 4-2
Variación frecuente en el genoma humano
kb, kilobases; Mb, megabases; pb, par de bases.
FIGURA 4-1 Tres polimorfismos en el DNA genómico del segmento del genoma
humano de referencia mostrado en la parte superior (v. también fig. 2-6). El
DrBurgos
123
polimorfismo de un único nucleótido (SNP) en la posición 8 tiene dos alelos, uno
con una T (correspondiente a la secuencia de referencia) y otro con una C. Hay
dos indels en esta región. En el indel A, el alelo 2 tiene una inserción de una G
entre las posiciones 11 y 12 en la secuencia de referencia (alelo 1). En el indel B,
el alelo 2 tiene una deleción de 2 pb de las posiciones 5 y 6 en la secuencia de
referencia.
FIGURA 4-2
Ejemplos de polimorfismo en el genoma humano mayores que
los SNP.
En el sentido de las agujas del reloj desde la parte superior derecha: el locus de
microsatélite tiene tres alelos, con 4, 5 o 6 copias de una repetición del
trinucleótido CAA. El polimorfismo de inversión tiene tres alelos correspondientes
a las dos orientaciones (indicadas por las flechas) del segmento genómico
mostrado en verde; estas inversiones pueden implicar a regiones de hasta
muchas megabases de DNA. Las variantes del número de copias implican la
deleción o duplicación de entre cientos de kilobases y una megabase de DNA
genómico. En el ejemplo mostrado, el alelo 1 contiene una única copia, mientras
que el alelo 2 contiene tres copias del segmento cromosómico que incluye los
genes F y G; otros posibles alelos con 0, 2, 4 o más copias de F y G no se
muestran. El polimorfismo de inserción de elemento móvil tiene dos alelos, uno
con inserción de un retroelemento repetido LINE de unas 6 kb y otro sin ella; la
inserción del elemento móvil modifica la distancia entre los dos genes y puede
alterar la expresión génica en la región.
Polimorfismos de un único nucleótido (SNP)
Los polimorfismos más sencillos y más frecuentes de todos son los
polimorfismos de un único nucleótido (SNP; del inglés single nucleotide
polymorphisms). Un locus caracterizado por un SNP suele tener sólo dos alelos
que corresponden a las dos bases distintas que ocupan un determinado sitio
en el genoma (v. fig. 4-1). Como se ha mencionado previamente, los SNP son
comunes y ocurren, de media, una vez cada 1.000 pb en el genoma. Sin
embargo, la distribución de los SNP es desigual en todo el genoma; se
observan muchos más SNP en las partes no codificantes del genoma, en
intrones y en secuencias que están a una cierta distancia de genes conocidos.
No obstante, también hay un número significativo de SNP que se localizan en
DrBurgos
124
genes y otros elementos funcionales conocidos del genoma. Para el conjunto
de genes codificantes de proteínas, hasta la fecha se han documentado más de
100.000 SNP localizados en exones. Alrededor de la mitad de ellos no
modifican la secuencia de aminoácidos prevista de la proteína codificada, por
lo que se denominan sinónimos, mientras que la otra mitad sí altera la
secuencia de aminoácidos y se denominan no sinónimos. Otros SNP
introducen o cambian un codón de terminación (v. tabla 3-1), mientras que
otros modifican un sitio de corte y empalme conocido; estos SNP son
candidatos a padecer consecuencias funcionales significativas.
El significado para la salud de la gran mayoría de los SNP se desconoce y
es objeto de continuas investigaciones. El hecho de que los SNP sean
frecuentes no implica que sean neutrales o que no ejerzan ningún efecto sobre
la salud o la longevidad. Al parecer, el efecto de los SNP frecuentes es una
modificación relativamente sutil de la susceptibilidad a la enfermedad, más
que la causa directa de una enfermedad grave.
Polimorfismos de inserción-deleción
Una segunda clase de polimorfismos son variaciones producidas por la
inserción o la deleción (in/dels, o simplemente indels) de entre 1 y hasta
alrededor de 1.000 pb, aunque se han descrito también indels mayores. Se han
descrito más de un millón de indels, y su número en el genoma de cualquier
individuo es del orden de centenares de miles. Alrededor de la mitad se
denominan «simples», porque sólo tienen dos alelos, es decir, la presencia o
ausencia del segmento insertado o delecionado (v. fig. 4-1).
Polimorfismos de microsatélites
Sin embargo, otros indels son multialélicos, debido a la inserción en tándem
de un número variable de segmentos de DNA en una localización particular,
lo que constituye lo que se denomina microsatélite. Consisten en segmentos
de DNA compuestos por unidades de 2, 3 o 4 nucleótidos, como TGTGTG,
CAACAACAA, o AAATAAATAAAT, que se repiten entre una y varias
docenas de veces en una localización particular del genoma (v. fig. 4-2). Los
distintos alelos en un polimorfismo de microsatélite se deben a los diferentes
números de unidades de nucleótidos repetidas que están presentes en
cualquier microsatélite, por lo que en ocasiones se denominan polimorfismos
cortos de repetición en tándem (STR). Un locus de microsatélite suele tener
muchos alelos (longitudes de repetición) que pueden evaluarse con rapidez
mediante procedimientos de laboratorio estándar para distinguir a diferentes
individuos y para inferir relaciones familiares (fig. 4-3). En el genoma
humano, se conocen muchas decenas de miles de loci polimórficos de
microsatélites.
DrBurgos
125
FIGURA 4-3
Esquema de un marcador de microsatélite hipotético en el
DNA humano.
Los alelos de diferente tamaño (numerados del 1 al 7) corresponden a fragmentos
de DNA genómico que contienen distintos números de copias de una repetición
de microsatélite, y sus longitudes relativas se determinan separándolos mediante
electroforesis en gel. El alelo más corto (alelo 1) migra hacia el fondo del gel,
mientras que el alelo más largo (alelo 7) se mantiene más cerca de la parte
superior. Izquierda, para este microsatélite multialélico, cada uno de los seis
individuos no emparentados tiene dos alelos diferentes. Derecha, en una familia,
la herencia de los alelos puede seguirse desde cada progenitor a cada uno de los
tres hijos.
Los microsatélites son un grupo de indels especialmente útiles. En la
actualidad, la detección de diferentes alelos en distintos microsatélites es el
método de elección para la determinación de la huella de DNA usada en las
pruebas de identidad. Por ejemplo, el Federal Bureau of Investigation (FBI) en
Estados Unidos utiliza actualmente la colección de alelos en 13 de estos loci
para su panel de huella de DNA. Es tan improbable que dos individuos (que
no sean gemelos monocigóticos) tengan exactamente los mismos alelos en los
13 loci, que el panel permite la comprobación definitiva acerca de si dos
muestras provienen o no del mismo individuo. La información se almacena
en el Combined DNA Index System (CODIS) del FBI, que en diciembre de
2014 incluía más de 11.548.700 perfiles de delincuentes, 1.300.000 perfiles de
arrestados y 601.600 perfiles forenses (material obtenido en el escenario del
delito). Muchos estados y el Departamento de Defensa de EE.UU. tienen
bases de datos similares de huella de DNA, al igual que unidades en otros
países.
Polimorfismos de inserción de elementos móviles
Casi la mitad del genoma humano consiste en familias de elementos
repetitivos que se encuentran dispersos por todo el genoma (v. cap. 2).
Aunque la mayoría de las copias de estas repeticiones son estacionarias,
algunas de ellas son móviles y contribuyen a la diversidad genética humana a
través del proceso de la retrotransposición, un proceso que implica la
transcripción en un RNA, la transcripción inversa a una secuencia de DNA y
la inserción (es decir, la transposición) en otro sitio del genoma, como se
comentó en el capítulo 3 en el contexto de los pseudogenes procesados. Las
dos familias más comunes de elementos móviles son las familias Alu y LINE
de repeticiones, y se han descrito casi 10.000 polimorfismos de inserción de
DrBurgos
126
elementos móviles en distintas poblaciones. Cada locus polimórfico consta de
dos alelos, uno con el elemento móvil insertado y otro sin él (v. fig. 4-2). Los
polimorfismos de elementos móviles se encuentran en todos los cromosomas
humanos; aunque la mayoría están en regiones del genoma donde no hay
genes, una pequeña proporción aparece dentro de los genes. Al menos 5.000
de estos loci polimórficos tienen una frecuencia de inserción superior al 10%
en diferentes poblaciones.
Variantes del número de copias
Otro tipo importante de polimorfismo humano es el de las variaciones en el
número de copias (CNV). Las CNV están relacionadas conceptualmente con
los indels y los microsatélites, pero consisten en la variación del número de
copias de segmentos más grandes del genoma, con un tamaño que oscila
desde 1.000 pb a centenares de kilobases. Las variantes mayores de 500 kb se
encuentran en el 5-10% de los individuos en la población general, mientras
que las variantes que comprenden más de 1 Mb se observan en el 1-2%. Las
CNV más largas se encuentran a veces en regiones del genoma que se
caracterizan por bloques repetidos de secuencias homólogas denominadas
duplicaciones segmentarias (o segdups). Su importancia en la mediación de
la duplicación y la deleción de los segmentos correspondientes se comenta
con más detalle en el capítulo 6, en el contexto de diversos síndromes
cromosómicos.
Las CNV más cortas en particular pueden tener sólo dos alelos (es decir, la
presencia o ausencia de un segmento), lo que es similar a las indels en este
aspecto. Las CNV más grandes tienden a tener múltiples alelos debido a la
presencia de diferentes números de copias de un segmento de DNA en
tándem (v. fig. 4-2). En lo referente a la diversidad del genoma entre
individuos, la cantidad de DNA presente en las CNV supera en gran medida
a la que difiere debido a SNP. El contenido de dos genomas humanos cualesquiera
puede variar hasta en 50-100 Mb debido a diferencias de número de copias en loci de
CNV.
En especial, el segmento variable en muchos loci de CNV puede incluir
desde un gen hasta varias docenas de genes y, por lo tanto, las CNV suelen
estar implicadas en rasgos que conllevan una alteración de la dosis génica.
Cuando una CNV es suficientemente frecuente como para ser polimórfica,
representa un fondo de variación común que debe comprenderse para
interpretar correctamente las alteraciones del número de copias observadas
en los pacientes. Al igual que sucede con todos los polimorfismos de DNA, la
importancia de diferentes alelos de CNV en la salud y la susceptibilidad a la
enfermedad es motivo de numerosas investigaciones.
Polimorfismos de inversión
Un último grupo de polimorfismos que se comentará es el de las inversiones,
DrBurgos
127
cuyo tamaño oscila desde unos pocos pares de bases a grandes regiones del
genoma (de hasta varias megabases) y que pueden estar presentes en dos
orientaciones posibles en los genomas de diferentes individuos (v. fig. 4-2). La
mayoría de las inversiones se caracterizan por regiones de homología de
secuencia en los extremos del segmento invertido, lo que implica un proceso
de recombinación homóloga en el origen de las inversiones. En su forma
equilibrada, las inversiones, con independencia de su orientación, no
conllevan una ganancia o pérdida de DNA, y los polimorfismos de inversión
(con dos alelos correspondientes a las dos orientaciones) pueden alcanzar
frecuencias considerables en la población general. Sin embargo, la
recombinación anómala puede dar lugar a la duplicación o deleción del DNA
situado entre las regiones de homología, asociada a trastornos clínicos que se
analizarán con más detalle en los capítulos 5 y 6.
DrBurgos
128
Origen y frecuencia de los diferentes tipos
de mutaciones
A lo largo del espectro de la diversidad que va de las variantes raras a los
polimorfismos más frecuentes, los diferentes tipos de mutaciones surgen en el
contexto de procesos fundamentales de la división celular como la
replicación, reparación y recombinación del DNA, así como la segregación de
cromosomas en la mitosis o la meiosis. La frecuencia de mutaciones por
locus por división celular es una medida básica del grado de propensión a
los errores de estos procesos, lo que tiene una importancia fundamental para
la biología del genoma y la evolución. Sin embargo, un aspecto más
importante para los genetistas médicos es la frecuencia de mutaciones por
locus de la enfermedad por generación, en lugar de la tasa global de
mutación en todo el genoma por división celular. Sin embargo, la medición
de las tasas de mutaciones causantes de enfermedad puede ser difícil, debido
a que muchas mutaciones causan una mortalidad embrionaria precoz antes
de que se pueda identificar la mutación en un feto o recién nacido, o porque
algunas personas con una mutación causante de enfermedad puede que sólo
manifiesten el trastorno en una etapa tardía de la vida o que nunca muestren
signos de la enfermedad. A pesar de estas limitaciones, se han hecho grandes
avances a la hora de determinar la frecuencia global (a veces denominada
carga genética) de todas las mutaciones que afectan a la especie humana.
Los principales tipos de mutaciones descritas brevemente con anterioridad
se producen con frecuencias apreciables en muchas células diferentes del
cuerpo. La práctica de la genética se centra sobre todo en la variación del
genoma heredado; sin embargo, toda esa variación tuvo que originarse como
cambios nuevos (de novo) en las células germinales. En ese momento, esa
variante sería bastante rara en la población (ocurriría una sola vez), y su
frecuencia última en la población a lo largo del tiempo depende del azar y de
los principios de la herencia y de la genética de poblaciones (v. caps. 7 y 9).
Aunque la mutación original hubiese ocurrido sólo en el DNA de las células
de la línea germinal, cualquier persona que heredase la mutación la portaría
como una mutación constitucional en todas las células del cuerpo.
Por el contrario, las mutaciones somáticas se producen en todo el cuerpo,
pero no pueden transmitirse a la siguiente generación. Dada la tasa de
mutación (v. después en esta sección), se podría predecir que, de hecho, cada
célula de un individuo tiene una versión ligeramente diferente de su genoma,
dependiendo del número de divisiones celulares que se han producido desde
la concepción hasta el momento de la adquisición de la muestra. En los
tejidos muy proliferativos, como las células epiteliales intestinales o las
células hematopoyéticas, es muy probable que esta heterogeneidad genómica
sea mayor. Sin embargo, la mayoría de estas mutaciones no suelen detectarse,
porque, en las pruebas clínicas, se suele secuenciar el DNA a partir de la
DrBurgos
129
muestras compuestas por muchos millones de células; en una muestra de este
tipo, la base más prevalente en cualquier posición del genoma será la que está
presente en la concepción, y las mutaciones somáticas raras serán en gran
medida invisibles y no determinadas. Sin embargo, estas mutaciones pueden
tener importancia clínica en los trastornos causados por la mutación en un
único subgrupo de células en ciertos tejidos, lo que da lugar a mosaicismo
somático (v. cap. 7).
La principal excepción a que las mutaciones somáticas suelen no detectarse
en muestras de DNA multicelular es en el cáncer, en el que la base
mutacional para el origen del cáncer y de la naturaleza clonal de la evolución
del tumor hace que ciertos cambios somáticos estén presentes en
prácticamente todas las células de un tumor. De hecho, es fácil encontrar
1.000-10.000 mutaciones somáticas (y a veces muchas más) en los genomas de
la mayoría de los cánceres de adultos, con frecuencias y patrones de mutación
específicos para los diferentes tipos de cáncer (v. cap. 15).
Mutaciones cromosómicas
Las mutaciones que producen un cambio del número de cromosomas debido
a una segregación inadecuada de éstos son unas de las más frecuentes en los
seres humanos, con una tasa de una por cada 25-50 divisiones celulares
meióticas. Esta estimación es claramente a la baja, puesto que las
consecuencias para el desarrollo de muchas de estas mutaciones pueden ser
tan graves que los fetos resultantes son abortados de manera espontánea poco
después de la concepción, sin llegar a ser detectados (v. caps. 5 y 6).
Mutaciones regionales
Las mutaciones que afectan a la estructura o a la organización regional de los
cromosomas pueden surgir de varias maneras diferentes. Las duplicaciones,
deleciones e inversiones de un segmento de un único cromosoma se deben
predominantemente a la recombinación homóloga entre segmentos de DNA
con alta homología de secuencia situados en más de un sitio en una región de
un cromosoma. Sin embargo, no todas las mutaciones estructurales se deben
a la recombinación homóloga. Otras, como las translocaciones cromosómicas
y algunas inversiones, pueden producirse en los sitios de rotura espontánea
del DNA bicatenario. Cuando se produce la rotura en dos lugares en
cualquier lugar del genoma, los dos extremos rotos se pueden unir entre sí
incluso sin ninguna homología de secuencia evidente entre ambos extremos
(proceso denominado reparación por unión de extremos no homólogos). En el
capítulo 6 se describen con detalle ejemplos de estas mutaciones.
Mutaciones génicas
Las mutaciones génicas o del DNA, incluidas las sustituciones de pares de
DrBurgos
130
bases, las inserciones y las deleciones (fig. 4-4), se originan mediante dos
mecanismos básicos: errores producidos durante el proceso de replicación del
DNA o mutaciones ocasionadas por un fallo en la reparación correcta del
DNA dañado. Muchas de estas mutaciones son espontáneas y se producen
durante los procesos normales (pero imperfectos) de replicación y reparación
del DNA, mientras que otras son inducidas por agentes físicos o químicos
denominados mutágenos.
FIGURA 4-4 Ejemplos de mutaciones en una porción de un gen hipotético
del que se muestran cinco codones (delimitados por las líneas de puntos).
El primer par de bases del segundo codón en la secuencia de referencia (fondo
azul) está mutado por una sustitución, deleción o inserción de base. La sustitución
de base de una G por la T en esta posición provoca un cambio de codón (fondo
verde) y, suponiendo que la cadena superior es la cadena codificante, un cambio
no sinónimo previsto de una serina a una alanina en la proteína codificada (v.
código genético en la tabla 3-1); todos los demás codones no se modifican. Tanto
la deleción como la inserción de un único par de bases provocan una mutación de
cambio del marco de lectura en el que el marco de lectura de traducción se
modifica para todos los codones subsiguientes (fondo verde), hasta que se llega a
un codón de terminación.
Errores en la replicación del DNA
El proceso de replicación del DNA (v. fig. 2-4) suele ser muy preciso; la
mayoría de los errores de replicación (p. ej., inserción de una base distinta a la
DrBurgos
131
complementaria que restauraría el par de bases en esa posición en la doble
hélice) se eliminan enseguida del DNA, y se corrigen por varias enzimas de
reparación del DNA, que primero reconocen qué cadena de la doble hélice
recién sintetizada contiene la base incorrecta y después la sustituyen por la
base complementaria correcta, proceso denominado corrección de errores del
DNA. La replicación del DNA debe ser un proceso muy preciso; de lo
contrario, la carga de mutaciones sería intolerable para el organismo y la
especie. La enzima DNA polimerasa duplica con exactitud ambas cadenas de
la doble hélice mediante una combinación de reglas estrictas de
emparejamiento de las bases (la A se empareja con la T, y la C con la G), pero
introduce un error cada 10 millones de pb. Una verificación adicional de los
errores de replicación corrige después más del 99,9% de los fallos en la
replicación del DNA. Por tanto, la tasa global de mutaciones debida a errores
de replicación es notablemente baja, 10–10 por división celular, lo que supone
menos de una mutación por genoma por división celular.
Reparación del daño en el DNA
Además de los errores de replicación, se calcula que entre 10.000 y 1.000.000
nucleótidos por célula humana y por día sufren daño debido a procesos
químicos espontáneos, como la depurinación, la desmetilación y la
desaminación; por reacciones con mutágenos químicos (naturales o no) del
ambiente, y por exposición a las radiaciones ionizantes o ultravioleta. Una
parte de ese daño es reparada, pero no la totalidad. Aunque el daño sea
reconocido y eliminado, es posible que el mecanismo de reparación cree
mutaciones al introducir bases equivocadas. Por tanto, al contrario de lo que
ocurre con las modificaciones del DNA relacionadas con su replicación, que
suelen subsanarse mediante el procedimiento de la corrección de errores, los
cambios de nucleótidos producidos por el daño en el DNA y su reparación
producen a menudo mutaciones permanentes.
Una mutación espontánea particularmente frecuente es la sustitución de T
por C (o A por G en la otra cadena). La explicación de esta observación se
obtiene al considerar la principal forma de modificación epigenética en el
genoma humano, la metilación del DNA, comentada en el capítulo 3. La
desaminación espontánea de la 5-metilcitosina a timidina (compare las
estructuras de la citosina y de la timina en la fig. 2-2) en el doblete CpG da
lugar a mutaciones C a T o G a A (dependiendo de la cadena de DNA en la
que se encuentre la 5-metilcitosina desaminada). Puede que estas mutaciones
espontáneas no sean reconocidas por la maquinaria de reparación del DNA y,
por tanto, queden establecidas en el genoma después del siguiente ciclo de
replicación del DNA. Más del 30% de todas las sustituciones de un único
nucleótido son de este tipo, y se producen con una tasa 25 veces superior a la
de cualquier otra mutación que afecte a un solo nucleótido. Por tanto, el
doblete CpG representa un verdadero «punto caliente» de mutación en el
genoma humano.
DrBurgos
132
Tasa global de mutaciones del DNA
Aunque la tasa de mutaciones del DNA en loci específicos se ha estimado
utilizando diversos métodos en los últimos 50 años, el impacto global de los
errores de replicación y reparación en la aparición de nuevas mutaciones en
todo el genoma se puede determinar en la actualidad directamente mediante
secuenciación del genoma completo de tríos formados por un hijo y ambos
progenitores, en busca de nuevas mutaciones en el hijo que no estén
presentes en la secuencia del genoma de ninguno de los progenitores. La tasa
global de nuevas mutaciones entre gametos maternos y paternos es, en
promedio, de alrededor de 1,2 × 10−8 mutaciones por par de bases por
generación. Por tanto, es probable que cada persona reciba unas 75 nuevas
mutaciones en su genoma de alguno de los progenitores. Esta tasa, sin embargo,
varía entre los diversos genes del genoma y tal vez entre las distintas
poblaciones, o incluso entre los diferentes individuos. De forma global, esta
tasa, combinada con datos de crecimiento y de dinámica de la población,
predice que debe haber un gran número de mutaciones relativamente nuevas
(y, por tanto, muy raras) en la población actual mundial de siete mil millones
de personas.
Como sería de prever, la inmensa mayoría de estas mutaciones
corresponderán a cambios de un solo nucleótido en posiciones no
codificantes del genoma y probablemente tendrán poco o ningún significado
funcional. Sin embargo, a nivel de las poblaciones, no se debe pasar por alto
el impacto colectivo potencial de estas nuevas mutaciones en genes de
importancia médica. En Estados Unidos, por ejemplo, donde hay más de 4
millones de recién nacidos vivos cada año, se producirán alrededor de 6
millones de nuevas mutaciones en secuencias codificantes; por lo tanto,
incluso para un único gen codificante de proteína de tamaño medio, se puede
prever que varios cientos de recién nacidos cada año presentarán una
mutación nueva en su secuencia codificante.
Varios estudios similares desde el punto de vista conceptual han
determinado la tasa de mutaciones en las CNV, donde la aparición de una
nueva variante en longitud depende de la recombinación, más que de los
errores en la síntesis de DNA para generar un nuevo par de bases. La tasa
medida de la formación de nuevas CNV (≈1,2 × 10−2 por locus por generación)
es varias órdenes de magnitud mayor que la de sustituciones de bases.
Tasa de mutaciones génicas causantes de enfermedad
La forma más directa de estimar la tasa de mutaciones causantes de
enfermedades por locus por generación es medir la incidencia de casos
nuevos de una enfermedad genética que no está presente en ninguno de los
progenitores y que se debe a una única mutación que causa una enfermedad
claramente reconocible en todos los recién nacidos portadores de esa
mutación. La acondroplasia es un trastorno en el que la reducción del
crecimiento óseo provoca talla baja (Caso 2) y es una de las enfermedades que
cumplen esos requisitos. En un estudio, se detectaron siete niños
DrBurgos
133
acondroplásicos en una serie de 242.257 nacimientos consecutivos. Los siete
tenían progenitores de estatura normal y, dado que la acondroplasia se
manifiesta siempre cuando existe una mutación, los siete casos se
consideraron mutaciones nuevas. La tasa de mutación nueva en este locus
puede calcularse como 7 mutaciones en un total de 2 × 242.257 copias del gen
relevante, o aproximadamente 1,4 × 10–5 mutaciones causantes de enfermedad
por locus por generación. Esta tasa de mutación elevada es especialmente
llamativa, porque se ha observado que casi todos los casos de acondroplasia
se deben a una mutación idéntica de G a A en la que un codón de glicina se
cambia a uno de arginina en la proteína codificada.
La tasa de mutaciones génicas que causan enfermedades se ha estimado
para algunos trastornos hereditarios, en los que se determinó la existencia de
mutaciones nuevas a través de la aparición y detección del fenotipo de la
enfermedad (tabla 4-3). Las tasas medidas varían en un rango de 1.000 veces,
de 10–4 a 10–7 mutaciones por locus por generación. La razón de esas
diferencias puede estar relacionada con algunos o con todos los siguientes
factores: el tamaño de los distintos genes, la fracción de todas las mutaciones
en ese gen que dará lugar a la enfermedad, la edad y el sexo del progenitor
que sufrió la mutación, el mecanismo de la mutación y la presencia o
ausencia de «puntos calientes» de mutación en el gen. De hecho, la tasa
elevada de la mutación específica en la acondroplasia puede explicarse, en
parte, por el hecho de que la mutación en la otra cadena es un cambio C a T
en una posición donde se produce metilación CpG y es un punto caliente
para la mutación por desaminación, como se ha descrito previamente.
Tabla 4-3
Estimaciones de las tasas de mutación para genes seleccionados de
enfermedades humanas
Enfermedad
Locus (proteína)
Tasa de mutación*
Acondroplasia (Caso 2)
FGFR3 (receptor del factor de crecimiento fibroblástico 3) 1,4 × 10−5
Aniridia
PAX6 (Pax6)
2,9-5 × 10−6
Distrofia muscular de Duchenne (Caso 14) DMD (distrofina)
3,5-10,5 × 10−5
Hemofilia A (Caso 21)
F8 (factor VIII)
3,2-5,7 × 10−5
Hemofilia B (Caso 21)
F9 (factor IX)
2-3 × 10−6
Neurofibromatosis, tipo 1 (Caso 34)
Poliquistosis renal, tipo 1 (Caso 37)
Retinoblastoma (Caso 39)
NF1 (neurofibromina)
PKD1 (poliquistina)
RB1 (Rb1)
4-10 × 10−5
6,5-12 × 10−5
5-12 × 10−6
Basada en datos de Vogel F, Motulsky AG: Human genetics, 3.ª ed., Berlín, 1997, Springer-Verlag.
*
Expresada en mutaciones por locus por generación.
A pesar de este rango de tasas entre los distintos genes, la tasa media de
mutación génica es de alrededor de 10−6. Debido a que existen al menos 5.000
genes en el genoma humano en los que se sabe que las mutaciones causan
una enfermedad u otro rasgo detectable (v. cap. 7), es probable que alrededor de
1 de cada 200 personas reciba una mutación nueva en un gen asociado a una
enfermedad conocida de cualquiera de los progenitores.
DrBurgos
134
Diferencias en función del sexo y efecto de la
edad en las tasas de mutación
Debido a que el DNA de los espermatozoides ha pasado por muchos más
ciclos de replicación que el DNA de los óvulos (v. cap. 2), tiene más
posibilidades de que se produzcan errores; por tanto, sería previsible que
muchas mutaciones tuviesen con más frecuencia un origen paterno que
materno. De hecho, cuando se ha estudiado esto, las mutaciones nuevas
responsables de determinados trastornos (p. ej., la acondroplasia, como se
acaba de describir) suelen ser mutaciones de cambio de sentido que se
producen casi siempre en la línea germinal paterna. Además, cuanto mayor
es la edad del padre, más ciclos de replicación han precedido a las divisiones
meióticas, por lo que sería previsible que la frecuencia de mutaciones nuevas
paternas aumentase con su edad. De hecho, se ha observado una correlación
entre la edad creciente del padre y la incidencia de mutaciones génicas para
diversos trastornos (incluida la acondroplasia) y con la incidencia de
mutaciones regionales que implican CNV en los trastornos del espectro
autista (Caso 5). En otras enfermedades, sin embargo, los efectos del
progenitor de origen y de la edad sobre los espectros mutacionales no son tan
llamativos, por razones desconocidas.
DrBurgos
135
Tipos de mutaciones y sus consecuencias
En este apartado trataremos la naturaleza de las diferentes mutaciones y sus
efectos sobre los genes implicados. Cada tipo de mutación descrito aquí se
ilustra con uno o más ejemplos de enfermedades. En especial, la mutación
específica observada en casi todos los casos de acondroplasia es la excepción
en lugar de la regla, y las mutaciones subyacentes a una enfermedad genética
única suelen ser con más frecuencia heterogéneas en un grupo de individuos
afectados. Por tanto, los diferentes casos de un trastorno particular suelen
deberse a distintas mutaciones subyacentes (tabla 4-4). En los capítulos 11 y
12 volveremos a examinar las formas en que las mutaciones en genes
específicos de enfermedades causan estas últimas.
Tabla 4-4
Tipos de mutación en las enfermedades genéticas humanas
Sustituciones de nucleótidos
Mutaciones de cambio de sentido
La sustitución de un único nucleótido (o mutación puntual) en una secuencia
génica, como la que se observa en el ejemplo de la acondroplasia que acaba
de describirse, puede alterar el código en un triplete de bases y causar la
sustitución no sinónima de un aminoácido por otro en el producto génico (v.
el código genético en la tabla 3-1 y el ejemplo de la fig. 4-4). Esas mutaciones
se denominan mutaciones de cambio de sentido («missense» en inglés)
porque alteran el «significado» de la cadena codificante del gen al especificar
DrBurgos
136
un aminoácido diferente. Aunque no todas las mutaciones de cambio de
sentido provocan un cambio observable de la función de la proteína, la
proteína resultante puede no tener una función adecuada, puede ser inestable
y degradarse con rapidez, o puede que no se localice en su posición
intracelular correcta. En muchos trastornos, como la β-talasemia (caso 44), la
mayoría de las mutaciones detectadas en distintos pacientes son mutaciones
de cambio de sentido (v. cap. 11).
Mutaciones que generan una terminación prematura de la
traducción
Las mutaciones puntuales en una secuencia de DNA que causan la
sustitución del codón normal de un aminoácido por uno de los tres codones
de terminación se denominan mutaciones sin sentido («nonsense» en inglés).
Como la traducción del RNA mensajero (mRNA) cesa al alcanzar un codón
de terminación (v. cap. 3), una mutación que convierte una secuencia
codificante en un codón de terminación ocasiona que la traducción se detenga
en la secuencia codificante del mRNA. Las consecuencias de las mutaciones
que causan una terminación prematura son dos. En primer lugar, el mRNA
portador de una mutación prematura suele ser objeto de una rápida
degradación (por un proceso celular denominado degradación del mRNA
por mutación sin sentido), y eso imposibilita la traducción. En segundo
lugar, incluso cuando el mRNA es lo suficientemente estable como para ser
traducido, la proteína truncada suele ser tan inestable que es rápidamente
degradada en la célula (v. ejemplos en el cap. 12).
Mientras que algunas mutaciones puntuales crean un codón de
terminación prematuro, otras pueden destruir el codón de terminación
normal y permitir que la traducción continúe hasta alcanzar el codón de
terminación siguiente en el mRNA. Esa mutación creará una proteína
anormal con aminoácidos adicionales en su extremo carboxilo y, además,
puede alterar las funciones reguladoras ejercidas por la región 3’ no traducida
justo a partir del codón de terminación normal.
Mutaciones que afectan a la transcripción, procesamiento y
traducción del RNA
El mecanismo normal por el que se sintetizan los transcritos iniciales de RNA
y se convierten en mRNA maduro (o versiones finales de RNA no
codificante) requiere una serie de modificaciones, como la unión del factor de
transcripción, la adición de la caperuza 5’, la poliadenilación y el corte y
empalme (splicing) (v. cap. 3). Todos esos pasos en la maduración del RNA
dependen de secuencias específicas presentes en el RNA. Se han descrito dos
tipos generales de mutaciones de sitios de corte y empalme. Para que los
intrones del RNA no procesado se separen y los exones se empalmen para
dar lugar a un RNA maduro, es necesaria una secuencia específica de
nucleótidos, situada en la unión exón-intrón (sitio donador 5’) o en la unión
DrBurgos
137
intrón-exón (sitio aceptor 3’) o cerca de ellas. Las mutaciones que afectan a
esas bases necesarias, tanto en el sitio donador como en el aceptor, interfieren
y, a veces, impiden totalmente el proceso de corte y empalme normal del
RNA en ese sitio. Un segundo tipo de mutaciones que afectan al proceso de
corte y empalme implica una sustitución de bases del intrón que no afecta a la
secuencia misma de los sitios donadores o aceptores, sino que crea sitios
donadores o aceptores alternativos, que compiten con los sitios normales
durante el procesamiento del RNA. Por tanto, en esos casos al menos cierta
proporción del mRNA maduro puede contener secuencias de intrones que
están ensambladas de forma incorrecta. En el capítulo 11 se presentan
ejemplos de ambos tipos de mutaciones.
Para los genes codificantes de proteínas, incluso aunque se sintetice mRNA
y sea estable, las mutaciones puntuales en las regiones no traducidas 5’ y 3’
también pueden contribuir a la aparición de enfermedad al modificar la
estabilidad del mRNA o la eficacia de la traducción, lo que reduce la cantidad
de producto proteico que se sintetiza.
Deleciones, inserciones y reordenamientos
Las mutaciones también pueden producirse por inserción deleción o
reordenación de las secuencias de DNA. Algunas deleciones e inserciones
involucran sólo a unos pocos nucleótidos y, en general, se detectan más
fácilmente mediante secuenciación directa de nucleótidos de esa parte del
genoma. En otros casos, un segmento sustancial de un gen, o un gen entero,
se deleciona, invierte, duplica o transloca, lo que crea una disposición nueva
de las secuencias génicas. Dependiendo del tipo exacto de la deleción,
inserción o reordenación, se pueden usar diversos métodos para detectar la
alteración genómica.
Algunas deleciones e inserciones afectan sólo a un pequeño número de
pares de bases. Cuando este tipo de mutación se produce en una secuencia
codificante y el número de bases implicadas no es un múltiplo de tres (es
decir, no es un número entero de codones), el marco de lectura se altera
empezando en el punto de inserción o deleción. Las mutaciones resultantes se
denominan mutaciones de cambio de marco de lectura (v. fig. 4-4). Por tanto,
desde el punto de inserción o deleción, se crea una secuencia diferente de
codones, que codifica unos pocos aminoácidos incorrectos seguidos de un
codón de terminación en el marco cambiado, lo que suele dar lugar a una
proteína alterada desde el punto de vista funcional. Por el contrario, si el
número de pares de bases insertadas o delecionadas es un múltiplo de tres, no
se produce un cambio en el marco de lectura y habrá una simple inserción o
deleción de los aminoácidos correspondientes en el producto génico
traducido, por lo demás normal. Las inserciones o deleciones más grandes,
que oscilan de alrededor de 100 a más de 1.000 pb, suelen denominarse
«indels», como se ha visto previamente en el caso de los polimorfismos.
Pueden afectar a múltiples exones de un gen y causar alteraciones graves de
DrBurgos
138
la secuencia codificante.
Un tipo de mutación por inserción consiste en la inserción de un elemento
móvil, como los que pertenecen a la familia LINE del DNA repetitivo. Se
estima que, en cualquier individuo, alrededor de 100 copias de una subclase
particular de la familia LINE del genoma son capaces de moverse por
retrotransposición, como se comentó previamente. Este movimiento no sólo
genera diversidad genética en nuestra especie (v. fig. 4-2), sino que también
puede causar enfermedades por mutagénesis insercional. Por ejemplo, en
algunos pacientes que presentan el grave trastorno hemorrágico denominado
hemofilia A (Caso 21), se observa la presencia de secuencias LINE de varias
kilobases de longitud insertadas en un exón del gen del factor VIII, lo que
interrumpe la secuencia codificante e inactiva el gen. Las inserciones LINE en
todo el genoma también son frecuentes en el cáncer de colon, lo que refleja la
retrotransposición en las células somáticas (v. cap. 15).
Como ya se comentó en el contexto de los polimorfismos en un apartado
previo de este capítulo, las duplicaciones, deleciones e inversiones de un
segmento mayor de un solo cromosoma se deben predominantemente a la
recombinación homóloga entre segmentos de DNA con una alta homología
de secuencia (fig. 4-5). Los trastornos que surgen por estos intercambios
pueden deberse a un cambio de la dosis de productos génicos de tipo natural
cuando los segmentos homólogos se encuentran fuera de los propios genes
(v. cap. 6). De forma alternativa, estas mutaciones pueden modificar las
características de la propia proteína codificada cuando se produce la
recombinación entre diferentes genes dentro de una familia génica (v. cap. 11)
o entre los genes de diferentes cromosomas (v. cap. 15). El emparejamiento y
la recombinación anormales entre dos secuencias similares con orientación
opuesta en una única cadena de DNA provocan inversión. Por ejemplo, casi
la mitad de todos los casos de hemofilia A se deben a la recombinación que
invierte varios exones, lo que altera la estructura del gen e impide que éste
pueda codificar un producto génico normal (v. fig. 4-5).
DrBurgos
139
FIGURA 4-5 Secuencias homólogas invertidas, marcadas como A y B, situadas
a 500 kb de distancia en el cromosoma X, una hacia arriba del gen (upstream) del
factor VIII y la otra en un intrón entre los exones 22 y 23 del gen. El
emparejamiento intracromosómico y la recombinación dan lugar a la inversión de
los exones 1 a 22 del gen, lo que altera dicho gen y provoca una hemofilia grave.
Mutaciones dinámicas
Las mutaciones en algunos trastornos implican la amplificación de secuencias
repetidas de nucleótidos. Por ejemplo, ciertas repeticiones simples, como
(CCG)n, (CAG)n, o (CCTG)n localizadas en la porción codificante de un exón,
en una región no traducida de un exón o incluso en un intrón pueden
expandirse durante la gametogénesis, en lo que se denomina mutación
dinámica, e interferir con la expresión génica normal o la función de la
proteína. Una repetición expandida en la región codificante provocará un
producto proteico anormal, mientras que una expansión de repeticiones en
las regiones no traducidas o en los intrones de un gen puede interferir con la
transcripción, el procesamiento o la traducción del mRNA. No se conoce por
completo cómo se producen las mutaciones dinámicas; son similares desde el
punto de vista conceptual a los polimorfismos de microsatélites, pero se
expanden a una velocidad mucho mayor de lo que suele observarse en los
loci de microsatélites.
La implicación de las expansiones de repeticiones de nucleótidos simples
en la enfermedad se describe con más detalle en los capítulos 7 y 12. En las
enfermedades causadas por mutaciones dinámicas, se conocen con precisión
unos efectos marcados del progenitor de origen y parecen ser característicos
de la enfermedad específica y/o del tipo de repetición (v. cap. 12). Estas
diferencias pueden deberse a discrepancias biológicas fundamentales entre la
ovogénesis y la espermatogénesis, pero también pueden derivar de la
DrBurgos
140
selección contraria a gametos portadores de ciertas expansiones de
repeticiones.
DrBurgos
141
Variación en genomas individuales
El inventario actual más extenso de la cantidad y tipo de variación previsible
en cualquier genoma determinado proviene del análisis directo de genomas
humanos diploides individuales. La primera de tales secuencias genómicas
(de un varón) se publicó en 2007. En la actualidad, se han secuenciado
decenas de miles de genomas individuales, algunos como parte de grandes
consorcios de investigación internacionales que analizan la diversidad
genética humana en la salud y la enfermedad, y otros en el contexto de la
secuenciación clínica para determinar la base subyacente de un trastorno en
pacientes particulares.
¿Qué grado de variación genómica se detecta en estos estudios? Los
genomas humanos individuales suelen tener 5-10 millones de SNP de los que
(dependiendo en parte de la población) hasta un 25-33% son nuevos (v.
cuadro). Esto sugiere que el número de SNP descritos para nuestra especie
aún está incompleto, aunque es de suponer que la fracción de estos SNP
nuevos disminuirá a medida que se secuencien cada vez más y más genomas
de un número mayor de poblaciones.
En el seno de esta variación hay variantes con un impacto clínico conocido,
probable o sospechado. Según los estudios realizados hasta el momento, cada
genoma presenta 50-100 variantes que se han implicado previamente en
enfermedades hereditarias conocidas. Además, cada genoma presenta miles
de SNP no sinónimos en genes codificantes de proteínas distribuidos por el
genoma, algunos de los cuales podrían alterar la función proteica. Cada
genoma incluye también alrededor de 200-300 mutaciones con una probable
pérdida de función, algunas de las cuales están presentes en ambos alelos de
genes en un individuo determinado. En el contexto clínico, esta observación
tiene implicaciones importantes para la interpretación de los datos de
secuencia genómica de pacientes, en especial al intentar predecir el impacto
de las mutaciones en genes que de momento no tienen una función conocida
(v. cap. 16).
Un aspecto interesante e imprevisto de la secuenciación de genomas
individuales es que el genoma humano de referencia aún carece de
cantidades considerables de DNA no documentado y no anotado que se
descubren en todos los genomas individuales que se secuencian. Estas
secuencias «nuevas» sólo se descubren cuando se secuencian genomas
adicionales. Por tanto, la recopilación completa de todas las secuencias
genómicas humanas que debería encontrarse en nuestra población actual de
siete mil millones de personas (estimada en 20-40 Mb mayor que la secuencia
de referencia existente) aún está pendiente de dilucidarse por completo.
La diversidad genética humana es impresionante y está claro que aún
estamos en la etapa de descubrirla; es indudable que todavía deben
encontrarse millones de SNP adicionales y otras variantes, al igual que está
por ver el grado en el que cualquiera de ellas podría afectar al estatus clínico
DrBurgos
142
de un individuo en el contexto del bienestar y la asistencia sanitaria.
Va r ia ción de te cta da e n un ge nom a hum a no típico
Los individuos varían ampliamente en un extenso rango de funciones
biológicas, lo que está determinado en parte por la variación entre sus
genomas. Cualquier genoma individual contendrá lo siguiente:
• ≈5-10 millones de SNP (varía en función de la población).
• 25.000-50.000 variantes raras (mutaciones privadas u observadas
previamente en < 0,5% de los individuos analizados).
• ≈75 mutaciones nuevas de pares de bases no detectadas en los genomas
parentales.
• 3-7 CNV nuevas que implican a ≈500 kb de DNA.
• 200.000-500.000 indels (1-50 pb) (varía en función de la población).
• 500-1.000 deleciones de 1-45 kb, abarcando ≈200 genes.
• ≈150 indels sin variación del marco de lectura.
• ≈200-250 cambios de marco de lectura.
• 10.000-12.000 SNP sinónimos.
• 8.000-11.000 SNP no sinónimos en 4.000-5.000 genes.
• 175-500 variantes no sinónimas raras.
• 1 mutación nueva no sinónima.
• ≈100 codones de terminación prematura.
• 40-50 variantes con alteración de sitios de corte y empalme.
• 250-300 genes con variantes que probablemente causen pérdida de función.
• ≈25 genes que previsiblemente estén completamente inactivados.
Estudios de secuenciación clínicos
En el contexto de la medicina genómica, una cuestión clave es hasta qué
punto la variación de la secuencia y/o la expresión del genoma de un
individuo influye en la probabilidad de aparición de la enfermedad,
determina o indica la historia natural de ésta y/o proporciona pistas
relevantes para su tratamiento. Como se acaba de exponer, la variación del
genoma constitucional de un individuo puede tener varios efectos directos o
indirectos diferentes sobre la función génica.
La secuenciación de genomas enteros (denominada secuenciación del
genoma completo) o del subconjunto de genomas que incluyen todos los
exones codificantes conocidos (denominada secuenciación del exoma
completo) se ha introducido en varias situaciones clínicas, como se comentará
con mayor detalle en el capítulo 16. Tanto la secuenciación del exoma
completo como del genoma completo se han utilizado para detectar
mutaciones de novo (tanto mutaciones puntuales como CNV) en diversas
enfermedades de etiología compleja y/o desconocida, como, por ejemplo,
varios trastornos del neurodesarrollo o neuropsiquiátricos, como el autismo,
la esquizofrenia, la epilepsia o la discapacidad intelectual y el retraso del
desarrollo.
DrBurgos
143
Los estudios de secuenciación clínicos pueden dirigirse a variantes de la
línea germinal o somáticas. En el cáncer, especialmente, se han utilizado
varias estrategias para buscar mutaciones somáticas en el tejido tumoral con
el fin de identificar genes potencialmente relevantes para su progresión (v.
cap. 15).
Ge nóm ica pe r sona l y pa pe l de l consum idor
La creciente capacidad de secuenciar genomas individuales no sólo está al
alcance de los laboratorios de investigación y clínicos, sino que también está
generando una revolución social y de información entre los consumidores en
el contexto de la genómica directa al consumidor (DTC; del inglés direct-toconsumer), en la que los análisis de los polimorfismos del genoma completo e
incluso la secuenciación de genomas enteros se ofrece directamente a los
clientes potenciales, sin pasar por los profesionales de la salud.
Todavía no está nada claro qué grado de vigilancia genómica será más útil
para la práctica clínica habitual, y es probable que esto evolucione
rápidamente en el caso de trastornos específicos, a medida que nuestro
conocimiento aumente, que se adopten guías de práctica profesional y que
reaccionen las compañías de seguros. Algunos grupos han planteado
preocupaciones considerables acerca de la privacidad y sobre la necesidad de
regular la industria. Al mismo tiempo, sin embargo, otros individuos están
dispuestos a hacer que los datos de la secuencia genómica (e incluso la
información médica) estén disponibles más o menos públicamente.
Las actitudes en esta área varían ampliamente entre los profesionales y el
público en general, en función de si se considera que conocer la secuencia del
genoma propio es una actividad fundamentalmente médica o personal. Los
críticos de los análisis DTC y los elaboradores de políticas, tanto de la
industria sanitaria como del gobierno, se centran en temas de utilidad clínica,
normas reglamentarias, supervisión médica, disponibilidad de
asesoramiento genético y privacidad. Los defensores de las pruebas DTC e
incluso los propios consumidores, por otra parte, se centran más en la
libertad de información, los derechos individuales, la conciencia social y
personal, la educación pública y el poder de decisión de los consumidores.
La disponibilidad de información del genoma individual se está
convirtiendo en una mercancía comercial y una realidad personal. En este
sentido, y sin menospreciar ni minimizar los aspectos científicos, éticos y
clínicos significativos subyacentes, lo cierto es que las secuencias del genoma
individual serán parte activa de la práctica médica para los estudiantes de
hoy en día.
DrBurgos
144
Impacto de las mutaciones y el
polimorfismo
Aunque los estudiantes de la genética humana verán con claridad que las
nuevas mutaciones o variantes raras en la población con un efecto deletéreo
pueden tener consecuencias clínicas, tal vez les resulte menos obvio que las
variantes polimórficas comunes pueden tener relevancia médica. Para la
proporción de la variación polimórfica que se produce en los propios genes,
tales loci se pueden estudiar mediante el análisis de la variación en las
proteínas codificadas por los diferentes alelos. Durante mucho tiempo, se ha
estimado que un solo individuo probablemente porte dos alelos distintos que
determinan polipéptidos estructuralmente diferentes en alrededor del 20% de
todos los loci codificantes de proteínas; cuando se comparan individuos de
diferentes grupos geográficos o étnicos, se ha observado que una fracción aún
mayor de proteínas presentan un polimorfismo detectable. Además, incluso
cuando el producto génico es idéntico, los niveles de expresión de ese
producto pueden ser muy diferentes entre los distintos individuos,
determinados por una combinación de variación genética y epigenética, como
se vio en el capítulo 3.
Por lo tanto, existe un grado sorprendente de individualidad bioquímica en
el seno de la especie humana en cuanto a su composición de enzimas y otros
productos génicos. Además, debido a que los productos de muchas de las
vías bioquímicas y reguladoras codificadas interactúan en redes funcionales y
fisiológicas, se puede concluir plausiblemente que cada individuo, con
independencia de su estado de salud, tiene una composición química única,
determinada genéticamente y que, por lo tanto, responde de una manera
única a las influencias ambientales, dietéticas y farmacológicas. Este concepto
de individualidad química, planteado por primera vez hace más de un siglo
por Garrod, el médico británico de gran clarividencia citado en el capítulo 1,
sigue siendo cierto hoy en día. Decidir de forma general lo que es normal (un
concepto esencial en la biología humana y en la medicina clínica) sigue
siendo en gran medida una cuestión sin resolver en lo referente al genoma
humano.
En los siguientes capítulos, se analizará este concepto en detalle, primero
en el contexto del genoma y las mutaciones cromosómicas (caps. 5 y 6) y
luego en términos de mutaciones génicas y polimorfismos que determinan la
herencia de las enfermedades genéticas (cap. 7) y que influyen en su
probabilidad en familias y poblaciones (caps. 8 y 9).
DrBurgos
145
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DrBurgos
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P r oble m a s
1. Un polimorfismo puede deberse a varios mecanismos, con distintas
consecuencias. Describa y compare los tipos de polimorfismos que pueden
tener los siguientes efectos:
a. Un cambio de la dosis de un gen o genes.
b. Un cambio en la secuencia de múltiples aminoácidos en el producto de
un gen codificante de proteína.
c. Un cambio de la estructura final de un RNA producido a partir de un
gen.
d. Un cambio del orden de los genes en una región de un cromosoma.
e. Ningún efecto evidente.
2. La aniridia es un trastorno ocular que se caracteriza por la ausencia
completa o parcial del iris y siempre está presente cuando se produce una
mutación en el gen responsable. En una población, 41 niños diagnosticados
de aniridia nacieron de progenitores con visión normal entre 4,5 millones
de nacimientos durante un período de 40 años. Suponiendo que estos casos
se debieron a mutaciones nuevas, ¿cuál es la tasa de mutación estimada en
el locus de la aniridia? ¿En qué suposiciones se basa esta estimación y por
qué podría ser esta estimación demasiado alta o demasiado baja?
3. ¿Cuál de los siguientes tipos de polimorfismo sería más eficaz para
distinguir dos individuos de la población general: un SNP, un indel simple
o un microsatélite? Explique el razonamiento.
4. Considere dos estirpes celulares que difieran entre sí por una serie de 100
divisiones celulares. Dada la tasa de mutación para los distintos tipos de
variación, ¿qué grado de diferencia tendrán los genomas de dichas
DrBurgos
147
estirpes?
5. Compare el impacto probable de cada uno de los siguientes factores sobre
la tasa global de mutación detectada en cualquier genoma determinado:
edad de los progenitores, puntos calientes de mutación, recombinación
homóloga intracromosómica, variación genética en los genomas parentales.
DrBurgos
148
CAPÍTULO 5
DrBurgos
149
Principios de citogenética clínica y
análisis genómico
La citogenética clínica consiste en el estudio de los cromosomas, su estructura
y su herencia, aplicado a la práctica de la medicina. Desde hace más de 50
años sabemos que los cambios microscópicamente visibles en el número o la
estructura de los cromosomas pueden producir trastornos clínicos, que –por
esta razón– se denominan trastornos cromosómicos. Con su atención puesta
en el conjunto completo del material genético, la citogenética fue la primera
de las ciencias en ofrecer una perspectiva basada en el genoma completo a la
práctica de la medicina. En la actualidad, el análisis cromosómico –cuya
resolución y precisión no dejan de aumentar a niveles citológico y genómico–
es un procedimiento diagnóstico importante en numerosas áreas de la
medicina clínica. El análisis actual del genoma que utiliza métodos que se
describirán en este capítulo, como las micromatrices cromosómicas y la
secuenciación del genoma completo, supone una mejora impresionante de
capacidad y resolución, pero es similar desde el punto de vista conceptual a
los métodos microscópicos centrados en los cromosomas (fig. 5-1).
DrBurgos
150
FIGURA 5-1 Espectro de resolución del análisis cromosómico y genómico.
Se muestran la resolución típica y el rango de eficacia de diversos métodos
diagnósticos utilizados de forma rutinaria en el análisis cromosómico y genómico.
Véanse los detalles y ejemplos específicos en el texto. FISH, hibridación in situ
fluorescente.
Los trastornos cromosómicos constituyen una entidad propia dentro de las
enfermedades genéticas. Representan una gran proporción del conjunto de
problemas reproductivos, malformaciones congénitas y discapacidad
intelectual, y desempeñan un importante papel en la patogenia del cáncer.
Los trastornos citogenéticos específicos son responsables de cientos de
síndromes específicos que, en conjunto, son más frecuentes que todas las
enfermedades monogénicas juntas. Las anomalías citogenéticas están
presentes en cerca del 1% de los nacidos vivos, en alrededor del 2% de las
gestaciones de mujeres mayores de 35 años que se someten a diagnóstico
prenatal y en aproximadamente la mitad de todos los abortos espontáneos
del primer trimestre de la gestación.
El espectro del análisis que va desde los cambios visibles al microscopio en
el número y estructura de los cromosomas a las anomalías de la estructura y
la secuencia del genoma detectables a nivel de la secuenciación del genoma
completo, abarca literalmente todo el campo de la genética médica (v. fig. 51). En este capítulo, se presentan los principios generales del análisis
cromosómico y genómico, con especial atención a las mutaciones
cromosómicas y las mutaciones regionales introducidas en el capítulo
anterior. El análisis se restringe a los trastornos debidos a desequilibrio
DrBurgos
151
genómico, ya sea para los cientos o miles de genes que se encuentran en los
cromosomas individuales o para un número menor de genes localizados en
una región cromosómica particular. La aplicación de estos principios a
algunos de los trastornos cromosómicos y genómicos más frecuentes y mejor
conocidos se presenta después en el capítulo 6.
DrBurgos
152
Introducción a la citogenética y al análisis
genómico
En los capítulos 2 y 3 se introdujeron la organización y la morfología de los
cromosomas humanos, así como su composición molecular y genómica. Para
el análisis cromosómico que se lleva a cabo por motivos clínicos, las células
tienen que ser capaces de proliferar en cultivo. Las células más accesibles que
cumplen estos requisitos son los leucocitos de la sangre, en especial los
linfocitos T. Para preparar un cultivo a corto plazo de estas células que
permita su análisis citogenético, se obtiene una muestra de sangre periférica y
se recogen los leucocitos, se colocan en un medio de cultivo tisular y se
estimulan para que se dividan. Al cabo de unos cuantos días, las células en
división se detienen en la metafase mediante la aplicación de agentes
químicos que inhiben el huso mitótico. Las células se tratan con una solución
hipotónica para liberar los cromosomas, que a continuación se fijan, se
extienden sobre un portaobjetos y se tiñen con una de las técnicas
disponibles, según el procedimiento diagnóstico concreto que se vaya a
realizar. En este momento los cromosomas ya están listos para su análisis.
Aunque los cultivos celulares preparados a partir de sangre periférica son
idóneos para el análisis clínico rápido, tienen la desventaja de que su
duración es breve (3-4 días). Hay varios tejidos que se mantienen en cultivo a
largo plazo, lo que permite su almacenamiento y la realización de estudios
adicionales. La biopsia de piel, que es un procedimiento quirúrgico menor,
puede proporcionar muestras de tejido que en cultivo producen fibroblastos.
Estas células pueden utilizarse para varios tipos de estudios bioquímicos y
moleculares, así como para los análisis cromosómicos y genómicos. Los
leucocitos de la sangre pueden transformarse en cultivo formando células
linfoblastoides, que son potencialmente inmortales. La médula ósea tiene la
ventaja de que contiene una elevada proporción de células en división, de
manera que requieren poco o ningún cultivo; sin embargo, sólo puede
obtenerse por el procedimiento relativamente invasivo de una biopsia de
médula ósea. Su utilidad principal es el diagnóstico en los casos de sospecha
de tumores malignos hematológicos. Las células fetales obtenidas del líquido
amniótico (amniocitos) o mediante biopsia de las vellosidades coriónicas
también pueden cultivarse para análisis citogenéticos, genómicos,
bioquímicos o moleculares. Las células obtenidas mediante biopsia de las
vellosidades coriónicas pueden ser analizadas directamente tras la biopsia,
sin necesidad de cultivo. Como dato destacable, se encuentran pequeñas
cantidades de DNA fetal libre en el plasma materno, que pueden analizarse
mediante secuenciación del genoma completo (hay una exposición más
detallada en el cap. 17).
El análisis molecular del genoma, incluida la secuenciación del genoma
completo, se puede llevar a cabo sobre cualquier material clínico apropiado,
DrBurgos
153
siempre y cuando sea posible obtener DNA de buena calidad para este
objetivo. No es necesario que las células estén en fase de división, por lo que
es posible estudiar el DNA en muestras de tejidos y tumores, así como
también en muestras de sangre periférica. Decidir cuál es el método más
apropiado para un fin diagnóstico o de investigación particular es un área en
rápida evolución a medida que la resolución, sensibilidad y facilidad del
análisis cromosómico y genómico aumentan (v. cuadro).
I ndica cione s clínica s pa r a e l a ná lisis cr om osóm ico y
ge nóm ico
El análisis cromosómico está indicado como un procedimiento diagnóstico
sistemático para la evaluación de una serie de trastornos específicos que se
presentan en medicina clínica. En algunas situaciones clínicas generales
conviene efectuar un análisis citogenético y genómico:
• Problemas en el crecimiento y desarrollo tempranos. Los problemas de
crecimiento, el retraso del desarrollo, la dismorfología facial, las
malformaciones múltiples, la talla baja, los genitales ambiguos y la
discapacidad intelectual son hallazgos frecuentes en niños con anomalías
cromosómicas. A menos que ya exista un diagnóstico no cromosómico
definitivo, debería realizarse un análisis cromosómico y genómico en los
pacientes que presenten cualquier combinación de estos problemas.
• Mortinatos y muerte neonatal. La incidencia de anomalías cromosómicas
es mucho mayor entre los mortinatos (hasta el 10%) que entre los nacidos
vivos (alrededor del 0,7%). También es elevada entre los niños que mueren
durante el período neonatal (alrededor del 10%). Es necesario el análisis
cromosómico en todos los casos de mortinatos y de muerte neonatal en los
que no hay un motivo claro para descartar una anomalía cromosómica. En
estos casos, el cariotipo (u otro método exhaustivo de análisis del genoma)
es esencial para un asesoramiento genético adecuado y puede proporcionar
información importante para el diagnóstico prenatal en gestaciones futuras.
• Problemas de fertilidad. Los estudios cromosómicos están indicados en
mujeres con amenorrea y en parejas con antecedentes de infertilidad o de
aborto recurrente. En una proporción considerable (del 3-6%) de los casos
con infertilidad o con dos o más abortos, uno de los dos miembros de la
pareja sufre una anomalía cromosómica.
• Antecedentes familiares. La detección o la sospecha de una anomalía
cromosómica en un familiar de primer grado es una indicación para
realizar el análisis cromosómico y genómico.
• Tumores. La práctica totalidad de los cánceres se asocia a una o más
anomalías cromosómicas (v. cap. 15). La evaluación cromosómica y
genómica en el propio tumor o en la médula ósea en casos de tumores
malignos hematológicos puede proporcionar información útil sobre el
diagnóstico y el pronóstico.
• Embarazo. Existe un incremento del riesgo de anomalías cromosómicas en
DrBurgos
154
fetos concebidos por mujeres de edad avanzada, que suele definirse como
superior a 35 años (v. cap. 17). En estas gestaciones se debe ofrecer un
análisis cromosómico y genómico fetal como parte de la asistencia prenatal.
En la actualidad, se dispone de un método no invasivo de cribado para los
trastornos cromosómicos más frecuentes que usa la secuenciación del
genoma completo, que puede usarse en las mujeres embarazadas de
cualquier edad.
Identificación de los cromosomas
Los 24 tipos de cromosomas existentes en el genoma humano se pueden
identificar fácilmente a nivel citológico mediante técnicas de tinción
específicas. La más frecuente de ellas es el método de Giemsa (bandas G),
que se desarrolló a comienzos de la década de 1970 y fue la primera
herramienta analítica del genoma completo usada ampliamente para la
investigación y el diagnóstico clínico (v. figs. 2-1 y 2-10). Ha sido el más
utilizado para la detección y caracterización de anomalías genómicas
estructurales y numéricas en el contexto del diagnóstico clínico para los
trastornos tanto constitucionales (postnatales o prenatales) como adquiridos
(cáncer).
La técnica de bandas G y otros procedimientos de tinción pueden utilizarse
para describir los cromosomas individuales y sus variantes o anomalías
empleando un sistema aceptado internacionalmente de clasificación de los
cromosomas. En la figura 5-2 se expone un esquema del patrón de bandas de
un conjunto de cromosomas humanos en metafase que ilustra la distribución
de bandas claras y oscuras alternas utilizadas para la identificación
cromosómica. El patrón de bandas de cada cromosoma se numera en cada
brazo desde el centrómero hacia el telómero, tal como se observa con detalle
en la figura 5-3 respecto a varios cromosomas. La identidad de cualquier
banda concreta (y, por tanto, las secuencias de DNA y los genes presentes en
ella), puede describirse de forma precisa y sin ambigüedad utilizando este
sistema de numeración basado en características regionales y jerárquicas.
DrBurgos
155
FIGURA 5-2 Ideograma que muestra los patrones de bandas G de los
cromosomas humanos en metafase, con alrededor de 400 bandas por
cariotipo haploide.
Los cromosomas se representan con las cromátidas hermanas juntas y no se
visualizan como entidades separadas. Los centrómeros se indican por la
constricción primaria y regiones de color gris oscuro que separan los brazos p y q.
Por conveniencia y claridad sólo se han numerado las bandas G-oscuras. En la
figura 5-3 aparecen numeradas todas las bandas. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
156
FIGURA 5-3
Ejemplos de patrones de bandas G para los cromosomas 5, 6
y 7 en el estado de condensación de 550 bandas.
La numeración de las bandas permite la identificación sin ambigüedad de cada
banda G clara y oscura; por ejemplo, cromosoma 5p15.2 o cromosoma 7q21.2.
Véase Créditos de figuras.
Los cromosomas humanos se clasifican a menudo en tres tipos que pueden
distinguirse con facilidad en metafase por la posición de su centrómero (la
constricción primaria visible en metafase) (v. fig. 5-2): metacéntricos, con el
centrómero más o menos central y los brazos de una longitud más o menos
similar; submetacéntricos, con el centrómero desplazado hacia un lado y los
brazos de longitud claramente desigual, y acrocéntricos, con el centrómero
cerca de un extremo. Un posible cuarto tipo, el telocéntrico, con el
centrómero en un extremo y sólo un brazo, no existe en el cariotipo humano
normal, pero se observa en algunos reordenamientos cromosómicos. Los
cromosomas humanos acrocéntricos (cromosomas 13, 14, 15, 21 y 22) poseen
pequeñas masas de cromatina, denominadas satélites, unidas a sus brazos
cortos por estrechos pedículos (denominadas constricciones secundarias). Los
DrBurgos
157
satélites de estos cinco pares de cromosomas contienen cientos de copias de
genes para el RNA ribosómico (el componente principal de los ribosomas; v.
cap. 3), así como una cierta variedad de secuencias repetitivas.
Además de los cambios del patrón de bandas, en ocasiones se observan
espacios sin tinción (denominados sitios frágiles) en localizaciones
particulares en varios cromosomas que son propensos a inestabilidad
genómica regional. Se conocen más de 80 sitios frágiles frecuentes, muchos de
los cuales son variantes heredables. Una pequeña proporción de sitios frágiles
se asocia con trastornos clínicos específicos; el sitio frágil en el que se ha
demostrado con más claridad su relevancia clínica se sitúa cerca del final del
brazo largo del cromosoma X en los varones y se asocia a una forma
específica y frecuente de discapacidad intelectual ligada al X, el síndrome del
X frágil (Caso 17), y también está presente en algunas mujeres portadoras del
mismo defecto genético.
Análisis cromosómico de alta resolución
El cariotipo estándar con bandas G, con una resolución de 400-550 bandas,
como se observa en una preparación de metafase típica, permite detectar
deleciones y duplicaciones mayores de alrededor de 5-10 Mb en cualquier
lugar del genoma (v. fig. 5-1). Sin embargo, la sensibilidad de las bandas G
con esta resolución puede ser menor en regiones del genoma en las que los
patrones de bandas son menos específicos.
Para aumentar la sensibilidad del análisis cromosómico, se usa el método
de bandeo de alta resolución (también denominado bandeo de prometafase)
mediante la tinción de los cromosomas que se han obtenido en una etapa
precoz de la mitosis (profase o prometafase), cuando todavía están en un
estado relativamente descondensado (v. cap. 2). El bandeo de alta resolución
es especialmente útil cuando se sospecha la existencia de una pequeña
anomalía estructural en un cromosoma. La tinción de los cromosomas en
prometafase puede mostrar hasta 850 bandas, o más, en una serie haploide,
aunque este método suele sustituirse en la actualidad por el análisis de
micromatrices (v. después). En la figura 5-4 se recoge una comparación de los
patrones de bandeo de un cromosoma con tres niveles de resolución, lo que
demuestra el incremento de precisión diagnóstica que se logra con estos
cromosomas más largos. El desarrollo del análisis cromosómico de alta
resolución a principios de la década de 1980 permitió el descubrimiento de
varios síndromes de microdeleción nuevos causados por deleciones o
duplicaciones genómicas menores en el rango de tamaño de 2-3 Mb (v. fig. 51). Sin embargo, este método es muy laborioso y técnicamente difícil, lo que
impide su uso rutinario para el análisis del genoma completo.
DrBurgos
158
FIGURA 5-4 El cromosoma X. Ideograma y fotomicrografías en metafase,
prometafase y profase (de izquierda a derecha). Véase Créditos de figuras.
Hibridación in situ fluorescente
La técnica dirigida de bandeo cromosómico de alta resolución se sustituyó
ampliamente a comienzos de la década de 1990 por la hibridación in situ
fluorescente (FISH), un método para detectar la presencia o ausencia de una
secuencia particular de DNA o para evaluar el número o la organización de
un cromosoma o de una región cromosómica in situ (literalmente, «en el
sitio») en la célula. Esta convergencia de métodos genómicos y citogenéticos
(que se puede denominar citogenética molecular, citogenómica o cromonómica)
expandió drásticamente tanto el ámbito como la precisión del análisis
cromosómico en la práctica clínica rutinaria.
La tecnología FISH aprovecha la disponibilidad de colecciones ordenadas
de clones de DNA recombinante que contienen DNA de todo el genoma,
generados originariamente como parte del Proyecto Genoma Humano. Los
clones que contienen secuencias de DNA humano específicas pueden usarse
como sondas para detectar la región correspondiente del genoma en
preparaciones cromosómicas o en núcleos en interfase para diversos fines de
investigación y diagnósticos, como se muestra en la figura 5-5:
• Pueden utilizarse sondas específicas de DNA marcadas con diferentes
fluorocromos para cromosomas, regiones cromosómicas o genes, con el fin
de identificar reordenamientos cromosómicos particulares o para
diagnosticar rápidamente la existencia de un número anómalo de
cromosomas en el material clínico.
• Las sondas de DNA repetitivo permiten la detección de DNA satélite u
otros elementos repetitivos del DNA situados en regiones cromosómicas
específicas. Las sondas de DNA satélite, especialmente las que pertenecen a
la familia de satélites α de las repeticiones centroméricas (v. cap. 2), se
utilizan ampliamente para determinar el número de copias de un
determinado cromosoma.
DrBurgos
159
FIGURA 5-5 Hibridación in situ fluorescente de cromosomas humanos en
metafase e interfase, utilizando distintos tipos de sondas de DNA.
Superior: sondas de copia simple de DNA específicas para secuencias en el seno
de las bandas 4q12 (fluorescencia roja) y 4q31.1 (fluorescencia verde). Inferior,
sondas de DNA satélite α repetitivo específicas para los centrómeros de los
cromosomas 18 (azul-agua), X (verde), e Y (rojo). Véase Créditos de figuras.
Aunque la tecnología FISH proporciona una resolución y especificidad
mucho mayores que el análisis cromosómico con bandeo G, no permite un
análisis eficiente de todo el genoma, por lo que su uso se ve limitado por la
necesidad de dirigirse a una región genómica específica en función de un
diagnóstico o sospecha clínica.
Análisis genómico mediante micromatrices
Aunque el cariotipo con bandas G sigue siendo la prueba diagnóstica de
primera línea para la mayoría de las aplicaciones clínicas, se ha completado o
incluso sustituido por métodos del genoma completo para detectar
desequilibrios del número de copias con mayor resolución (v. fig. 5-1),
ampliando el concepto del análisis dirigido mediante FISH para evaluar todo
el genoma. En lugar de evaluar las células y cromosomas in situ con una
sonda cada vez, las técnicas de micromatrices cromosómicas analizan
simultáneamente todo el genoma representado como una matriz ordenada de
segmentos genómicos en un portaobjetos microscópico que contiene
segmentos de DNA solapados o espaciados de forma regular y que
representan todo el genoma. En un método basado en la hibridación
genómica comparativa (CGH), se detectan las ganancias y pérdidas del
número relativo de copias en el genoma completo mediante la hibridación de
DrBurgos
160
dos muestras (un genoma de control y una de un paciente) con estas
micromatrices. Un exceso de secuencias en alguno de los genomas indica una
sobrerrepresentación o una infrarrepresentación de estas secuencias en el
genoma del paciente respecto al control (fig. 5-6). Un método alternativo
utiliza «matrices de polimorfismos de un único nucleótido (SNP)» que
contienen versiones de secuencias correspondientes a los dos alelos de varios
SNP del genoma (como se comentó en el cap. 4). En este caso, la
representación relativa y la intensidad de alelos en distintas regiones del
genoma indican si un cromosoma o región cromosómica está presente en la
dosis adecuada (v. fig. 5-6).
FIGURA 5-6
Micromatriz cromosómica para detectar la dosis cromosómica
y genómica.
A, Esquema de un análisis de matriz basado en hibridación genómica
comparativa (CGH), donde el genoma de un paciente (indicado en color verde) se
cohibrida en la matriz con un genoma de referencia usado como control (indicado
en color rojo). Las sondas se mezclan y se deja que se hibriden con sus
secuencias complementarias en la matriz. Las intensidades relativas de
hibridación de las dos sondas se miden, lo que indica una dosis equivalente entre
ambos genomas (amarillo), o bien una ganancia (verde) o pérdida relativa (rojo)
en la muestra del paciente. B, Resultado típico donde se representa el logaritmo
de las proporciones de fluorescencia como función de la posición a lo largo del
genoma. C, Resultado de CGH en matriz para un paciente con síndrome de Rett
(Caso 40), que indica una duplicación de alrededor de 800 kb en la banda Xq28
que contiene el gen MECP2. Se representa el LogR de las proporciones de
fluorescencia a lo largo de la longitud del cromosoma X. Cada punto representa la
proporción para una secuencia individual en la matriz. Las secuencias
correspondientes al gen MECP2 y su región circundante están duplicadas en el
genoma del paciente, lo que provoca un aumento de la proporción, indicado por la
flecha verde y el recuadro sombreado en esa región del cromosoma. Véase Créditos
de figuras.
DrBurgos
161
Para el análisis clínico rutinario cuando se sospechan trastornos
cromosómicos, la separación de las sondas en la matriz proporciona una
resolución de hasta 250 kb en una porción completa del genoma humano. Se
puede utilizar una densidad mayor de sondas para lograr una resolución aún
mayor (<25-50 kb) en regiones con un interés clínico particular, como las que
se asocian con trastornos del desarrollo conocidos o anomalías congénitas (v.
fig. 5-6; v. otros ejemplos en el cap. 6). Esta estrategia, que se está aplicando
en un número cada vez mayor de laboratorios clínicos, complementa el
cariotipado convencional y proporciona una evaluación del genoma con
niveles mucho mayores de sensibilidad y resolución. Las micromatrices se
han usado con éxito para identificar anomalías cromosómicas y genómicas en
niños con casos idiopáticos de trastornos del desarrollo, discapacidad
intelectual o malformaciones congénitas, y se han encontrado varias
alteraciones genómicas patógenas que no eran detectables mediante el
bandeo G convencional. Basándose en este aumento significativo del
rendimiento, las matrices del genoma completo están sustituyendo al
cariotipado con bandas G como prueba de primera línea sistemática en
algunas poblaciones de pacientes.
Sin embargo, hay que mencionar dos limitaciones importantes de esta
tecnología. En primer lugar, los métodos basados en matrices sólo miden el
número relativo de copias de secuencias de DNA, pero no si estas secuencias
han presentado translocación o reordenamiento con respecto a su(s)
posición(es) normal(es) en el genoma. Por tanto, la confirmación de las
posibles alteraciones cromosómicas o genómicas mediante cariotipado o FISH
es importante para determinar la naturaleza de una alteración y, por tanto, su
riesgo de recurrencia, tanto en el individuo como en los miembros de su
familia. En segundo lugar, el análisis genómico de alta resolución puede
revelar la existencia de variantes, en particular, de diferencias pequeñas en el
número de copias, cuyo significado clínico es incierto. Incluso en la población
general se está documentando y catalogando un número cada vez mayor de
estas variantes. Como se ha visto en el capítulo 4, es probable que muchas
sean variantes del número de copias benignas. Su existencia subraya la
naturaleza única del genoma de cada individuo y pone de relieve las
dificultades diagnósticas de la interpretación de lo que se considera un
cariotipo «normal» y de lo que posiblemente sea un genoma patológico
Análisis genómico mediante secuenciación del
genoma completo
En el extremo contrario del mismo espectro que el análisis citogenético y el
análisis de micromatrices, la resolución definitiva para realizar las pruebas
clínicas destinadas a detectar trastornos cromosómicos y genómicos debería
consistir en secuenciar genomas de pacientes en su totalidad. De hecho, como
la eficacia de la secuenciación del genoma completo ha aumentado y sus
costes han disminuido, cada vez resulta más práctico plantear la
DrBurgos
162
secuenciación de muestras de pacientes en un contexto clínico (v. fig. 5-1).
Los principios en los que se basa este enfoque son sencillos, ya que el
número y la composición de cualquier segmento particular del genoma de un
individuo se reflejarán en las secuencias de DNA generadas a partir de ese
genoma. Aunque las secuencias obtenidas de forma rutinaria con la
tecnología actual suelen ser cortas (de alrededor de 50-500 pb) en
comparación con el tamaño de un cromosoma o incluso de un único gen, es
probable que un genoma con una representación anormalmente alta o baja de
esas secuencias de un cromosoma o segmento cromosómico en especial tenga
una anomalía numérica o estructural de ese cromosoma. Para detectar
anomalías numéricas de un cromosoma entero, no suele ser necesario
secuenciar por completo un genoma; incluso un número limitado de
secuencias correspondientes a un cromosoma particular de interés debería
mostrar si esas secuencias se encuentran en el número esperado (p. ej.,
equivalente a dos copias por genoma diploide para un autosoma) o si están
sobrerrepresentadas o infrarrepresentadas significativamente (fig. 5-7). Este
concepto se está aplicando en la actualidad al diagnóstico prenatal de
desequilibrio cromosómico fetal (v. cap. 17).
FIGURA 5-7 Estrategias para la detección de anomalías cromosómicas
numéricas y estructurales mediante análisis del genoma completo.
Aunque aquí sólo se ilustra esquemáticamente un pequeño número de lecturas,
en la práctica se analizan muchos millones de lecturas de secuencias y se alinean
con el genoma de referencia para obtener un soporte estadísticamente
significativo a fin de diagnosticar una aneuploidía o una anomalía cromosómica
estructural. A, Alineamiento de lecturas de secuencias del genoma de un paciente
con la secuencia de referencia de tres cromosomas individuales. La
sobrerrepresentación de las secuencias del cromosoma rojo indica que el
paciente es aneuploide para este cromosoma. B, El alineamiento de las lecturas
de secuencias del genoma del paciente con la secuencia de referencia de dos
cromosomas muestra varias lecturas que contienen secuencias contiguas de
ambos cromosomas, lo que indica una translocación en el genoma del paciente
que implica a los cromosomas azul y naranja en las posiciones indicadas por las
líneas de puntos.
DrBurgos
163
Sin embargo, para detectar reordenamientos equilibrados del genoma, en
los que no se gana ni se pierde DNA, se requiere una secuencia genómica más
completa. En este caso, en lugar de las secuencias que se corresponden
perfectamente con la secuencia de referencia del genoma humano, se
encuentran secuencias raras que corresponden a dos regiones diferentes y
normalmente no contiguas en la secuencia de referencia (en el mismo
cromosoma o en cromosomas diferentes) (v. fig. 5-7). Este método se ha
utilizado para identificar los genes específicos implicados en algunos tipos de
cáncer, y en niños con diversos defectos congénitos debidos a translocaciones,
que implican la yuxtaposición de secuencias que normalmente se localizan en
cromosomas diferentes (v. caps. 6 y 15).
DrBurgos
164
Anomalías cromosómicas
Las anomalías de los cromosomas pueden ser numéricas o estructurales, y
pueden afectar a uno o a más autosomas, cromosomas sexuales o a ambos
simultáneamente. La incidencia global de las anomalías cromosómicas es de
alrededor de 1/154 nacidos vivos (fig. 5-8), por lo que su impacto es
considerable, tanto en medicina clínica como para la sociedad. Con mucha
diferencia, el tipo más frecuente de anomalía cromosómica con repercusión
clínica es la aneuploidía, un número de cromosomas anormal debido a un
cromosoma extra o ausente. Un cariotipo aneuploide se asocia siempre con
anomalías físicas y/o mentales. Las anomalías estructurales
(reordenamientos que implican a uno o más cromosomas) son también
relativamente frecuentes (v. fig. 5-8). Dependiendo de si un reordenamiento
estructural provoca o no un desequilibrio del contenido genómico, puede
tener o no un efecto fenotípico. Sin embargo, como se explica más adelante en
este capítulo, incluso las anomalías cromosómicas equilibradas pueden
conllevar un riesgo mayor de que la descendencia presente problemas en la
siguiente generación.
FIGURA 5-8 Incidencia de anomalías cromosómicas en estudios de recién
nacidos, basada en el análisis cromosómico de más de 68.000 recién nacidos.
Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
165
Las anomalías cromosómicas se describen utilizando una serie de
abreviaturas y una nomenclatura estandarizadas que indican la naturaleza de
la alteración y (en el caso de los análisis realizados mediante FISH o
micromatrices) la tecnología utilizada para detectarla. Algunas de las
abreviaturas más frecuentes y ejemplos de cariotipos anómalos y de
alteraciones se recogen en la tabla 5-1.
Tabla 5-1
Algunas abreviaturas utilizadas para la descripción de los cromosomas
y de sus alteraciones, con ejemplos representativos
Abreviaturas de Shaffer LG, McGowan-Jordan J, Schmid M, editores: ISCN 2013: an international system
for human cytogenetic nomenclature, Basilea, 2013, Karger.
Dosis génica, equilibrio y desequilibrio
DrBurgos
166
En los trastornos cromosómicos y genómicos, la causa subyacente consiste en
los aspectos cuantitativos de la expresión génica, a diferencia de los trastornos
monogénicos, donde a menudo la patogenia refleja los aspectos cualitativos de
la función de un gen. Las consecuencias clínicas de cualquier anomalía
cromosómica particular dependerán del desequilibrio resultante de partes del
genoma, de los genes específicos contenidos en la anomalía o afectados por
ella, y de la probabilidad de su transmisión a la siguiente generación.
El concepto central en los trastornos cromosómicos y genómicos es el de la
dosis génica y su equilibrio o desequilibrio. Como se verá en capítulos
posteriores, este mismo concepto suele aplicarse a la hora de considerar
algunos trastornos monogénicos y su base mutacional subyacente (v. caps. 7,
11 y 12); sin embargo, siempre es importante en las anomalías cromosómicas,
donde suele prestarse más atención a la dosis de los genes situados en la
región cromosómica de interés que a la secuencia normal o anormal real de
dichos genes. En este caso, la secuencia de los genes suele ser bastante
irrelevante y no provocaría ningún trastorno clínico salvo porque su dosis es
incorrecta.
La mayoría de los genes del genoma humano están presentes en dos dosis
y se expresan a partir de ambas copias. Sin embargo, algunos genes se
expresan a partir de una sola copia (p. ej., los genes con impronta y los
ligados al cromosoma X sometidos a la inactivación del mismo; v. cap. 3). Un
análisis extenso de casos clínicos ha demostrado que la dosis relativa de estos
genes es crucial para el desarrollo normal. La presencia de una o de tres dosis
en lugar de dos no suele permitir la función normal de un gen o conjunto de
genes que suelen expresarse a partir de dos copias. De manera similar, las
anomalías de la impronta genómica o de la inactivación del cromosoma X que
causan la expresión anómala de dos copias de un gen o conjunto de genes en
lugar de una, dan lugar a trastornos clínicos.
Predecir los resultados clínicos de los trastornos cromosómicos y
genómicos puede constituir un reto de enorme dificultad para el
asesoramiento genético, sobre todo en el contexto prenatal. Muchos de estos
dilemas diagnósticos se presentarán a lo largo de esta sección y en los
capítulos 6 y 17, pero hay varios principios generales que deben tenerse en
cuenta al analizar los tipos específicos de anomalías cromosómicas en las
secciones siguientes (v. cuadro).
Ca r iotipos y ge nom a s de se quilibr a dos e n na cidos
vivos: dir e ctr ice s ge ne r a le s pa r a e l a se sor a m ie nto
ge né tico
• Las monosomías son más perjudiciales que las trisomías. Las monosomías
completas no suelen ser viables, excepto la monosomía del cromosoma X.
Las trisomías completas son viables para los cromosomas 13, 18, 21, X e Y.
• El fenotipo en la aneuploidía parcial depende de varios factores, entre los
que se incluyen el tamaño del segmento desequilibrado, las regiones
DrBurgos
167
afectadas del genoma, los genes implicados y si el desequilibrio es una
monosomía o una trisomía.
• El riesgo en los casos de inversiones depende de la localización de la inversión con
respecto al centrómero y del tamaño del segmento invertido. Las inversiones que
no afectan al centrómero (inversiones paracéntricas) conllevan un riesgo
muy bajo de fenotipo anormal en la generación siguiente. Sin embargo, en
las inversiones que afectan al centrómero (inversiones pericéntricas), el
riesgo de malformaciones congénitas en los hijos puede ser significativo y
aumenta con el tamaño del segmento invertido.
• En los cariotipos en mosaico que presentan cualquier anomalía
cromosómica, el pronóstico es impredecible. El asesoramiento genético es
especialmente difícil, porque el grado de mosaicismo en los tejidos
implicados o en los estadios relevantes del desarrollo suele desconocerse.
Por tanto, la gravedad del fenotipo es imprevisible.
Anomalías del número de cromosomas
Un complemento cromosómico con un número de cromosomas que no sea 46
se dice que es heteroploide. Un múltiplo exacto del número haploide de
cromosomas (n) se dice que es euploide y cualquier otro número es
aneuploide.
Triploidía y tetraploidía
Además del número diploide (2n) característico de las células somáticas
normales, en ocasiones se observan en el material clínico otros complementos
cromosómicos euploides: el triploide (3n) y el tetraploide (4n). Tanto la
triploidía como la tetraploidía se han observado en fetos. La triploidía se
observa en el 1-3% de las fecundaciones reconocidas; aunque los niños
triploides pueden nacer vivos, no llegan a sobrevivir mucho tiempo. Entre los
pocos que sobreviven al menos hasta el final del primer trimestre de la
gestación la mayoría es el resultado de la fecundación de un óvulo con dos
espermatozoides (dispermia). Otros casos se deben a fallos en una de las
divisiones meióticas en cualquiera de los progenitores, que producen un
óvulo o un espermatozoide diploide. La expresión fenotípica de un cariotipo
triploide depende de la fuente del conjunto cromosómico extra; los triploides
con un conjunto extra de cromosomas maternos suelen abortarse
espontáneamente al principio del embarazo, mientras que los que tienen un
conjunto extra de cromosomas paternos tienen una placenta degenerativa
anómala, que da lugar a una mola hidatidiforme parcial, con un feto
pequeño. Los tetraploides son siempre 92,XXXX o 92,XXYY, y se deben
probablemente a un fallo de la finalización de una división temprana del
cigoto.
Aneuploidía
La aneuploidía es el trastorno cromosómico humano más común y el de
DrBurgos
168
mayor importancia clínica, y tiene lugar en al menos el 5% de todas las
gestaciones reconocidas. La mayoría de los pacientes aneuploides presenta
una trisomía (tres copias de un cromosoma en lugar del par normal) o, con
menos frecuencia, una monosomía (una sola copia en lugar del par normal).
Tanto la trisomía como la monosomía pueden ocasionar consecuencias
fenotípicas graves.
Puede producirse una trisomía de cualquier parte del genoma, pero la
trisomía de todo un cromosoma suele ser incompatible con la vida. La
trisomía más frecuente en nacidos vivos es, con mucho, la trisomía 21, la
constitución cromosómica existente en el 95% de los pacientes con síndrome
de Down (cariotipo 47,XX + 21 o 47,XY + 21) (fig. 5-9). Otras trisomías
observadas en nacidos vivos son la trisomía 18 y la trisomía 13. Es notable el
hecho de que estos autosomas (13, 18 y 21) son los tres con un número menor
de genes en su interior (v. fig. 2-7); presumiblemente, la trisomía de los
autosomas portadores de un número mayor de genes es letal en la mayor
parte de los casos. La monosomía de todo un cromosoma es casi siempre
letal, aunque una importante excepción es la monosomía del cromosoma X,
que causa el síndrome de Turner (Caso 47). Estos trastornos se describen con
mayor detalle en el capítulo 6.
DrBurgos
169
FIGURA 5-9
Métodos cromosómicos y genómicos para el diagnóstico de la
trisomía 21.
A, Cariotipo de un paciente varón con síndrome de Down, donde se observan 3
copias del cromosoma 21. B, Análisis de hibridación in situ fluorescente en
interfase usando sondas específicas de locus del cromosoma 21 (rojo, tres
puntos) y de un autosoma de control (verde, dos puntos). C, Detección de la
trisomía 21 en una paciente mujer mediante micromatriz cromosómica de genoma
completo. El aumento de la proporción de fluorescencia para las secuencias del
cromosoma 21 se indica con la flecha roja. D, Detección de la trisomía 21
mediante secuenciación del genoma completo y por la sobrerrepresentación de
secuencias del cromosoma 21. La representación normalizada de secuencias
para cromosomas individuales (±DE) en muestras cromosómicamente normales
se indica por la región sombreada en gris. Una proporción normalizada de
alrededor de 1,5 indica tres copias de secuencias del cromosoma 21 en lugar de
dos, lo que concuerda con la trisomía 21. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
170
Aunque no se conocen por completo las causas de la aneuploidía, el
mecanismo implicado con mayor frecuencia es la no disyunción meiótica. Se
trata de un fallo en la separación de un par de cromosomas durante una de
las dos divisiones meióticas, en general durante la meiosis I. Las
consecuencias genómicas de la no disyunción durante la meiosis I o la
meiosis II son diferentes (fig. 5-10). Si se produce un error durante la meiosis
I, el gameto con 24 cromosomas contiene los miembros paterno y materno del
par cromosómico. Si ocurre durante la meiosis II, el gameto con el
cromosoma extra contiene ambas copias del cromosoma paterno o ambas del
materno. (En sentido estricto, la consecuencia de un error en meiosis II se
refiere sólo al centrómero paterno o materno, ya que en general se ha
producido recombinación entre cromosomas homólogos en la meiosis I
precedente que produce diferencias entre las cromátidas y, por tanto, entre
los correspondientes cromosomas hijos; v. cap. 2.).
FIGURA 5-10 Las diferentes consecuencias de la no disyunción en la meiosis I
(centro) y en la meiosis II (derecha), comparadas con la disyunción normal
(izquierda). Si el error se produce en la meiosis I, los gametos contienen un
representante de ambos cromosomas del par 21 o carecen por completo de un
cromosoma 21. Si la no disyunción ocurre en la meiosis II, los gametos anormales
contienen dos copias de uno de los cromosomas 21 parentales (y no tienen copia
del otro) o no tienen cromosoma 21.
La disyunción correcta de un par de cromosomas homólogos en meiosis I
parece relativamente sencilla (v. fig. 5-10). Sin embargo, en realidad consiste
en una proeza de compleja ingeniería que requiere un control temporal y
espacial preciso sobre el alineamiento de los dos homólogos, sus conexiones
estrechas entre sí (sinapsis), sus interacciones con el huso meiótico y, por
último, su liberación y movimiento subsiguiente a los polos opuestos y a las
distintas células hijas. La tendencia de un par cromosómico a la no
disyunción se ha asociado con alteraciones de la frecuencia o del lugar de las
recombinaciones en meiosis I, que son cruciales para el mantenimiento de
sinapsis adecuadas. Un par cromosómico con pocas (o ninguna)
recombinaciones o con recombinaciones demasiado cercanas al centrómero o
a un telómero puede ser más susceptible a la no disyunción que un par
cromosómico con un número y una distribución de puntos de recombinación
DrBurgos
171
más típicos.
En algunos casos, la aneuploidía también puede deberse a una separación
prematura de las cromátidas hermanas en meiosis I en lugar de meiosis II. Si
esto ocurre, las cromátidas separadas pueden segregarse por azar a un óvulo
o a un corpúsculo polar, produciendo un gameto desequilibrado.
También se puede producir una no disyunción en una división mitótica
tras la formación del cigoto. Si ocurre esto en una etapa temprana, puede dar
lugar a un mosaicismo clínicamente significativo (v. apartado siguiente). En
algunas líneas celulares de tumores malignos y en algunos cultivos celulares,
la no disyunción mitótica puede ocasionar cariotipos extremadamente
anormales.
Anomalías de la estructura de los cromosomas
Los reordenamientos estructurales se producen como consecuencia de rotura,
recombinación o intercambio cromosómico, seguido de reconstitución en una
combinación anómala. Se pueden producir muchos tipos de reordenamientos
que, en conjunto, son menos frecuentes que las aneuploidías; en total, las
anomalías estructurales afectan a alrededor de uno de cada 375 recién nacidos
(v. fig. 5-8). De la misma manera que las anomalías numéricas, los
reordenamientos estructurales pueden estar presentes en todas las células de
una persona o en forma de mosaico.
Los reordenamientos estructurales se clasifican en equilibrados, si el
genoma tiene el complemento cromosómico normal, o desequilibrados, si
existe pérdida o ganancia de material. Evidentemente, esta clasificación
depende de la resolución del método(s) utilizado(s) para analizar un
reordenamiento particular (v. fig. 5-1); algunos que parecen ser equilibrados
en la técnica de bandeo de alta resolución, por ejemplo, pueden ser
desequilibrados cuando se estudian con micromatrices cromosómicas o con
análisis de secuencia del DNA. Algunos reordenamientos son estables,
capaces de pasar por las divisiones mitóticas y meióticas sin alterarse,
mientras que otros son inestables. En la figura 5-11 se muestran
esquemáticamente algunos de los tipos más frecuentes de reordenamientos
estructurales observados en cromosomas humanos.
DrBurgos
172
FIGURA 5-11
Reordenamientos estructurales de los cromosomas descritos
en el texto.
A, Deleciones terminales e intersticiales que generan fragmentos acéntricos, que
suelen perderse. B, Duplicación de un segmento cromosómico, que da lugar a
una trisomía parcial. C, Cromosoma en anillo con dos fragmentos acéntricos. D,
Generación de un isocromosoma del brazo largo de un cromosoma. E,
Translocación robertsoniana entre dos cromosomas acrocéntricos, que suele dar
lugar a un cromosoma pseudodicéntrico. Las translocaciones robertsonianas son
no recíprocas, y los brazos cortos de los cromosomas acrocéntricos se pierden. F,
Translocación entre dos cromosomas, con intercambio recíproco de los
segmentos translocados.
Reordenamientos desequilibrados
Los reordenamientos desequilibrados se detectan en alrededor de 1 de cada
1.600 nacidos vivos (v. fig. 5-8); el fenotipo suele ser anormal debido a la
existencia de deleción o duplicación de múltiples genes o (en algunos casos)
de ambas. La duplicación de parte de un cromosoma origina una trisomía
parcial para los genes de ese segmento; la deleción produce una monosomía
parcial. De forma general, cualquier cambio que distorsione el equilibrio de
dosis génica normal puede ocasionar un desarrollo anormal; se puede
producir un amplio rango de fenotipos, dependiendo del tipo de genes
específicos cuya dosis se altera en cada caso concreto.
Los reordenamientos estructurales grandes que conllevan el desequilibrio
de al menos unos millones de pares de bases se pueden detectar mediante las
técnicas de bandeo cromosómico convencional, incluyendo el cariotipado de
alta resolución. Sin embargo, la detección de cambios más pequeños requiere
un análisis de mayor resolución, como la FISH o el análisis con micromatrices
DrBurgos
173
cromosómicas.
Deleciones y duplicaciones
Las deleciones suponen la pérdida de un segmento de un cromosoma, lo que
origina un desequilibrio (v. fig. 5-11). Un portador de una deleción (con un
homólogo normal y el otro con la deleción) es monosómico para la
información génica del segmento correspondiente del homólogo normal. Las
consecuencias clínicas suelen reflejar haploinsuficiencia (literalmente, la
incapacidad de la copia única del material genético para llevar a cabo las
funciones que normalmente efectúan las dos copias) y, cuando son evaluadas,
su gravedad refleja el tamaño del segmento delecionado, así como el número
y las funciones de los genes específicos delecionados. Las deleciones
autosómicas citogenéticamente visibles tienen una incidencia aproximada de
1/7.000 nacidos vivos. Las deleciones submicroscópicas más pequeñas
detectadas mediante análisis con micromatrices son mucho más frecuentes,
pero –tal como ya se ha señalado– aún no se ha determinado el significado
clínico de muchas de estas variantes.
Una deleción puede producirse en el extremo de un cromosoma (deleción
terminal) o a lo largo de uno de sus brazos (deleción intersticial). Las
deleciones pueden originarse por una simple rotura cromosómica y pérdida
del segmento acéntrico. Durante el diagnóstico prenatal, o en el estudio de
pacientes dismórficos o de pacientes con discapacidad intelectual, se han
detectado numerosas deleciones; en el capítulo 6 se presentan ejemplos
específicos de estos casos.
Por lo general, las duplicaciones parecen menos peligrosas que las
deleciones. Sin embargo, debido a que la duplicación en un gameto produce
un desequilibrio cromosómico (una trisomía parcial) y, teniendo en cuenta
que las roturas cromosómicas que generan pueden alterar genes, las
duplicaciones se acompañan a menudo de algunas anomalías fenotípicas.
Cromosomas marcadores y en anillo
En ocasiones pueden verse, en las preparaciones cromosómicas, unos
cromosomas muy pequeños no identificados denominados cromosomas
marcadores, que suelen presentarse en forma de mosaico. En general,
constituyen un elemento extra en un complemento cromosómico por otra
parte normal, por lo que se denominan cromosomas supernumerarios o
cromosomas extra estructuralmente anómalos. La frecuencia prenatal de
cromosomas marcadores supernumerarios de novo se ha estimado en
aproximadamente 1 de cada 2.500. Debido a su tamaño pequeño y anodino,
suelen requerirse técnicas de análisis genómico de alta resolución para su
identificación precisa.
Los cromosomas marcadores más grandes contienen algún material de uno
o ambos brazos de un cromosoma, lo que crea un desequilibrio para los genes
que contienen. Dependiendo del origen del cromosoma marcador, el riesgo
de que ocasione una anomalía fetal puede variar entre muy poco y el 100%.
DrBurgos
174
Por razones que no se comprenden por completo, una proporción
relativamente alta de estos marcadores deriva del cromosoma 15 y de los
cromosomas sexuales.
Muchos cromosomas marcadores carecen de telómeros y son cromosomas
en anillo que se forman cuando un cromosoma sufre dos roturas y los
extremos rotos se unen en una estructura anular (v. fig. 5-11). Algunos anillos
presentan dificultades en la mitosis, cuando las dos cromátidas hermanas del
cromosoma en anillo se enredan en su intento de separarse (disyunción) en la
anafase. Puede producirse rotura del anillo seguida de fusión, y entonces se
genera un anillo más grande y otro más pequeño. Debido a esta inestabilidad
mitótica, no es infrecuente encontrar cromosomas en anillo en sólo una
proporción de células.
Isocromosomas
Un isocromosoma es un cromosoma en el que se ha perdido un brazo y el
otro se ha duplicado de forma especular (v. fig. 5-11). Por tanto, una persona
con 46 cromosomas portadora de un isocromosoma tiene una sola copia del
material genético de un brazo (monosomía parcial) y tres copias del material
genético del otro brazo (trisomía parcial). Aunque se han descrito
isocromosomas para varios autosomas, el isocromosoma más frecuente
corresponde al brazo largo del cromosoma X —denominado i(X)(q10)— en
una proporción de personas con síndrome de Turner (v. cap. 6). Asimismo, se
pueden observar isocromosomas con cierta frecuencia en cariotipos de
tumores sólidos y de tumores hematológicos malignos (v. cap. 15).
Cromosomas dicéntricos
Un cromosoma dicéntrico es un tipo infrecuente de cromosoma anómalo en el
que dos segmentos cromosómicos, cada uno con un centrómero, se fusionan
extremo con extremo. A pesar de tener dos centrómeros, los cromosomas
dicéntricos pueden ser mitóticamente estables si uno de los dos centrómeros
se inactiva epigenéticamente o si los dos centrómeros siempre coordinan sus
movimientos hacia uno de los polos durante la anafase. Estos cromosomas se
denominan pseudodicéntricos. Los cromosomas pseudodicéntricos más
comunes son los relacionados con los cromosomas sexuales y con los
acrocéntricos (denominadas translocaciones robertsonianas, v. más adelante).
Reordenamientos equilibrados
Los reordenamientos cromosómicos equilibrados se observan hasta en 1 de
cada 500 individuos (v. fig. 5-8) y no suelen tener efectos fenotípicos, porque
está presente todo el material genómico, aunque organizado de forma
diferente (v. fig. 5-11). Como ya se ha indicado, es importante diferenciar en
este punto entre reordenamientos verdaderamente equilibrados y
reordenamientos que, aunque parezcan equilibrados citogenéticamente, en
realidad están desequilibrados a nivel molecular. Dada la elevada frecuencia
DrBurgos
175
de polimorfismos relacionados con el número de copias en todo el genoma (v.
cap. 4), lo que en conjunto introduce diferencias de muchos millones de pares
de bases entre los genomas de individuos genéticamente no relacionados, el
concepto de lo que está y no está equilibrado está sujeto a investigaciones
constantes y a un perfeccionamiento continuo.
Incluso cuando están verdaderamente equilibrados, los reordenamientos
estructurales pueden suponer un riesgo para la siguiente generación, debido
a que los portadores pueden producir una proporción significativa de
gametos desequilibrados y presentar un riesgo mayor de tener descendencia
anormal con cariotipos desequilibrados; según el tipo de reordenamiento, el
riesgo puede variar entre el 1 y el 20%. También existe la posibilidad de que
una de las roturas cromosómicas afecte a un gen y produzca una mutación.
Esta es una causa cada vez mejor documentada de trastornos en portadores
de translocaciones balanceadas (v. cap. 6), sobre todo cuando se usa la
secuenciación del genoma completo para analizar la naturaleza de
reordenamientos aparentemente equilibrados en pacientes que presentan
fenotipos llamativos; estas translocaciones pueden ser una pista útil para
identificar el gen responsable de una enfermedad génica particular.
Translocaciones
Las translocaciones consisten en un intercambio de segmentos entre dos
cromosomas. Existen dos tipos principales: recíprocas y no recíprocas.
Translocaciones recíprocas
Este tipo de reordenamiento se debe a la rotura o recombinación de
cromosomas no homólogos con intercambio recíproco de los segmentos
desprendidos o recombinados (v. fig. 5-11). En general, sólo hay dos
cromosomas implicados, y como el intercambio es recíproco, el número de
cromosomas no cambia. Habitualmente, estas translocaciones carecen de
efecto fenotípico; sin embargo, al igual que ocurre con otros reordenamientos
estructurales equilibrados, se asocian a un riesgo elevado de gametos
desequilibrados y descendencia anormal. Suelen detectarse en el diagnóstico
prenatal o cuando se realiza un cariotipo de los progenitores de un niño
clínicamente anormal con una translocación desequilibrada. Las
translocaciones equilibradas son más frecuentes en las parejas que han tenido
dos o más abortos espontáneos y en varones infértiles que en la población
general.
La existencia de translocaciones plantea dificultades para el proceso de
emparejamiento cromosómico y recombinación homóloga durante la meiosis
(v. cap. 2). Cuando los cromosomas de un portador de una translocación
recíproca equilibrada se aparean en meiosis, tal como se muestra en la figura
5-12, deben formar un cuatrivalente para garantizar el alineamiento
adecuado de las secuencias homólogas (en lugar de los bivalentes típicos
observados con los cromosomas normales). En la segregación típica, dos de
los cuatro cromosomas del cuatrivalente se dirigen a cada polo en anafase; sin
DrBurgos
176
embargo, los cromosomas pueden segregarse de esta configuración de varias
formas, dependiendo de qué cromosoma vaya a cada polo. La segregación
alternante es la segregación meiótica usual y produce gametos equilibrados
con el complemento cromosómico normal o con los dos cromosomas
recíprocos. Sin embargo, otros patrones de segregación siempre producen
gametos desequilibrados (v. fig. 5-12).
FIGURA 5-12 A, Diagrama que muestra una translocación equilibrada entre dos
cromosomas, con un intercambio recíproco entre las porciones distales de los
brazos largos de los cromosomas A y B. B, La formación de un cuatrivalente en
meiosis es necesaria para alinear los segmentos homólogos de los dos
cromosomas derivados y sus homólogos normales. C, Patrones de segregación
en un portador de la translocación, que dan lugar a gametos equilibrados o
desequilibrados, mostrados en la parte inferior. La segregación adyacente-1 (en
rojo, cromosomas superiores a un gameto, cromosomas inferiores al otro) sólo da
lugar a gametos desequilibrados. La segregación adyacente-2 (en verde,
cromosomas izquierdos a un gameto, cromosomas derechos al otro) también da
lugar únicamente a gametos desequilibrados. Sólo la segregación alternante (en
gris, cromosomas superior izquierdo/inferior derecho a un gameto, inferior
izquierdo/superior derecho al otro) puede dar lugar a gametos equilibrados.
Translocaciones robertsonianas
Estas translocaciones son el reordenamiento más frecuente en nuestra especie
e implican dos cromosomas acrocéntricos que se fusionan cerca de sus
regiones centroméricas y pierden los brazos cortos (v. fig. 5-11). Estas
translocaciones son no recíprocas, y el cariotipo resultante tiene sólo 45
cromosomas, incluido el cromosoma translocado que, de hecho, está
compuesto por los brazos largos de dos cromosomas acrocéntricos. Como,
según se ha indicado antes, los brazos cortos de los cinco pares de
cromosomas acrocéntricos constan en gran medida de varias clases de DNA
satélite, así como de cientos de copias de genes de RNA ribosómico, la
pérdida de los brazos cortos de dos cromosomas acrocéntricos no es
DrBurgos
177
perjudicial; por tanto, el cariotipo se considera equilibrado, a pesar de tener
sólo 45 cromosomas. Las translocaciones robertsonianas suelen ser (aunque
no siempre) pseudodicéntricas (v. fig. 5-11), lo que refleja la localización del
punto de rotura en cada cromosoma acrocéntrico.
Aunque las translocaciones robertsonianas pueden consistir en cualquier
combinación de cromosomas acrocéntricos, hay dos que son relativamente
frecuentes: rob(13;14)(q10;q10) y rob(14;21)(q10;q10). La translocación que
implica a 13q y 14q se encuentra en alrededor de una de cada 1.300 personas,
y por tanto es, con mucha diferencia, el reordenamiento cromosómico más
común en nuestra especie. Se han descrito casos infrecuentes de personas con
dos copias del mismo tipo de translocación robertsoniana; estos individuos
con fenotipo normal sólo presentan 44 cromosomas y no tienen ninguna
copia normal de los cromosomas acrocéntricos implicados, que han sido
sustituidos por dos copias de la translocación.
A pesar de que un portador de una translocación robertsoniana sea
fenotípicamente normal, existe el riesgo de que produzca gametos
desequilibrados y, por tanto, de que tenga descendencia anormal. El riesgo de
que la descendencia esté afectada varía en función de la translocación
robertsoniana concreta y del sexo del progenitor portador; en general, las
mujeres portadoras muestran un riesgo mayor de transmitir la translocación a
su descendencia. La situación clínica más significativa en este tipo de
translocaciones se da en los portadores de una translocación robertsoniana
que implique al cromosoma 21, ya que tienen riesgo de tener un hijo con
síndrome de Down por translocación (se expone con mayor detalle en el cap.
6).
Inserciones
Una inserción es otro tipo de translocación no recíproca que ocurre cuando
un segmento desprendido de un cromosoma se inserta en otro cromosoma en
su orientación usual respecto al centrómero o invertido. Las inversiones son
relativamente raras porque requieren tres roturas cromosómicas. La
segregación anormal en un portador de una inserción puede producir
descendencia con duplicación o deleción del segmento insertado, así como
descendencia normal y portadores equilibrados. El riesgo promedio de tener
un hijo anormal puede ser de hasta del 50%, por lo que está indicado el
diagnóstico prenatal.
Inversiones
Una inversión se produce cuando un único cromosoma sufre dos roturas y
vuelve a reconstituirse con el segmento entre las dos roturas invertido. Las
inversiones son de dos tipos (fig. 5-13): paracéntricas, en las que ambas
roturas se producen en un brazo (del griego para, «al lado del centrómero»), y
pericéntricas, en las que existe una rotura en cada brazo (del griego peri,
«alrededor del centrómero»). Las inversiones pericéntricas son más fáciles de
identificar citogenéticamente cuando cambian la longitud de los brazos del
DrBurgos
178
cromosoma y el patrón de bandas.
FIGURA 5-13 Entrecruzamiento entre los bucles de inversión en meiosis I
en portadores de un cromosoma con el segmento B-C invertido (el orden es
A-C-B-D en lugar del orden normal A-B-C-D).
A, Inversión paracéntrica. Los gametos que se forman tras la segunda división
meiótica suelen contener una copia normal (A-B-C-D) o equilibrada (A-C-B-D) del
cromosoma, ya que los productos acéntricos y dicéntricos del entrecruzamiento
son inviables. B, Inversión pericéntrica. Los gametos que se forman tras la
segunda división meiótica pueden ser equilibrados (normales o invertidos) o
desequilibrados. Los gametos desequilibrados contienen una copia del
cromosoma con una duplicación o una deleción del material que flanquea el
segmento invertido (A-B-C-A o D-B-C-D).
En general, una inversión no causa un fenotipo anormal en portadores
debido a que se trata de un reordenamiento equilibrado. Su importancia
médica se relaciona con la descendencia; un portador de cualquier tipo de
inversión tiene un riesgo de producir gametos anormales que pueden
originar descendientes con desequilibrios debido a que, cuando existe una
inversión, se debe formar un bucle cromosómico para permitir el
alineamiento y el apareamiento de los segmentos homólogos de los
cromosomas normal e invertido en la meiosis I (v. fig. 5-13). Cuando se
produce la recombinación en el bucle, puede originar gametos
desequilibrados: gametos con complementos cromosómicos equilibrados
(normales o portadores de la inversión) y gametos con complementos
desequilibrados, dependiendo de la localización de los fenómenos de
DrBurgos
179
recombinación. Cuando la inversión es paracéntrica, los cromosomas
recombinantes desequilibrados son acéntricos o dicéntricos y no suelen
originar descendencia viable (v. fig. 5-13); por tanto, el riesgo de que un
portador de una inversión paracéntrica tenga un hijo vivo con un cariotipo
anormal es muy bajo.
Por otra parte, una inversión pericéntrica puede originar gametos
desequilibrados con duplicación y ausencia de segmentos cromosómicos (v.
fig. 5-13). Los segmentos duplicados y ausentes son los distales a la inversión.
Globalmente, el riesgo de que un portador de una inversión pericéntrica
tenga un hijo con un cariotipo desequilibrado se estima en el 5-10%. No
obstante, cada inversión pericéntrica tiene su propia cifra de riesgo, que suele
reflejar el tamaño y el contenido de los segmentos duplicado y ausente.
Mosaicismo de las anomalías cromosómicas
Cuando una persona tiene una anomalía cromosómica, tanto numérica como
estructural, ésta suele estar presente en todas sus células. Sin embargo, a
veces se hallan en un mismo individuo dos o más complementos
cromosómicos diferentes, y esta situación se denomina mosaicismo. El
mosaicismo se detecta característicamente mediante cariotipado
convencional, pero también se puede sospechar según los resultados del
análisis mediante FISH en interfase o con micromatrices cromosómicas.
Una causa frecuente de mosaicismo es la no disyunción en una división
mitótica poscigótica temprana. Por ejemplo, un cigoto con un cromosoma 21
adicional puede perder este cromosoma extra en una división mitótica y
continuar desarrollándose como un mosaico 46/47, + 21. Los efectos del
mosaicismo sobre el desarrollo prenatal varían dependiendo del momento de
la no disyunción, de la naturaleza de la anomalía cromosómica, de las
proporciones de los diferentes complementos cromosómicos y de los tejidos
afectados. Suele creerse que los individuos que son mosaicos para una
trisomía determinada, como el síndrome de Down en mosaico o el síndrome
de Turner en mosaico, tienen una afectación menos grave que los individuos
que no son mosaicos.
Cuando el mosaicismo se detecta en linfocitos, en líneas celulares
cultivadas o en muestras prenatales, puede ser difícil evaluar su relevancia,
sobre todo cuando se detecta en el período prenatal. Las proporciones de los
diferentes complementos cromosómicos que se analizan (p. ej., amniocitos o
linfocitos en cultivo) pueden no reflejar las proporciones presentes en otros
tejidos o en el embrión durante sus etapas tempranas de desarrollo. El
mosaicismo también puede surgir en células en cultivo después de que se
tomaran del individuo; por tanto, los citogenetistas intentan diferenciar entre
el mosaicismo verdadero, presente en el individuo, y el pseudomosaicismo,
que se ha producido en el laboratorio. Distinguir entre ambos no es siempre
fácil ni seguro y puede originar dificultades de interpretación considerables
en el diagnóstico prenatal (v. cuadro previo y cap. 17).
DrBurgos
180
Incidencia de las anomalías cromosómicas
En varios estudios poblacionales amplios, se ha determinado la incidencia de
diferentes tipos de alteraciones cromosómicas y se ha resumido previamente
en la figura 5-8. Los trastornos cromosómicos numéricos más frecuentes
observados en nacidos vivos son tres trisomías autosómicas (las trisomías de
los cromosomas 21, 18 y 13) y cuatro tipos de aneuploidías de los
cromosomas sexuales: el síndrome de Turner (generalmente 45,X), el
síndrome de Klinefelter (47,XXY), 47,XYY y 47,XXX (v. cap. 6). La triploidía y
la tetraploidía se observan en un reducido porcentaje de casos, por lo general
en abortos espontáneos. La clasificación y la incidencia de los defectos
cromosómicos medida en estos estudios poblacionales se pueden utilizar a la
hora de analizar la evolución de 10.000 embriones, tal como se muestra en la
tabla 5-2.
Tabla 5-2
Resultado de 10.000 embarazos*
*
Estas estimaciones se basan en las frecuencias observadas de las alteraciones cromosómicas en abortos
espontáneos y en nacidos vivos. Es probable que las frecuencias de las alteraciones cromosómicas en
todos los fetos sean mucho mayores que éstas, dado que un número importante de mujeres presentan un
aborto espontáneo antes de que se reconozcan clínicamente las alteraciones.
Nacidos vivos
Como ya se ha mencionado, la incidencia global de anomalías cromosómicas
en recién nacidos se estima en alrededor de 1 de cada 154 (0,65%) (v. fig. 5-8).
La mayoría de las anomalías autosómicas pueden diagnosticarse en el
momento del nacimiento, pero la mayor parte de las anomalías de los
cromosomas sexuales, a excepción del síndrome de Turner, no se reconocen
clínicamente hasta la pubertad (v. cap. 6). Los reordenamientos
DrBurgos
181
desequilibrados suelen llamar la atención desde el punto de vista clínico
debido a que habitualmente cursan con rasgos dismórficos y retraso mental y
físico en los individuos con anomalías cromosómicas. Por el contrario, los
reordenamientos equilibrados no se diagnostican clínicamente a no ser que
un portador tenga un hijo con un complemento cromosómico desequilibrado
y se estudie a la familia.
Abortos espontáneos
La frecuencia global de anomalías cromosómicas en abortos espontáneos es al
menos del 40-50% y los tipos difieren en varios sentidos de los que se
observan en los nacidos vivos. Resulta un tanto sorprendente constatar que la
anomalía individual más frecuente en los abortos es 45,X (la misma que se
observa en el síndrome de Turner), que supone casi el 20% de los abortos
espontáneos cromosómicamente anormales y menos del 1% de los nacidos
vivos con anomalías cromosómicas (v. tabla 5-2). Otra diferencia es la
distribución de los tipos de trisomías. Por ejemplo, la trisomía 16 no se
observa nunca en nacidos vivos, pero supone alrededor de una tercera parte
de las trisomías en abortos.
DrBurgos
182
Análisis cromosómico y genómico en el
cáncer
En este capítulo, nos hemos centrado en las anomalías cromosómicas
constitucionales que se observan en la mayoría o todas las células del
organismo y que derivan de mutaciones cromosómicas o regionales que se
han transmitido de un progenitor (ya sean heredadas o surgidas de novo en
la línea germinal de un progenitor) o que se han producido en el cigoto en las
primeras divisiones mitóticas.
Sin embargo, estas mutaciones también se producen en las células
somáticas durante toda la vida y son un rasgo distintivo del cáncer, tanto en
neoplasias hematológicas (p. ej., leucemias y linfomas) como en el contexto de
la progresión de un tumor sólido. Un área importante en la investigación del
cáncer es la delimitación de los cambios cromosómicos y genómicos en
formas específicas de cáncer y la relación de los puntos de rotura de los
diversos reordenamientos estructurales que dan lugar al proceso de
oncogénesis. Los cambios cromosómicos y genómicos observados en las
células cancerosas son muy abundantes y diversos. La asociación del análisis
citogenético y genómico con el tipo de tumor y con la eficacia terapéutica ya
es una parte importante del tratamiento de pacientes con cáncer; estos
aspectos se comentan en el capítulo 15.
DrBurgos
183
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P r oble m a s
1. Se remite una muestra de sangre de un lactante dismórfico a un laboratorio
de citogenética, que da un resultado del cariotipo del niño de 46,XY, del(18)
(q12).
a. ¿Cómo se interpreta este cariotipo?
b. El laboratorio solicita muestras de sangre de los padres, que son
clínicamente normales. ¿Por qué?
c. El laboratorio señala que el cariotipo de la madre es 46,XX y el del padre
46,XY,t(7;18)(q35;q12). ¿Cómo se interpreta este último cariotipo? Dibuje
la translocación del padre y de su hijo utilizando el dibujo de los
cromosomas normales de la figura 5-2. Dibuje los cromosomas o las
translocaciones cromosómicas implicados en el padre y su hijo. Dibuje
también los cromosomas del padre en la meiosis. ¿Qué tipo de gametos
DrBurgos
185
puede producir?
d. Con esta nueva información, ¿cómo interpreta ahora el cariotipo del
lactante? ¿Qué regiones son monosómicas? ¿Cuáles son trisómicas? Con
la información recogida en los capítulos 2 y 3, estime el número de genes
presentes en las regiones monosómicas y en las trisómicas.
2. Un feto abortado espontáneamente presenta trisomía 18.
a. ¿Qué proporción de fetos con trisomía 18 son abortados de forma
espontánea?
b. ¿Qué riesgo tienen los padres de tener un nacido vivo con trisomía 18 en
un embarazo futuro?
3. Una recién nacida con síndrome de Down tiene un cariotipo con dos líneas
celulares: el 70% de sus células presenta un cariotipo 47,XX, + 21 y el 30%
son normales 46,XX. ¿Cuándo ocurrió la no disyunción? ¿Qué pronóstico
tiene esta niña?
4. ¿Cuáles de las siguientes personas son fenotípicamente normales o se
espera que lo sean?
a. Una mujer con 47 cromosomas, incluyendo un pequeño cromosoma
supernumerario derivado de la región centromérica del cromosoma 15.
b. Una mujer con cariotipo 47,XX, + 13.
c. Un hombre con una deleción de una banda del cromosoma 4.
d. Una persona con una translocación recíproca equilibrada.
e. Una persona con una inversión pericéntrica del cromosoma 6.
¿Qué clase de gametos puede producir cada uno de estos individuos? ¿Qué
tipo de descendencia pueden tener, asumiendo que el otro progenitor es
cromosómicamente normal?
5. Señale si está indicado o no un análisis cromosómico o genómico en las
siguientes situaciones. ¿Para qué miembros de la familia (está indicado en
alguno de ellos)? ¿Para qué tipo de anomalía cromosómica presenta riesgo
la familia en cada caso?
a. Una mujer embarazada de 29 años y su marido de 41 años, ambos sin
historia de defectos genéticos.
b. Una mujer embarazada de 41 años y su marido de 29 años, ambos sin
historia de defectos genéticos.
c. Una pareja cuyo único hijo padece síndrome de Down.
d. Una pareja cuyo único hijo padece fibrosis quística.
e. Una pareja que tiene dos hijos con discapacidad intelectual grave.
6. Explique la naturaleza de las alteraciones cromosómicas y del método de
detección indicados por la nomenclatura siguiente.
a. inv(X)(q21q26)
b. 46,XX,del(1)(1qter → p36.2:)
c. 46,XX.ish del(15)(q11.2q11.2)(SNRPN −, D15S10 −)
d. 46,XX,del(15)(q11q13).ishdel(15)(q11.2q11.2)(SNRPN −, D15S10 −)
e. 46,XX.arrcgh1p36.3(RP11-319A11,RP11-58A11,RP11-92O17) × 1
f. 47,XY, + mar.ish r(8)(D8Z1 + )
g. 46,XX,rob(13;21)(q10;q10), + 21
DrBurgos
186
h. 45,XY,rob(13;21)(q10;q10)
7. Usando el sistema de nomenclatura de la tabla 5-1, describa los «cariotipos
moleculares» que corresponden a los datos de micromatrices de las figuras
5-6C y 5-9C.
a. Respecto a la figura 5-6C, el individuo cuyo resultado de la matriz se
muestra ¿es varón o mujer? ¿Cómo puede saberse?
b. Respecto a la figura 5-9C, el individuo cuyo resultado de la matriz se
muestra ¿es varón o mujer? ¿Cómo puede saberse?
DrBurgos
187
CAPÍTULO 6
DrBurgos
188
Bases cromosómicas y genómicas de
la enfermedad: trastornos de los
autosomas y de los cromosomas
sexuales
En este capítulo, se exponen varios de los trastornos cromosómicos y
genómicos más frecuentes y mejor conocidos que se encuentran en la práctica
clínica, basándose en los principios generales de la citogenética clínica y del
análisis genómico descritos en el capítulo anterior. Cada uno de los trastornos
que se presentan aquí ilustra los principios del equilibrio y desequilibrio de
dosis a nivel de los cromosomas y de las regiones subcromosómicas del
genoma. Debido a que muchos fenotipos que se observan en medicina
presentan mutaciones cromosómicas y subcromosómicas, en este capítulo se
incluye el espectro de trastornos caracterizados por discapacidad intelectual o
por anomalías o ambigüedad del desarrollo sexual. Aunque muchos de estos
trastornos pueden ser de tipo monogénico, la investigación clínica que evalúa
estos fenotipos suele incluir un análisis cromosómico y genómico detallado.
DrBurgos
189
Mecanismos de las anomalías
En esta sección se presentan las anomalías que ilustran los principales
mecanismos cromosómicos y genómicos que subyacen al desequilibrio
genético de cromosomas enteros o de regiones cromosómicas. En general, se
distinguen cinco categorías diferentes de estas anomalías, cada una de las
cuales puede causar trastornos de importancia clínica:
• Trastornos debidos a la segregación anormal de los cromosomas (no
disyunción).
• Trastornos debidos a síndromes cromosómicos recurrentes, que conllevan
deleciones o duplicaciones en puntos calientes genómicos.
• Trastornos debidos a anomalías cromosómicas idiopáticas, por lo general
de novo.
• Trastornos debidos a anomalías cromosómicas familiares desequilibradas.
• Trastornos debidos a fenómenos cromosómicos y genómicos que ponen de
manifiesto regiones de impronta genómica.
Las características distintivas de los mecanismos subyacentes se resumen
en la tabla 6-1. Aunque las categorías de los defectos resultantes de estos
mecanismos pueden afectar a cualquier cromosoma, aquí se describen en el
contexto de las anomalías autosómicas.
Tabla 6-1
Mecanismos de las alteraciones cromosómicas y del desequilibrio
genómico
Categoría
Segregación cromosómica
anormal
Síndromes cromosómicos
recurrentes
Anomalías cromosómicas
idiopáticas
Anomalías familiares
desequilibradas
Síndromes con impronta
genómica
Mecanismo subyacente
No disyunción
Consecuencias/Ejemplos
Aneuploidía (síndrome de Down, síndrome de Klinefelter)
Disomía uniparental
Recombinación en duplicaciones
Síndromes de duplicación/deleción
segmentarias
Variación del número de copias
Esporádicas, puntos de rotura variables Síndromes de deleción (síndrome del maullido de gato, síndrome
de deleción 1p36)
Translocaciones equilibradas de novo
Alteración génica
Segregación desequilibrada
Descendencia de translocaciones equilibradas
Descendencia de inversiones pericéntricas
Cualquier evento que muestre genes
Síndromes de Prader-Willi/Angelman
con impronta
DrBurgos
190
Aneuploidía
La mutación más frecuente en el ser humano consiste en errores de la
segregación cromosómica, que suelen dar lugar a la producción de un gameto
anormal que tiene dos copias o ninguna copia del cromosoma implicado en la
no disyunción. A pesar de la alta frecuencia de estos errores en la meiosis y,
en menor medida, en la mitosis, sólo hay tres trastornos cromosómicos bien
definidos que no son mosaicos compatibles con la supervivencia postnatal en
los que existe una dosis anormal de un autosoma completo: trisomía 21
(síndrome de Down), trisomía 18 y trisomía 13. Sin duda, no es coincidencia
que estos cromosomas sean los que tienen el menor número de genes de
todos los autosomas (v. fig. 2-7). El desequilibrio de los cromosomas con un
mayor número de genes probablemente sea incompatible con la
supervivencia a largo plazo, y la aneuploidía de algunos de ellos se asocia a
menudo con un aborto (v. tabla 5-2).
Estas trisomías autosómicas cursan con retraso del crecimiento,
discapacidad intelectual y múltiples anomalías congénitas (tabla 6-2). Sin
embargo, cada una de ellas tiene un fenotipo claramente diferenciable que un
clínico avezado reconoce de inmediato en la unidad de neonatología. La
trisomías 18 y 13 son menos frecuentes que la trisomía 21; la supervivencia
más allá del año de vida es poco habitual, a diferencia del síndrome de Down,
en el que el promedio de esperanza de vida supera los 50 años.
Tabla 6-2
Características de trisomías autosómicas compatibles con la
supervivencia posnatal
DrBurgos
191
SNC, sistema nervioso central.
Las anomalías del desarrollo características de cualquier estado trisómico
deben estar determinadas por la dosis extra de los genes presentes en el
cromosoma adicional. Hasta el momento, el conocimiento de la relación entre
el cromosoma extra y las anomalías del desarrollo subsiguientes es muy
limitado. No obstante, la investigación reciente está empezando a localizar
determinados genes del cromosoma extra que son responsables de aspectos
específicos del fenotipo anormal, mediante la modulación directa o indirecta
de la formación de patrones en las fases iniciales del desarrollo (v. cap. 14).
Los principios de la dosis génica y el probable papel del desequilibrio para
los genes individuales que subyacen a aspectos específicos del desarrollo del
fenotipo se aplican a todos los trastornos aneuploides; esto se ilustra a
continuación en el contexto del síndrome de Down, mientras que los otros
trastornos se resumen en la tabla 6-2).
Síndrome de Down
El síndrome de Down es, con mucha diferencia, el trastorno cromosómico
más frecuente y mejor conocido, así como la principal causa genética de
discapacidad intelectual moderada. Alrededor de uno de cada 850 niños nace
con síndrome de Down (v. tabla 5-2), y entre los recién nacidos o fetos de
gestantes de 35 o más años de edad la incidencia de esta trisomía es mucho
mayor (fig. 6-1).
DrBurgos
192
FIGURA 6-1 Relación entre edad materna y trisomía 21 en el parto y en el
momento de la amniocentesis. Véase Créditos de figuras.
El síndrome de Down puede ser diagnosticado, en general, al nacer o poco
después por los rasgos dismórficos, que varían entre los distintos pacientes
pero que, no obstante, dan lugar a un fenotipo característico (fig. 6-2). La
primera anomalía detectable en el recién nacido suele ser la hipotonía.
Además de los rasgos faciales dismórficos característicos (v. fig. 6-2), los
pacientes son de baja estatura y presentan braquicefalia, con el occipucio
plano. El cuello es corto, con piel sobrante en la nuca. Las manos son cortas y
anchas, a menudo con un solo pliegue palmar transversal («pliegue
simiesco») y el meñique suele estar incurvado (clinodactilia).
DrBurgos
193
FIGURA 6-2 Fenotipo del síndrome de Down.
A, Lactante de corta edad. Puente nasal plano, orejas de implantación baja con un
aspecto plegado característico, ojos con pliegues epicánticos típicos y fisuras
palpebrales con inclinación ascendente, boca abierta con protrusión lingual. B,
Manchas de Brushfield alrededor del margen del iris (flecha). Véase Créditos de
figuras.
Uno de los problemas principales en el síndrome de Down es la
discapacidad intelectual. Aunque en la primera infancia puede parecer que el
niño no presenta un retraso del desarrollo, éste se suele hacer evidente hacia
el final del primer año. A pesar de que la magnitud de la discapacidad
intelectual varía entre los pacientes de moderada a leve, muchos niños con
síndrome de Down se convierten en personas interactivas e incluso con
confianza en sí mismos y muchos acuden a colegios convencionales.
Hay una gran variabilidad en el fenotipo de los pacientes con síndrome de
Down; se detectan anomalías específicas en casi todos los pacientes, pero el
resto de las anomalías sólo afecta a una pequeña proporción de ellos. Al
menos la tercera parte de los recién nacidos vivos y una proporción algo
mayor de los abortos con síndrome de Down presentan una cardiopatía
congénita. Ciertas malformaciones, como la atresia duodenal y la fístula
traqueoesofágica, son más frecuentes en el síndrome de Down que en otros
trastornos.
Sólo alrededor del 20-25% de los embriones con trisomía 21 sobreviven
hasta el nacimiento (v. tabla 5-2). Entre los embriones con síndrome de Down,
los que tienen menos posibilidades de sobrevivir son los que presentan una
cardiopatía congénita; alrededor de una cuarta parte de los recién nacidos con
cardiopatía muere antes de cumplir su primer año de vida. Los pacientes con
DrBurgos
194
este síndrome que sobreviven al período neonatal tienen un riesgo 15 veces
mayor de leucemia. La senilidad prematura asociada a las alteraciones
neuropatológicas características de la enfermedad de Alzheimer (atrofia
cortical, dilatación ventricular y ovillos de degeneración neurofibrilar) afecta
a casi todos los pacientes con síndrome de Down varias décadas antes de la
edad típica de aparición de esta enfermedad en la población general.
Por regla general, se debe pensar en esta serie de hallazgos clínicos, en su
variación y en el resultado probable en términos de desequilibrio génico (el
exceso relativo de los productos génicos específicos, su impacto en diversas
vías críticas en determinados tejidos y tipos celulares, tanto en el desarrollo
temprano como durante toda la vida, así como los alelos particulares
presentes en el genoma de un paciente en particular, tanto para los genes del
cromosoma trisómico como para todos los demás genes heredados de sus
progenitores).
Los cromosomas en el síndrome de Down
El diagnóstico clínico del síndrome de Down no suele ofrecer dificultades
especiales. No obstante, es necesario hacer un cariotipo para confirmarlo y
para realizar un asesoramiento genético correcto. Aunque el cariotipo
anormal y específico responsable del síndrome de Down suele tener una
escasa repercusión en el fenotipo del paciente, sí que resulta esencial para
determinar el riesgo de recurrencia.
Trisomía 21
En al menos el 95% de los pacientes, el cariotipo del síndrome de Down
consta de 47 cromosomas, con una copia extra del cromosoma 21 (v. fig. 5-9).
Esta trisomía se debe a una no disyunción meiótica del par de cromosomas
21. Según se ha indicado con anterioridad, el riesgo de tener un hijo con
trisomía 21 se incrementa con la edad materna, en especial después de los 30
años (v. fig. 6-1). El error meiótico responsable de la trisomía suele ocurrir
durante la meiosis materna (alrededor del 90% de los casos),
predominantemente en la meiosis I, pero también puede ocurrir en la meiosis
paterna (alrededor del 10% de los casos), generalmente en la meiosis II. La
trisomía 21 típica es un fenómeno esporádico, por lo que las recurrencias son
infrecuentes, como se comentará más adelante.
Alrededor del 2% de los pacientes con síndrome de Down presentan un
mosaicismo para dos poblaciones de células (una con un cariotipo normal y
otra con un cariotipo de trisomía 21). El fenotipo puede ser más leve que el de
la trisomía 21 típica, pero existe una gran variabilidad fenotípica entre los
pacientes con mosaicismo, que supuestamente refleja la proporción variable
de células con trisomía 21 en el embrión durante las primeras fases del
desarrollo.
Translocación robertsoniana
DrBurgos
195
Alrededor del 4% de los pacientes con síndrome de Down presentan 46
cromosomas, uno de los cuales es una translocación robertsoniana entre el
cromosoma 21q y el brazo largo de uno de los otros cromosomas
acrocéntricos (en general el cromosoma 14 o el 22) (v. fig. 5-11). El cromosoma
translocado sustituye uno de los acrocéntricos normales, y el cariotipo del
paciente con síndrome de Down con una translocación robertsoniana entre
los cromosomas 14 y 21 es 46,XX o XY,rob(14;21)(q10;q10), + 21 (v. la
nomenclatura en la tabla 5-1). A pesar de tener 46 cromosomas, los pacientes
con una translocación robertsoniana que afecta al cromosoma 21 son
trisómicos para los genes de todo el brazo 21q.
Un portador de una translocación robertsoniana entre los cromosomas 14 y
21, por ejemplo, tiene sólo 45 cromosomas; un cromosoma 14 y un
cromosoma 21 se han perdido y sustituido por el cromosoma translocado.
Los gametos que puede formar este portador se muestran en la figura 6-3 y
estos portadores presentan un riesgo de tener un hijo con síndrome de Down
por translocación.
FIGURA 6-3 Cromosomas de gametos que pueden ser producidos,
teóricamente, por un portador de una translocación robertsoniana,
rob(14;21).
A, Complementos normal y equilibrado. B, Desequilibrado, un producto con el
cromosoma de translocación y el cromosoma 21 normal, y el producto recíproco
con sólo el cromosoma 14. C, Desequilibrado, un producto con el cromosoma de
translocación y el cromosoma 14 normal y el producto recíproco con sólo el
cromosoma 21. En teoría, hay seis tipos posibles de gametos, pero tres de ellos
parecen incapaces de dar lugar a descendencia viable. Sólo los tres gametos
sombreados a la izquierda pueden dar lugar a descendencia viable. En teoría, los
tres tipos de gametos se producirán en igual cantidad, por lo que el riesgo teórico
de tener un niño con síndrome de Down sería de un tercio. Sin embargo, los
estudios poblacionales amplios han demostrado que los complementos
cromosómicos desequilibrados sólo aparecen en el 10-15% de la descendencia
de madres portadoras y sólo en un pequeño porcentaje de los hijos de
progenitores masculinos portadores que tienen translocaciones que implican al
cromosoma 21.
DrBurgos
196
A diferencia de lo que ocurre en la trisomía 21 estándar, el síndrome de
Down por translocación no muestra relación con la edad materna y tiene un
riesgo de recurrencia relativamente elevado en familias en las que un
progenitor es portador de la translocación, en especial cuando es la madre.
Por esta razón, es necesario cariotipar a los progenitores, y posiblemente a
otros familiares, antes de ofrecer un asesoramiento genético preciso.
Translocación 21q21q
Una translocación 21q21q se observa en una pequeña proporción de pacientes
con síndrome de Down y se cree que se origina como un isocromosoma. Es
especialmente importante determinar si uno de los progenitores es portador,
debido a que todos los gametos de un portador de este tipo de cromosoma
pueden contener el cromosoma 21q21q (con una dosis doble de material
genético del cromosoma 21) o bien pueden carecer del mismo, de manera que
no presentan nada de material genético del cromosoma 21. Por tanto, los
descendientes potenciales tendrán, de forma inevitable, o un síndrome de
Down o una monosomía 21, que no suele permitir la viabilidad. Los
portadores de mosaicos muestran un riesgo elevado de recurrencia y, por
ello, en cualquier embarazo subsiguiente se debe considerar el diagnóstico
prenatal.
Trisomía 21 parcial
Los síndromes de Down diagnosticados en pacientes en los que sólo una
parte del brazo largo del cromosoma 21 se encuentra por triplicado son muy
raros. Estos pacientes son particularmente interesantes porque en ellos se
puede estudiar la región del cromosoma 21 responsable de los diferentes
rasgos del fenotipo del síndrome de Down, así como las regiones que pueden
estar triplicadas sin causar el fenotipo característico. El éxito más notable ha
sido la identificación de una región menor de 2 Mb que es clave para explicar
los efectos cardíacos que se observan en alrededor del 40% de los pacientes
con síndrome de Down. La determinación de los genes específicos que son
clave para la expresión del fenotipo del síndrome de Down, y su
diferenciación de los genes que simplemente parecen ser sinténicos con los
mismos en el cromosoma 21 es crucial para determinar la patogenia de las
diversas características clínicas.
Riesgo de síndrome de Down
Un problema frecuente en el asesoramiento genético es la manera de evaluar
el riesgo del nacimiento de un niño con síndrome de Down. El riesgo
depende sobre todo de la edad materna, pero también de los cariotipos de
ambos progenitores, como se ha comentado previamente. El síndrome de
Down puede detectarse antes del nacimiento mediante el cariotipo, por
análisis de micromatrices cromosómicas o mediante secuenciación del
DrBurgos
197
genoma completo de células obtenidas mediante biopsia de vellosidades
coriónicas o de células del líquido amniótico (v. fig. 5-9). La detección del
síndrome de Down también puede realizarse en la actualidad mediante
cribado prenatal no invasivo de DNA fetal libre en el plasma materno. Como
se comentará con más detalle en el capítulo 17, aunque en todos los
embarazos debe ofrecerse el diagnóstico prenatal, a la hora de tomar la
decisión de realizar métodos invasivos de análisis prenatal debe sopesarse el
riesgo de que el feto tenga síndrome de Down y el riesgo de que se produzca
un aborto a consecuencia de la amniocentesis o de la biopsia de las
vellosidades coriónicas realizadas para obtener tejido fetal para el análisis
cromosómico. Sin embargo, es probable que este paradigma y los aspectos
referentes al asesoramiento genético cambien en los próximos años debido a
la aparición del cribado prenatal no invasivo del síndrome de Down y de
otras aneuploidías relativamente frecuentes (v. cap. 17).
La incidencia poblacional del síndrome de Down en nacidos vivos se
estima en alrededor de 1/850, lo que refleja la distribución de la edad materna
en la población y la proporción de madres que utilizan el diagnóstico prenatal
y la interrupción selectiva de su embarazo. El riesgo comienza a aumentar
bruscamente cuando la madre tiene alrededor de 30 años y alcanza la
proporción de 1/10 en el grupo de madres de edad más avanzada (v. fig. 6-1).
Aunque las madres más jóvenes presentan un riesgo muy inferior, la tasa de
nacimientos en este grupo es tan elevada que la mitad de las madres cuyos
hijos sufren síndrome de Down tiene menos de 35 años. El riesgo de
síndrome de Down debido a translocación o a trisomía parcial no se relaciona
con la edad materna. La edad paterna no parece influir en el riesgo.
Riesgo de recurrencia
El riesgo de recurrencia de la trisomía 21 y de cualquier trisomía autosómica
tras el nacimiento de un niño con alguna de ellas es de alrededor del 1%. En
madres menores de 30 años el riesgo es cercano al 1,4%, y en madres mayores
de esta edad el riesgo es el que corresponde a su edad; es decir, hay un
aumento ligero pero significativo del riesgo en las madres más jóvenes,
mientras que el riesgo en las madres mayores sólo es el correspondiente a su
edad. La razón de este incremento del riesgo en madres jóvenes es
desconocida. Los antecedentes de trisomía 21 en la familia, siempre que no
sea en un hijo previo, no parecen incrementar de forma significativa el riesgo
de tener un hijo con síndrome de Down, pero son una causa frecuente de
ansiedad materna.
Tal como se ha señalado con anterioridad, el riesgo de recurrencia de
síndrome de Down debido a una translocación es mucho más elevado.
DrBurgos
198
Disomía uniparental
La no disyunción cromosómica provoca en la mayoría de los casos una
trisomía o monosomía del cromosoma implicado en el error de segregación.
Sin embargo, en menos ocasiones, también puede causar un estado disómico
en el que ambas copias de un cromosoma derivan del mismo progenitor, en
lugar de heredarse una copia de la madre y otra del padre. Esta situación,
denominada disomía uniparental, se define como la presencia de una línea
celular disómica que contiene dos cromosomas, o porciones de los mismos,
que se hereda sólo de uno de los progenitores (v. tabla 6-1). Si los dos
cromosomas derivan de cromátidas hermanas idénticas, la situación se
denomina isodisomía; si ambos homólogos son de uno de los progenitores,
se trata de una heterodisomía.
La causa más frecuente de la disomía uniparental es el «rescate» trisómico,
debido a la no disyunción cromosómica en las células de un embrión
trisómico para restaurar un estado disómico. La causa de la trisomía
responsable es la no disyunción meiótica típica en una de las líneas
germinales de los progenitores; el rescate provoca una segunda no
disyunción, que se produce durante la mitosis en una etapa postcigótica
temprana, lo que «rescata» un feto que, de lo contrario, lo más probable es
que sufriese un aborto espontáneo (el destino más frecuente de cualquier feto
trisómico; v. tabla 5-2). Dependiendo de la etapa y del progenitor de la no
disyunción original (es decir, meiosis I o II materna o paterna), de la
localización de los eventos de recombinación meiótica y de qué cromosoma se
pierda posteriormente en la no disyunción mitótica postcigótica, el feto o
nacido vivo resultante puede tener una isodisomía o heterodisomía completa
o parcial del cromosoma implicado.
Aunque no se sabe cuál es la frecuencia global de la disomía uniparental, se
ha documentado para la mayoría de los cromosomas del cariotipo mediante
la demostración de la herencia uniparental de polimorfismos en una familia.
Sin embargo, sólo se ha demostrado la existencia de anomalías clínicas para
algunos de ellos, por lo general en los casos donde está presente una región
con impronta en dos copias de uno de los progenitores (v. la sección sobre la
impronta genómica más adelante en este capítulo) o cuando una enfermedad
generalmente recesiva (que normalmente implicaría que ambos progenitores
son portadores obligados; v. cap. 7) se observa en un paciente que tiene un
solo progenitor portador documentado. Es importante destacar que, aunque
tales trastornos suelen manifestarse debido a mutaciones en genes
individuales o en las regiones con impronta, el mecanismo patogenómico
subyacente en los casos de disomía uniparental es la segregación anormal de
los cromosomas.
DrBurgos
199
Trastornos genómicos: síndromes de
microdeleciones y duplicaciones
Muchos síndromes que se caracterizan por retraso del desarrollo,
discapacidad intelectual y una serie específica de rasgos dismórficos y
malformaciones congénitas se asocian con anomalías recurrentes
subcromosómicas o regionales (v. tabla 6-1). Estas deleciones y/o
duplicaciones pequeñas, pero algunas veces visibles citogenéticamente,
producen una forma de desequilibrio genético denominado aneusomía
segmentaria. Estas deleciones (y, en algunos casos, sus duplicaciones
recíprocas) suelen detectarse mediante micromatrices cromosómicas. A
muchos de estos trastornos se les ha aplicado el término de síndrome de
genes contiguos, ya que el fenotipo suele deberse a la presencia de copias
extra o deficientes de muchos genes contiguos de la región delecionada o
duplicada. Sin embargo, en otros trastornos similares, el fenotipo se debe
aparentemente a la deleción o duplicación de un solo gen en la región, a pesar
de que suele asociarse con una anomalía cromosómica que engloba varios
genes en varios de estos trastornos.
En muchos de estos síndromes, aunque el fenotipo clínico en distintos
pacientes puede ser bastante variable, la naturaleza de la anomalía genómica
subyacente es muy similar. De hecho, en los síndromes que se recogen en la
tabla 6-3, los estudios genómicos de alta resolución han demostrado que los
puntos de rotura centroméricos y teloméricos se agrupan entre los distintos
pacientes, lo que sugiere la existencia de secuencias genómicas que
predisponen al reordenamiento. El mapeo detallado en varios de estos
trastornos ha demostrado que los puntos de rotura se localizan en secuencias
repetidas de bajo número de copias en el genoma denominadas
duplicaciones segmentarias (v. cap. 4). La recombinación aberrante entre
copias cercanas de esas secuencias repetidas causa las deleciones y/o
duplicaciones, que suelen abarcar entre varios cientos a varios miles de
kilobases. El análisis amplio de más de 30.000 pacientes en todo el mundo ha
implicado a este mecanismo general en 50-100 síndromes con
reordenamientos de genes contiguos, que se denominan colectivamente en
ocasiones trastornos genómicos.
Tabla 6-3
Ejemplos de trastornos genómicos con recombinación entre
duplicaciones segmentarias
DrBurgos
200
Basada en Lupski JR, Stankiewicz P: Genomic disorders: the genomic basis of disease, Totowa, NJ, 2006,
Humana Press; Cooper GM, Coe BP, Girirajan S, y cols.: A copy number variation morbidity map of
developmental delay. Nat Genet 43:838-846, 2011; y Weischenfeldt J, Symmns O, Spitz F, y cols.:
Phenotypic impact of genomic structural variation: insights from and for human disease. Nat Rev Genet
14:125-138, 2013.
Este mecanismo que da lugar a las duplicaciones segmentarias asociadas a
los síndromes de deleción y duplicación es diferente de otros cuyos puntos de
rotura son muy variables y no se asocian con ninguna característica(s)
genómica(s) identificable(s), y cuya base física parece idiopática (v. tabla 6-1).
A continuación, nos centraremos en los síndromes que implican al
cromosoma 22 para ilustrar las características genómicas subyacentes a esta
clase de trastornos.
Deleciones y duplicaciones que afectan al
cromosoma 22q11.2
En la parte proximal del brazo largo del cromosoma 22 se ha demostrado la
presencia de varias deleciones y duplicaciones mediadas por una
recombinación desequilibrada, lo que ilustra el concepto general de los
trastornos genómicos (fig. 6-4). Una microdeleción especialmente frecuente
afecta al cromosoma 22q11.2 y se asocia a los diagnósticos de síndrome de
DiGeorge, síndrome velocardiofacial y síndrome de anomalías
conotruncales y de la cara. Estos tres síndromes clínicos son trastornos
autosómicos con una expresión clínica variable, debidos a una deleción de
unas 3 Mb en el cromosoma 22q11.2 en una copia del cromosoma 22. La
microdeleción y otros reordenamientos de esta región que se muestran en la
figura 6-5 están mediados por la recombinación homóloga entre
duplicaciones segmentarias en la región. Las deleciones se detectan en
alrededor de 1 de cada 4.000 nacidos vivos, por lo que este es uno de los
reordenamientos genómicos más frecuentes asociados con fenotipos clínicos
importantes.
DrBurgos
201
FIGURA 6-4
Modelo de reordenamientos subyacentes a los trastornos
genómicos.
El entrecruzamiento desigual cuando existe un alineamiento incorrecto entre
cromátidas hermanas o cromosomas homólogos que contienen copias muy
homólogas de secuencias con duplicación segmentaria puede dar lugar a
productos con deleción o duplicación, que difieren en el número de copias
respecto a los genes localizados normalmente entre las repeticiones. El número
de copias de cualquier gen o genes (p. ej., A, B y C) situados entre las copias de
la repetición se modificará debido a estos reordenamientos genómicos. En la tabla
6-3 se muestran ejemplos de trastornos genómicos, duplicaciones segmentarias y
el tamaño de la región delecionada o duplicada.
FIGURA 6-5
Deleciones, duplicaciones y reordenamientos cromosómicos en
DrBurgos
202
22q11.2 mediados por recombinación homóloga entre duplicaciones
segmentarias. A, Los cariotipos normales tienen dos copias de 22q11.2, cada una
de las cuales contiene múltiples copias de una familia de duplicaciones
segmentarias relacionadas en la región (azul oscuro). En el síndrome de
DiGeorge (SDG) o en el síndrome velocardiofacial (SVCF), una región de 3 Mb se
deleciona en un homólogo, lo que elimina alrededor de 30 genes; en alrededor del
10% de los pacientes, existe una deleción menor, de 1,5 Mb (situada en el seno
del segmento más grande). La duplicación recíproca se observa en pacientes con
dup(22)(q11.2q11.2). La tetrasomía para 22q11.2 se observa en los pacientes con
síndrome del ojo de gato. Obsérvese que la región duplicada en el cromosoma del
síndrome del ojo de gato tiene una orientación invertida respecto a la duplicación
observada en pacientes con dup(22), lo que indica la existencia de un
reordenamiento genómico más complejo en estas duplicaciones segmentarias. B,
Imagen aumentada de la región genómica 22q11.2, donde se indican las
deleciones comunes SDG/SVCF (rojo) y las deleciones más distales (mediadas
también por la recombinación que afecta a duplicaciones segmentarias) que se
observan en pacientes con otros fenotipos (naranja). Los genes de la región (del
servidor de www.genome.ucsc.edu) se muestran por encima de la región. C,
Análisis mediante hibridación in situ fluorescente bicromática de un probando con
SDG, donde se observa la deleción de 22q11.2 en un homólogo. La señal verde
es la hibridación con una región de control en la zona distal de 22q. La señal en
rojo muestra la hibridación con una región en la zona proximal de 22q que está
presente en una copia del cromosoma, pero delecionada en el otro (flecha). Véase
Créditos de figuras.
Los pacientes presentan anomalías craneofaciales características,
discapacidad intelectual, inmunodeficiencia y defectos cardíacos, lo que
probablemente refleje la haploinsuficiencia de una o más de las varias
docenas de genes que suele haber en esta región. Se piensa que la deleción del
gen TBX1 en el síndrome de deleción de 22q11.2 interviene hasta en el 5% de
todas las cardiopatías congénitas y es una causa especialmente frecuente de
las anomalías del tracto de salida del ventrículo izquierdo.
En comparación con la deleción de 22q11.2, que es relativamente frecuente,
la duplicación recíproca de 22q11.2 es mucho más infrecuente y da lugar a
una serie de malformaciones dismórficas y de defectos congénitos distintos
que se agrupan bajo el término de síndrome de duplicación de 22q11.2 (v.
fig. 6-5). Generalmente, el diagnóstico de esta duplicación requiere el análisis
mediante hibridación in situ fluorescente (FISH) sobre células en interfase o
mediante micromatrices cromosómicas.
Los conceptos generales expuestos para los trastornos asociados con
22q11.2 también se aplican a muchos otros trastornos cromosómicos y
genómicos. Algunos de los más frecuentes o significativos de éstos se
resumen en la tabla 6-3. En conjunto, estos síndromes recurrentes ponen de
relieve algunos principios importantes en genética humana y médica (v.
cuadro).
Le ccione s a pr e ndida s de los tr a stor nos ge nóm icos
Los trastornos genómicos en conjunto ilustran una serie de conceptos que
tienen una importancia general para evaluar las causas y consecuencias de
desequilibrio cromosómico o genómico.
DrBurgos
203
• En primer lugar, y con pocas excepciones, las alteraciones en las dosis
génicas en cualquier región cromosómica o genómica grande posiblemente
den lugar a una alteración clínica cuyo fenotipo refleja, en principio, la
haploinsuficiencia o la expresión excesiva de uno o más genes codificados
en dicha región. En algunos casos, la presentación clínica parece explicarse
por el desequilibrio de dosis de un único gen; sin embargo, en otros
síndromes el fenotipo parece reflejar el desequilibrio de múltiples genes en
la región.
• En segundo lugar, la distribución de estos trastornos de
duplicación/deleción en el genoma no parece ser aleatoria, porque la
localización de familias de duplicaciones segmentarias, sobre todo en las
regiones pericentroméricas y subteloméricas, predispone a que regiones
particulares sufran eventos de recombinación desiguales que subyacen a
estos síndromes.
• Y en tercer lugar, incluso los pacientes portadores de lo que parece ser la
misma deleción o duplicación cromosómica pueden presentar una amplia
gama de fenotipos variables. A pesar de que se desconoce el fundamento
preciso de esta variabilidad, podría deberse a causas extragenéticas, a la
variación genética subyacente en la región del cromosoma no delecionado
o a diferencias en cualquier otra zona del genoma entre individuos
genéticamente no relacionados
DrBurgos
204
Anomalías cromosómicas idiopáticas
Mientras que las anomalías que acaban de describirse están mediadas por las
características genómicas específicas en regiones cromosómicas particulares,
otras muchas anomalías cromosómicas se deben a deleciones o
reordenamientos que no tienen una base física concreta (v. tabla 6-1). Se han
publicado muchos casos de anomalías detectables citogenéticamente en
pacientes dismórficos que implican fenómenos como deleciones,
duplicaciones o translocaciones de uno o más cromosomas en el cariotipo (v.
fig. 5-11). De forma global, las deleciones autosómicas visibles
citogenéticamente tienen una incidencia estimada de 1 de cada 7.000 nacidos
vivos. La mayoría de ellas se han observado sólo en unos pocos pacientes y
no se asocian con síndromes clínicos reconocidos. Sin embargo, otras son lo
bastante frecuentes para permitir el diagnóstico de síndromes claramente
reconocibles en los que una serie de pacientes tienen anomalías similares.
La característica física de esta clase de anomalías es que el evento
cromosómico subyacente es idiopático (v. tabla 6-1); la mayoría de ellas se
producen de novo y tienen unos puntos de rotura muy variables en la región
cromosómica alterada, lo que las convierte en una clase diferente a las
comentadas en el apartado previo.
Síndromes de deleción autosómica
Un síndrome conocido desde hace mucho tiempo es el síndrome del
«maullido de gato» (cri du chat), en el que se produce una deleción terminal o
intersticial de parte del brazo corto del cromosoma 5. El nombre lo recibe del
llanto de los niños que sufren este trastorno, que es similar al maullido de un
gato. El aspecto facial (v. fig. 6-6) es característico, con microcefalia,
hipertelorismo, pliegues epicánticos, orejas de implantación baja, a veces con
apéndices preauriculares, y micrognatia. La incidencia global de la deleción
se estima en 1 de cada 15.000 nacidos vivos.
DrBurgos
205
FIGURA 6-6 Síndromes de deleción idiopáticos.
A-C, Tres niños distintos con síndrome del «maullido de gato», secundario a la
deleción de parte del cromosoma 5p. Obsérvese, incluso entre individuos no
emparentados, el aspecto facial característico con hipertelorismo, epicanto y
retrognatia. D, Mapa fenotipo-cariotipo del cromosoma 5p, basado en análisis de
micromatrices cromosómicas de una serie de pacientes con del(5p). E, Análisis de
micromatrices cromosómicas de una deleción de alrededor de 5 Mb en la banda
1p36.3 (rojo), que es indetectable mediante cariotipado convencional.Véase
Créditos de figuras.
La mayoría de los casos de síndrome de «maullido de gato» son
esporádicos y sólo el 10-15% de los pacientes son hijos de portadores de una
translocación. Los puntos de rotura y la extensión del segmento delecionado
del cromosoma 5p varían mucho en diferentes pacientes, pero la región
crítica delecionada en todos los pacientes con el fenotipo se ha localizado en
la banda 5p15. Muchos de los hallazgos clínicos se han atribuido a
haploinsuficiencia respecto a uno o varios genes contenidos en regiones
específicas; el grado de discapacidad intelectual se correlaciona con el tamaño
de la deleción, aunque los estudios genómicos sugieren que la
haploinsuficiencia respecto a regiones concretas de 5p14-p15 puede
contribuir de forma importante a la discapacidad intelectual grave (v. fig. 66).
Aunque muchas deleciones de gran tamaño pueden observarse mediante
cariotipado convencional, la detección de otras deleciones idiopáticas
DrBurgos
206
requiere un análisis más detallado con micromatrices; esto es especialmente
cierto para las anomalías que afectan a las bandas subteloméricas de muchos
cromosomas, que pueden ser difíciles de visualizar bien con el bandeo
cromosómico convencional. Por ejemplo, una de las anomalías idiopáticas
más frecuentes, el síndrome de deleción del cromosoma 1p36, tiene una
incidencia de 1 de cada 5.000 habitantes e implica una amplia gama de puntos
de rotura diferentes, que se sitúan todos ellos en los 10 Mb terminales del
cromosoma 1p. Alrededor del 95% de los casos son de novo y muchos (p. ej., el
caso que se ilustra en la fig. 6-6) no se detectan mediante el análisis
cromosómico convencional.
El análisis genómico detallado de diversos síndromes autosómicos de
deleción subraya la naturaleza idiopática de estas anomalías. Por lo general, y
a diferencia de los trastornos genómicos presentados en la tabla 6-3, los
puntos de rotura son muy variables y reflejan una gama de mecanismos
diferentes, como la eliminación terminal del brazo cromosómico con
reparación telomérica, la deleción intersticial de un segmento subtelomérico o
la recombinación entre copias de elementos repetitivos, como elementos Alu o
L1 (v. cap. 2).
Translocaciones balanceadas con fenotipos del
desarrollo
Las translocaciones recíprocas son relativamente frecuentes (v. cap. 5). La
mayoría son equilibradas e implican el intercambio preciso de material
cromosómico entre cromosomas no homólogos; por tanto, no suelen tener un
efecto fenotípico evidente. Sin embargo, en 1 de cada 2.000 recién nacidos que
tienen una translocación equilibrada de novo, el riesgo de una anomalía
congénita es varias veces mayor empíricamente, lo que sugiere que algunas
translocaciones equilibradas implican la alteración directa de un gen o genes
en uno de los puntos de rotura de la translocación o en ambos.
Mediante el análisis detallado de varios de estos casos con FISH,
micromatrices y secuenciación dirigida o del genoma completo, se han
identificado defectos en los genes codificantes de proteínas o de RNA no
codificante en pacientes con diversos fenotipos, que oscilan desde el retraso
del desarrollo a cardiopatías congénitas y a trastornos del espectro autista.
Aunque las anomalías clínicas de estos casos pueden atribuirse a mutaciones
en genes individuales localizados en el sitio de las translocaciones, el
mecanismo subyacente en cada caso es el propio reordenamiento
cromosómico (v. tabla 6-1).
DrBurgos
207
Segregación de las anomalías familiares
Aunque la mayoría de las anomalías idiopáticas que acaban de describirse
son esporádicas, otras presentaciones clínicas se producen por la segregación
desequilibrada de anomalías cromosómicas familiares. En estos casos, el
mecanismo subyacente del fenotipo clínico no es la propia anomalía
cromosómica, sino más bien su transmisión en un estado de desequilibrio a
partir de un progenitor que es un portador equilibrado a la generación
siguiente (v. tabla 6-1).
El mecanismo patogénico en estos casos es diferente al mecanismo de no
disyunción descrito anteriormente en este capítulo. A diferencia de la
aneuploidía o disomía uniparental, en estos casos la anomalía no es el
proceso de segregación, sino que la naturaleza aleatoria de los eventos
durante la segregación origina cariotipos desequilibrados y, por tanto, una
descendencia con fenotipos anormales.
En las translocaciones equilibradas, por ejemplo, dado que los cromosomas
implicados forman un cuadrivalente en la meiosis, la combinación particular
de los cromosomas transmitidos a un gameto concreto puede causar un
desequilibrio genómico (v. fig. 5-12), a pesar de que la propia segregación es
normal.
Otro tipo de anomalía estructural familiar que ilustra este mecanismo
implica una inversión cromosómica. En este caso, la segregación del
cromosoma invertido y su homólogo normal durante la meiosis suele
producirse sin problemas; sin embargo, se pueden producir gametos
desequilibrados por el proceso de recombinación que tiene lugar en el
segmento invertido, en particular en las inversiones pericéntricas (v. fig. 513). Los distintos cromosomas de inversión conllevan diferentes riesgos de
tener una descendencia anormal, lo que puede reflejar tanto la probabilidad
de que un evento de recombinación se produzca en el segmento invertido
como la probabilidad de que un gameto desequilibrado pueda dar lugar a
descendencia viable. Este riesgo global se debe determinar empíricamente
para usarlo en el asesoramiento genético. Varias inversiones que se han
estudiado con detalle ilustran este punto.
Uno de los pocos casos de los que se han obtenido datos suficientes para
permitir la estimación de la transmisión del cromosoma de inversión a la
descendencia de los portadores es una inversión pericéntrica del cromosoma
3. La inv(3)(p25q21) se originó en una pareja de Newfoundland a principios
de la década de 1800 y desde entonces se ha descrito en varias familias cuyos
antecesores han podido trazarse hasta las provincias atlánticas de Canadá.
Los portadores del cromosoma inv(3) son normales, pero algunos de sus hijos
tienen un fenotipo anómalo característico asociado con un cromosoma 3
recombinante, en el que se encuentran una duplicación del segmento distal a
3q21 y una deleción del segmento distal a 3p25. El otro gameto equilibrado
predicho, con una duplicación de 3p distal y deleción de 3q distal, no da
DrBurgos
208
lugar a descendencia viable. El riesgo empírico de tener un resultado anormal
del embarazo en los portadores de inv(3) es mayor del 40% e indica la
importancia de los estudios cromosómicos familiares para identificar
portadores y ofrecer asesoramiento genético y diagnóstico prenatal.
Sin embargo, no todas las inversiones pericéntricas conllevan un riesgo de
tener descendencia con anomalías. Una de las inversiones observada con
mayor frecuencia en cromosomas humanos es una pequeña inversión
pericéntrica del cromosoma 9, que está presente hasta en el 1% de todos los
individuos. La inv(9)(p11q12) no tiene efectos deletéreos conocidos en
portadores y no parece estar asociada con un riesgo significativo de aborto
espontáneo o de descendencia desequilibrada; el riesgo empírico no es
distinto al de la población general, por lo que suele considerarse como una
variante normal.
DrBurgos
209
Trastornos asociados con impronta
genómica
En algunos trastornos, la expresión del fenotipo patológico depende de si el
alelo mutante o el cromosoma anormal se ha heredado del padre o de la
madre. Como ya se comentó en el capítulo 3, estos efectos dependientes del
progenitor de origen se deben a la impronta genómica.
El efecto de la impronta genómica sobre los patrones de herencia en los
árboles genealógicos se expone en el capítulo 7. En este capítulo vamos a
considerar la relevancia de la impronta genómica para la citogenética clínica,
dado que muchos de los efectos de impronta genómica se detectan debido a
las alteraciones cromosómicas. La evidencia de la impronta genómica se ha
observado en diversos cromosomas o regiones cromosómicas de todo el
genoma, mediante la comparación de fenotipos de individuos portadores de
la misma alteración citogenética con afectación del homólogo materno o
paterno. A pesar de que las estimaciones son variables, es probable que
existan hasta varios cientos de genes en el genoma humano que presenten
efectos de impronta. Algunas regiones contienen un único gen con impronta,
mientras que otras contienen grupos de múltiples genes con impronta, que en
algunos casos abarcan mucho más de 1 Mb a lo largo de un cromosoma.
La característica clave de los genes con impronta que les diferencia de otros
loci autosómicos es el hecho de que en el tejido relevante sólo se expresa un
alelo, el materno o el paterno. El efecto de estos mecanismos sobre el fenotipo
clínico dependerá obligatoriamente de si se produjo una mutación en el
homólogo materno o paterno. Entre los ejemplos mejor estudiados de la
función que desempeña la impronta genómica en la enfermedad humana
están los síndromes de Prader-Willi (Caso 38) y de Angelman, que se
describirán a continuación para ilustrar las características genéticas y
genómicas de los trastornos con impronta. Otro ejemplo adicional, el
síndrome de Beckwith-Wiedemann, se presenta en el Caso 6.
Síndromes de Prader-Willi y Angelman
El síndrome de Prader-Willi es un trastorno dismórfico relativamente
frecuente caracterizado por hipotonía neonatal, seguida de obesidad,
consumo excesivo e indiscriminado de alimentos, manos y pies pequeños,
estatura corta, hipogonadismo y discapacidad intelectual (fig. 6-7). Este
síndrome se debe a la ausencia de un gen o genes de origen paterno
expresados con impronta. En alrededor del 70% de los casos del síndrome se
observa una deleción citogenética de la parte proximal del brazo largo del
cromosoma 15 (15q11.2-q13); la deleción está mediada por una recombinación
de duplicaciones segmentarias que flanquean una región de alrededor de 5-6
Mb y, en este sentido, tiene una base física similar a otros trastornos
DrBurgos
210
genómicos descritos previamente (v. tabla 6-3). Sin embargo, en esta región se
localiza un intervalo menor que contiene varios genes de expresión
monoalélica, algunos de los cuales se expresan normalmente sólo a partir de
la copia materna (v. fig. 6-7). En el síndrome de Prader Willi, la deleción se
observa sólo en el cromosoma 15 heredado del padre del paciente (tabla 6-4).
Por tanto, los genomas de estos pacientes presentan en 15q11.2-q13 una
información genética que únicamente procede de su madre, y el síndrome se
debe a la pérdida de la expresión de uno o más de los genes de esa región de
origen paterno que se expresarían normalmente.
FIGURA 6-7 Síndrome de Prader-Willi (SPW) y síndrome de Angelman (SA).
A, SPW en un niño de 9 años y medio con obesidad, hipogonadismo, manos y
pies pequeños, talla baja y retraso del desarrollo. B, Síndrome de Angelman en
una niña de 4 años. Obsérvese la amplia base de sustentación y la posición de los
brazos. C, Detección mediante micromatrices cromosómicas de una deleción de
alrededor de 5 Mb en 15q11.2-q13.1 (rojo). D, Esquema de la región 15q11.2-q13.
La región del SPW (sombreada en azul) contiene varios genes con impronta (azul)
que se expresan sólo a partir de la copia paterna. La región del SA (sombreada en
rosa) contiene dos genes con impronta que se expresan sólo a partir de la copia
materna, incluido el gen UBE3A, que presenta impronta en el sistema nervioso
central y mutaciones que pueden causar el SA. La región está flanqueada por
genes sin impronta (morado) que se expresan de ambas copias, materna y
paterna. Las deleciones frecuentes de la región SPW/SA, causadas por la
recombinación entre pares de duplicaciones segmentarias, se muestran en verde
en la parte inferior. Las deleciones de menor tamaño del centro de impronta (CI;
naranja) y un subgrupo de genes en el grupo génico del RNA nucleolar pequeño
DrBurgos
211
(snoRNA) también pueden causar SPW. cen, centrómero; tel, telómero. Véase
Créditos de figuras.
Tabla 6-4
Mecanismos genómicos que causan los síndromes de Prader-Willi y
Angelman
Mecanismo
Síndrome de Prader-Willi
Síndrome de Angelman
Deleción de 15q11.2-q13
≈70% (paterno)
≈70% (materno)
Disomía uniparental
≈20-30% (materno)
≈7% (paterno)
Mutación del centro de impronta ≈2,5%
≈3%
Mutaciones génicas
Raro (pequeñas deleciones en el grupo génico del snoRNA) ≈10% (mutaciones de UBE3A)
No identificado
<1%
≈10%
Datos de Cassidy SB, Schwartz S, Miller JL, y cols.: Prader-Willi syndrome. Genet Med 14:10-26, 2012;
Dagli AI, Williams CA: Angelman syndrome. En Pagon RA, Adam MP, Bird TD, y cols., editores:
GeneReviews [Internet], Seattle, 1993-2013, University of Washington, Seattle,
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1144/.
snoRNA, RNA nucleolar pequeño.
Curiosamente, las repeticiones con un bajo número de copias que
flanquean a las regiones de los síndromes de Prader-Willi y Angelman
también se han implicado en otros trastornos, incluida la duplicación o
triplicación de la región o la duplicación invertida del cromosoma 15. Esto
pone de relieve que, aunque la impronta es responsable de la herencia y de
los hallazgos clínicos específicos en los síndromes de Prader-Willi y de
Angelman, el mecanismo patogenómico subyacente de todos estos trastornos
implica la recombinación desigual de las duplicaciones segmentarias de la
región.
Por el contrario, en la mayoría de los pacientes que sufren el infrecuente
síndrome de Angelman, caracterizado por aspecto facial peculiar, baja
estatura, discapacidad intelectual grave, espasticidad y convulsiones (fig. 67), se observa la deleción de la misma región cromosómica, pero ahora en el
cromosoma 15 heredado de la madre. Así, los pacientes con síndrome de
Angelman muestran información genética en 15q11.2-q13 que procede
únicamente de sus progenitores del sexo masculino. Esta circunstancia poco
habitual demuestra de manera muy evidente que el origen paterno o materno
del material genético (en este caso, de un segmento del cromosoma 15) puede
influir profundamente en la expresión clínica de un defecto.
Algunos pacientes con síndrome de Prader-Willi no presentan deleciones
detectables por medios citogenéticos; en vez de ello, muestran dos
cromosomas 15 citogenéticamente normales, heredados ambos a partir de la
madre (v. tabla 6-4). Esta situación ilustra la disomía uniparental, descrita
previamente en este capítulo en la sección de segregación cromosómica
anormal. Un porcentaje menor de pacientes con síndrome de Angelman
muestra también disomía uniparental, pero en su caso con dos cromosomas
15 intactos de origen paterno (v. tabla 6-4). Estos pacientes representan una
confirmación adicional de que, aunque la impronta genómica es responsable
de la relevancia clínica de estos casos, el defecto subyacente en algunos de
DrBurgos
212
ellos es la segregación cromosómica y no la impronta en sí misma, que es
completamente normal en estos casos.
Sin embargo, son pocos los pacientes con síndromes de Prader-Willi y de
Angelman cuyas anomalías están en el propio centro de impronta (v. fig. 67). A consecuencia de ello, no se produce el cambio de la impronta femenina a
la masculina durante la espermatogénesis o de la impronta masculina a la
femenina durante la ovogénesis (v. fig. 3-12). La fecundación por un
espermatozoide portador de una impronta femenina anormal persistente
hace que el hijo presente síndrome de Prader-Willi; la fecundación de un
óvulo portador de una impronta masculina anormal persistente hace que el
hijo sufra síndrome de Angelman (v. tabla 6-4).
Por último, hay evidencia de que las principales características de los
fenotipos de los síndromes de Prader-Willi y Angelman pueden deberse a
defectos en genes particulares en la región con impronta. Se ha observado que
las mutaciones en la copia materna de un único gen, el gen de la ubiquitinaproteína ligasa E3A (UBE3A), causan el síndrome de Angelman (v. tabla 6-4).
El gen UBE3A se localiza en la región con impronta 15q11.2-q13 y
normalmente sólo se expresa a partir del alelo materno en el sistema nervioso
central. Las mutaciones monogénicas del gen UBE3A heredadas de la madre
suponen alrededor del 10% de los casos del síndrome de Angelman. En el
síndrome de Prader-Willi, se han descrito varios pacientes con deleciones de
una región mucho menor del cromosoma 15 heredado por vía paterna, que
implican específicamente al grupo génico del RNA nucleolar pequeño no
codificante (snoRNA) 116 en la etiología del síndrome (v. fig. 6-7).
Otros trastornos debidos a disomía uniparental
de regiones con impronta
Aunque no está clara cuál es la frecuencia de la disomía uniparental, puede
proporcionar una explicación de una enfermedad cuando existe una región
con impronta en dos copias procedentes de un progenitor. Por tanto, los
médicos y asesores genéticos deben tener en cuenta la impronta como una
causa posible de los trastornos genéticos.
Por ejemplo, se han descrito algunos casos de pacientes con fibrosis quística
y baja estatura que presentan dos copias idénticas de la mayor parte o la
totalidad de su cromosoma 7 materno. En ambos casos, la madre era
portadora del gen de la fibrosis quística (Caso 12) y, debido a que el hijo
recibió dos copias maternas del gen mutante de la fibrosis quística y ninguna
copia paterna del alelo normal de este locus, manifestó finalmente la
enfermedad. El retraso del crecimiento no se ha podido explicar, pero podría
estar relacionado con la pérdida de genes (aún no identificados) con impronta
paterna en el cromosoma 7.
DrBurgos
213
Los cromosomas sexuales y sus
anomalías
Los cromosomas X e Y han atraído siempre el interés porque difieren entre
los sexos, tienen su propio modelo de herencia y están implicados en la
determinación del sexo primario. Son muy diferentes desde el punto de vista
estructural y están sujetos a distintas formas de regulación genética, pero se
emparejan en la meiosis masculina. Por todas estas razones, requieren una
atención especial. En esta sección se revisarán las anomalías más frecuentes
de los cromosomas sexuales y sus consecuencias clínicas, el estado actual del
conocimiento sobre el control de la determinación sexual y las anomalías del
desarrollo sexual.
Base cromosómica de la determinación sexual
La diferencia en la constitución cromosómica sexual de las células normales
de los hombres y las mujeres se conoce desde hace más de 50 años. La base
fundamental del sistema XX/ XY para la determinación del sexo se conoció
poco tiempo después de que fuera posible el análisis citogenético. Los
hombres con síndrome de Klinefelter tienen 47 cromosomas, con dos
cromosomas X y uno Y (cariotipo: 47,XXY), mientras que la mayoría de las
mujeres con síndrome de Turner tienen sólo 45 cromosomas, con un único
cromosoma X (cariotipo: 45,X). Estos hallazgos indican claramente el papel
crucial del cromosoma Y en el desarrollo masculino normal. También se pone
de manifiesto el efecto relativamente pequeño que producen las variaciones
del número de cromosomas X, tanto en los hombres como en las mujeres,
comparado con las graves consecuencias de las aneuploidías autosómicas. En
la actualidad, la base de estas dos observaciones se puede explicar en
términos de la singular biología de los cromosomas X e Y.
Se puede considerar que el proceso de determinación del sexo se produce
en etapas distintas, pero interrelacionadas (fig. 6-8):
• Establecimiento del sexo cromosómico (es decir, XY o XX) en el momento
de la fecundación.
• Inicio de vías alternativas para la diferenciación de uno de los dos sexos
gonadales, determinado normalmente por la presencia o ausencia del gen
determinante del testículo en el cromosoma Y.
• Continuación de la diferenciación específica del sexo de los órganos
sexuales internos y externos.
• Desarrollo de las características sexuales secundarias distintivas para crear
el sexo fenotípico correspondiente, como varón o mujer, especialmente
después de la pubertad.
DrBurgos
214
FIGURA 6-8 Proceso de determinación del sexo y del desarrollo: determinación
del sexo cromosómico en la fecundación; compromiso con la vía masculina o
femenina de diferenciación gonadal; diferenciación específica del sexo de los
genitales internos y externos, con desarrollo de los caracteres sexuales
secundarios (sexo fenotípico). Los cromosomas sexuales desempeñan un papel
determinante a la hora de especificar el sexo cromosómico, mientras que muchos
genes localizados tanto en los cromosomas sexuales como en los autosomas
intervienen en la determinación del sexo y la diferenciación sexual subsiguiente (v.
tabla 6-8).
Si bien los cromosomas sexuales desempeñan un papel determinante en la
especificación del sexo cromosómico y gonadal, existe un cierto número de
genes localizados tanto en los cromosomas sexuales como en los autosomas
que intervienen en la determinación del sexo y en la diferenciación sexual
subsiguiente. En la mayoría de los casos, el papel de estos genes se ha
descubierto gracias a pacientes con diversos trastornos del desarrollo sexual,
y muchos de ellos se abordan después en este capítulo.
Cromosoma Y
La estructura del cromosoma Y y su papel en el desarrollo sexual han sido
determinados tanto a nivel molecular como genómico (fig. 6-9). En la meiosis
masculina, los cromosomas X e Y normalmente se aparean en los extremos de
sus brazos cortos (v. cap. 2) y sufren recombinación en esa región. Los
segmentos que se aparean constituyen la región pseudoautosómica de los
cromosomas X e Y, llamada así porque estas secuencias son homólogas y
DrBurgos
215
sufren recombinación en meiosis I, como las parejas de autosomas. (Existe un
segundo segmento pseudoautosómico más pequeño que se localiza en los
extremos de Xq e Yq.) En comparación con el cromosoma X y con los
autosomas, el cromosoma Y es relativamente pobre en genes (v. fig. 2-7) y
contiene menos de 100 genes (algunos de los que pertenecen a familias
multigénicas), que codifican sólo alrededor de 24 proteínas distintas. En
especial, las funciones de una elevada proporción de estos genes se limitan a
los desarrollos gonadal y genital.
FIGURA 6-9
El cromosoma Y en la determinación del sexo y en los
trastornos del desarrollo sexual (TDS).
Se indican los genes individuales y las regiones implicados en la determinación
del sexo. Los TDS y los defectos de la espermatogénesis se describen en el texto.
Embriología del sistema reproductivo
El efecto del cromosoma Y sobre el desarrollo embriológico de los sistemas
reproductivos masculino y femenino se resume en la figura 6-10. Hacia la
sexta semana del desarrollo embrionario de ambos sexos, las células
germinales primordiales ya han migrado desde su localización
extraembrionaria primaria a las crestas genitales emparejadas, donde son
rodeadas por los cordones sexuales para formar un par de gónadas
primitivas. Hasta este momento, la gónada en desarrollo es ambipotente, con
independencia de si es cromosómicamente XX o XY).
DrBurgos
216
FIGURA 6-10 Esquema de los eventos del desarrollo y diferenciación de las
gónadas masculina y femenina a partir de la gónada ambipotente. Véase la
descripción en el texto.
La diferenciación en ovario o testículo está determinada por la acción
coordinada y secuencial de varios genes en vías con un equilibrio muy
preciso que inducen el desarrollo de un ovario cuando no hay cromosoma Y o
se inclinan hacia el desarrollo de un testículo cuando sí lo hay. En
circunstancias normales, se sigue la vía que origina un ovario a no ser que un
gen ligado al Y particular, denominado originariamente factor determinante
del testículo (TDF, testis-determining factor) cambie el desarrollo hacia la vía
masculina.
Si no existe cromosoma Y, la gónada formará un ovario, comenzando
alrededor de la semana 8 de gestación y continuando durante varias semanas;
la corteza se desarrolla, la médula involuciona y las ovogonias se empiezan a
desarrollar dentro de los folículos (v. fig. 6-10). Alrededor del final del tercer
mes, las ovogonias entran en meiosis I, pero (tal como se describe en el cap. 2)
este proceso se detiene en la fase de dictioteno hasta que se produce la
ovulación, muchos años más tarde.
Sin embargo, en presencia de un cromosoma Y (con el gen TDF), el tejido
DrBurgos
217
medular forma testículos típicos con túbulos seminíferos y células de Leydig
que, con la estimulación de la hormona gonadotropina coriónica humana
producida por la placenta, son capaces de segregar andrógenos (v. fig. 6-10).
Las espermatogonias, derivadas de las células germinales primordiales a
través de mitosis sucesivas, recubren las paredes de los túbulos seminíferos,
donde residen junto con las células de sostén de Sertoli, esperando el inicio de
la pubertad para iniciar la espermatogénesis.
Al tiempo que las células germinales primordiales migran a las crestas
genitales, el engrosamiento de estas crestas indica el desarrollo de los
conductos genitales, los conductos mesonéfricos (o wolffianos) y
paramesonéfricos (o müllerianos), bajo la influencia de hormonas
producidas por tipos celulares específicos en la gónada en desarrollo. Hacia el
tercer mes se ha completado la formación de los conductos.
En el embrión incipiente, los genitales externos consisten en un tubérculo
genital, un par de protuberancias labioescrotales y un par de pliegues
uretrales. Desde este estado indiferenciado, los genitales externos masculinos
se desarrollan bajo la influencia de los andrógenos, comenzando alrededor de
las 12 semanas de gestación. En ausencia de testículo (o, más específicamente,
en ausencia de andrógenos), se forman los genitales externos femeninos,
aunque no exista un ovario.
SRY es el principal gen determinante del testículo
Los primeros estudios citogenéticos demostraron la función determinante
masculina del cromosoma Y. En las tres décadas siguientes, el análisis
cromosómico y genómico de individuos con distintas anomalías
submicroscópicas del cromosoma Y y con trastornos bien estudiados del
desarrollo sexual permitieron identificar la principal región determinante del
testículo en Yp.
Mientras que los cromosomas X e Y intercambian normalmente segmentos
de la región pseudoautosómica Xp/Yp en meiosis I, en algunos casos
infrecuentes la recombinación genética se produce fuera de la región
pseudoautosómica (figura 6-11). Esto provoca dos raras anomalías muy
informativas —hombres con un cariotipo 46,XX y mujeres con un cariotipo
46,XY— que implican una discordancia entre el sexo cromosómico y gonadal,
como se verá con más detalle más adelante en este capítulo.
DrBurgos
218
FIGURA 6-11 Factores etiológicos de los varones fenotípicos con cariotipo
46,XX o de mujeres fenotípicas con cariotipo 46,XY por intercambio
aberrante entre secuencias ligadas al X y al Y.
Los cromosomas X e Y normalmente se recombinan en el seno del segmento
pseudoautosómico Xp/Yp en la meiosis masculina. Si la recombinación se
produce por debajo del límite pseudoautosómico, entre las porciones específica
del X y específica del Y de los cromosomas, las secuencias responsables de la
determinación del sexo gonadal (incluido el gen SRY) pueden translocarse del Y
al X. La fecundación por un espermatozoide que contenga este cromosoma X da
lugar a un varón fenotípico con un TDS testicular XX. Por el contario, la
fecundación por un espermatozoide que contenga un cromosoma Y que haya
perdido el gen SRY dará lugar a una mujer fenotípica con una disgenesia gonadal
DrBurgos
219
XY completa.
El gen SRY (región determinante del sexo en el cromosoma Y; sexdetermining region on the Y) se localiza cerca del límite pseudoautosómico del
cromosoma Y. Está presente en muchos hombres con un cariotipo 46,XX por
lo demás normal (Caso 41) y está delecionado o mutado en cierta proporción
de mujeres con un cariotipo 46,XY por lo demás normal, lo que implica con
fuerza al gen SRY en la determinación sexual masculina normal (v. fig. 6-11).
El gen SRY se expresa sólo de manera breve al principio del desarrollo en las
células de la cresta germinal, inmediatamente antes de la diferenciación
testicular. Este gen codifica una proteína de unión al DNA que
probablemente sea un factor de transcripción, que estimula la transcripción
de un gen autosómico clave, SOX9, en la gónada ambipotente, lo que al final
da lugar a la diferenciación testicular. Por tanto, todas las evidencias
genéticas y los criterios del desarrollo disponibles apuntan a que el gen SRY
es equivalente al gen TDF del cromosoma Y. En ausencia de SRY o si no
funciona correctamente, se sigue la vía de diferenciación sexual femenina (v.
fig. 6-10).
Aunque hay una clara evidencia que demuestra la función crucial del gen
SRY en el desarrollo sexual masculino normal, la presencia o ausencia del gen
SRY/TDF no explica todos los casos de determinación sexual anómala. Otros
genes están implicados en la vía de determinación sexual y se exponen más
adelante en este capítulo.
Genes ligados al cromosoma Y en la espermatogénesis
Se ha descrito que la prevalencia de deleciones y microdeleciones del
cromosoma Y en la población general masculina es de alrededor de 1/2.0001/3.000 varones. Sin embargo, las microdeleciones de la porción específica
masculina de Yq se observan en una proporción significativa de varones con
un recuento bajo de espermatozoides, que oscilan de casos de azoospermia
no obstructiva (ausencia de espermatozoides detectables en el semen) a
oligospermia grave (< 5 millones/ml; rango normal, 20-40 millones/ml). Estos
hallazgos sugieren que uno o más genes, denominados factor o factores de
azoospermia (AZF, azoospermia factors), se localizan en el cromosoma Y; se
han definido tres de estas regiones en Yq (AZFa, AZFb y AZFc) (v. fig. 6-9).
El análisis genómico de esas microdeleciones ha conducido a la
identificación de una serie de genes que parecen ser importantes en la
espermatogénesis. Por ejemplo, la región de deleción AZFc, de 3,5 Mb
contiene siete familias diferentes de genes que se expresan sólo en el testículo,
incluyendo cuatro copias de los genes DAZ (delecionados en la azoospermia;
deleted in azoospermia) que codifican proteínas de unión al RNA casi idénticas
que se expresan sólo en células germinales premeióticas del testículo. Las
deleciones de novo de AZFc se producen en alrededor de 1 de cada 4.000
hombres y suponen aproximadamente el 12% de los varones con
azoospermia y alrededor del 6% de los varones con oligospermia grave. La
DrBurgos
220
deleción de sólo dos de los cuatro genes DAZ se ha asociado con una
oligospermia más leve. A semejanza de los otros trastornos genómicos
descritos antes en este capítulo, están mediadas por la recombinación entre
secuencias con duplicación segmentaria (v. tabla 6-3). Aunque menos
frecuentes, las deleciones AZFa y AZFb también conllevan recombinaciones.
Sin embargo, las microdeleciones Yq no son sindrómicas. Son responsables
sólo de un defecto de la espermatogénesis en varones por lo demás sanos.
Esto se explica porque todos los genes implicados en las deleciones de AZF se
expresan sólo en el testículo y no tienen funciones en otros tejidos o tipos
celulares.
De forma global, el 2% de los hombres por lo demás sanos son infértiles
debido a graves defectos en la producción de espermatozoides, y las
deleciones o mutaciones de novo de los genes situados en Yq pueden
constituir una proporción importante de estos casos. Por tanto, los hombres
con infertilidad idiopática deben ser cariotipados, y también puede ser
adecuada la realización de un análisis molecular de su cromosoma Y antes de
iniciar las técnicas de reproducción asistida mediante inyección
intracitoplásmica de espermatozoides en dichas parejas, debido sobre todo al
riesgo de pasar por alto una microdeleción Yq responsable de infertilidad en
los hijos varones de la pareja infértil.
Cromosoma X
La aneuploidía del cromosoma X es una de las anomalías citogenéticas más
frecuentes. La relativa tolerancia del desarrollo humano a las alteraciones del
cromosoma X puede explicarse en términos de la inactivación del
cromosoma X, el proceso a través del cual la mayor parte de los genes de uno
de los dos cromosomas X femeninos es silenciada epigenéticamente,
comentado en el capítulo 3. La inactivación del cromosoma X y sus
consecuencias relacionadas con los trastornos ligados al cromosoma X se
exponen en el capítulo 7. En este capítulo se revisan los mecanismos
cromosómicos y genómicos de la inactivación del cromosoma X y sus
implicaciones para la genética humana y médica (v. el cuadro al final de esta
sección).
Inactivación del cromosoma X
Según el principio de la inactivación del cromosoma X, en las células
somáticas de las mujeres normales (pero no de los hombres normales) se
inactiva un cromosoma X en una etapa precoz del desarrollo, lo que equilibra
la expresión de los genes ligados al X en los dos sexos. En el desarrollo
femenino normal, dado que la selección del cromosoma X que debe ser
inactivado se realiza de manera aleatoria y después se mantiene de forma
clonal, las mujeres son mosaicos con respecto a la expresión de los genes
ligados al cromosoma X (v. fig. 3-13).
Hay muchos rasgos epigenéticos que distinguen el cromosoma X activo del
DrBurgos
221
inactivo en las células somáticas (tabla 6-5). Estos rasgos pueden tener
utilidad diagnóstica para identificar el o los X inactivos en muestras clínicas.
En los pacientes con cromosomas X extra (varones o mujeres), cualquier
cromosoma X por encima de uno queda inactivado (fig. 6-12). Así, todas las
células somáticas diploides de hombres y mujeres tienen un solo cromosoma
X activo, con independencia del número de cromosomas X o Y presentes.
Tabla 6-5
Características epigenéticas y cromosómicas de la inactivación del
cromosoma X en las células somáticas
Característica
Expresión génica
Estado de la cromatina
RNA no codificante
X activo
Sí; similar al X masculino
Eucromatina
Gen XIST silenciado
Cronología de la replicación del Sincrónica con los autosomas
DNA
Variantes histónicas
Similar a los autosomas y al X
masculino
Modificaciones histónicas
Similar a los autosomas y al X
masculino
X inactivo
Mayoría de genes silenciados; ≈15% se expresan en algún grado
Heterocromatina facultativa; corpúsculo de Barr
El RNA de XIST se expresa sólo a partir del Xi; se asocia con
corpúsculo de Barr
Replicación tardía en fase S
Enriquecido para macroH2A
Enriquecido para marcas de heterocromatina; deficiente en marcas de
eucromatina
Xi, X inactivo.
FIGURA 6-12
Dotación de cromosomas sexuales e inactivación del
cromosoma X.
Parte superior, En individuos con un número extra de cromosomas X, cualquier X
por encima de 1 se inactiva, con independencia del número de cromosomas Y
presentes. Por tanto, el número de cromosomas X inactivos en las células
diploides es siempre 1 menos que el número total de cromosomas X. Parte
inferior, Detección de cromosomas X inactivos (Xi) en núcleos en interfase de
DrBurgos
222
mujeres con cariotipos 46,XX, 47,XXX, 48,XXXX y 49,XXXXX. Las regiones con
una fluorescencia brillante indican la presencia de la variante histónica macroH2A,
asociada con los cromosomas X inactivos (v. tabla 6-5).
El cromosoma X contiene alrededor de 1.000 genes, pero no todos ellos
están sujetos a inactivación. En especial, los genes que se siguen expresando,
al menos en un cierto grado, no se distribuyen aleatoriamente a lo largo del
cromosoma X; hay muchos más genes que «escapan» a la inactivación en Xp
distal (hasta el 50%) que en Xq (un pequeño porcentaje). Este hallazgo tiene
implicaciones importantes para el asesoramiento genético en los casos de
aneuploidía parcial del cromosoma X, ya que un desequilibrio en los genes de
Xp puede tener más importancia clínica que un desequilibrio de los genes de
Xq, donde el efecto se ve mitigado en gran medida por la inactivación de X.
Patrones de inactivación del cromosoma X
La inactivación del cromosoma X suele ser aleatoria en las células somáticas
femeninas y da lugar a mosaicismo para dos poblaciones celulares que
expresan alelos de uno de los dos cromosomas X (fig. 6-13). Cuando se realiza
un análisis, la mayoría de las mujeres tienen proporciones aproximadamente
iguales de células que expresan alelos del X materno o paterno (es decir,
alrededor de 50:50), y alrededor del 90% de las mujeres fenotípicamente
normales se distribuyen desde una proporción aproximada de 25:75 a
alrededor de 75:25 (v. fig. 6-13). Esta distribución tal vez refleje el rango
esperado de resultados para un suceso aleatorio (es decir, la elección de qué X
será el inactivo) que implica un número relativamente pequeño de células
durante la etapa precoz de la embriogénesis. Para las personas que son
portadoras de trastornos monogénicos ligados al cromosoma X (v. cap. 7),
esta proporción de inactivación del X puede influir en el fenotipo clínico,
dependiendo de qué proporción de células de los tejidos relevantes o tipos
celulares expresen el alelo deletéreo en el cromosoma X activo.
DrBurgos
223
FIGURA 6-13 Inactivación del cromosoma X en cariotipos con cromosomas
X normales o anormales o con translocaciones X;autosoma.
A, En las células femeninas normales (46,XX) se produce la inactivación aleatoria
del X, lo que da lugar a un mosaico de dos poblaciones celulares (izquierda) en la
que el X paterno o materno es el X inactivo (Xi, indicado por el recuadro
sombreado). En las mujeres fenotípicamente normales, la proporción de las dos
poblaciones celulares tiene una moda en 50:50, pero existe una variación en la
población (derecha), de modo que algunas tienen un exceso de células que
expresan alelos del X paterno y otras del X materno. B, Los individuos portadores
de un X estructuralmente anormal (X an) o una translocación X;autosoma de tipo
equilibrado o desequilibrado presentan una inactivación no aleatoria del X en la
que casi todas las células tienen el mismo X inactivo. La otra población celular es
inviable o tiene una desventaja del crecimiento debido al desequilibrio genético,
por lo que está infrarrepresentada o ausente. der(X) y der(A) representan los dos
derivados de la translocación X;autosoma. Véase Créditos de figuras.
Sin embargo, hay excepciones a la distribución esperada para la
inactivación aleatoria del cromosoma X cuando el cariotipo muestra
anomalías estructurales del cromosoma X. Por ejemplo, en casi todos los
pacientes con anomalías estructurales desequilibradas de uno de los
cromosomas X (incluyendo deleciones, duplicaciones e isocromosomas), el
cromosoma estructuralmente anormal es siempre el X inactivo. Debido a que
DrBurgos
224
es probable que el evento inicial de inactivación en la etapa inicial del
desarrollo embrionario sea aleatorio, los patrones observados después del
nacimiento probablemente reflejen una selección secundaria contra las células
genéticamente desequilibradas que son inviables (v. fig. 6-13). Debido a esta
inactivación preferente del X anormal, estas anomalías del cromosoma X se
toleran mejor que anomalías desequilibradas de tamaño o contenido génico
similar de los autosomas.
También se observa inactivación no aleatoria del X en la mayoría de los
casos de translocación X;autosoma (v. fig. 6-13). Si esa translocación es
equilibrada, es el cromosoma X normal el que suele inactivarse, mientras que
las dos partes del cromosoma translocado permanecen activas, lo que de
nuevo refleja probablemente una selección contra células en las que los genes
autosómicos cruciales han sido inactivados. No obstante, en la descendencia
desequilibrada de un portador equilibrado sólo está presente el producto de
la translocación que lleva el centro de inactivación del cromosoma X, y es
este cromosoma el que es invariablemente inactivado, mientras que el X
normal siempre es el activo. Estos patrones no aleatorios de inactivación
tienen un efecto general de minimizar, aunque no eliminar, las consecuencias
clínicas de los defectos cromosómicos concretos. Dado que los patrones de
inactivación están muy relacionados con el resultado clínico, en los casos de
translocación X;autosoma está indicado determinar el patrón de inactivación
del X de un individuo mediante análisis citológicos o moleculares (v. tabla 65).
Centro de inactivación del cromosoma X
La inactivación de un cromosoma X depende de la presencia de la región
denominada centro de inactivación del cromosoma X (XIC) en ese cromosoma,
tanto si es un cromosoma X normal como con anomalías estructurales. El
análisis detallado de cromosomas X inactivados con anomalías estructurales
ha permitido la identificación del XIC en una región candidata de unos 800 kb
en la zona proximal de Xq, en la banda Xq13.2 (fig. 6-14), que coordina
muchos de los pasos críticos necesarios (o todos) para iniciar y propagar el
estado de cromatina silenciada a lo largo de casi todo el X elegido para
convertirlo en X inactivo. Como se comentó en el capítulo 3, esta compleja
serie de eventos requiere un gen de RNA no codificante, XIST, que parece ser
un locus regulador maestro clave para el inicio de la inactivación de X,
perteneciente a un conjunto de genes de RNA no codificantes en esa banda.
Otros de ellos pueden intervenir en la regulación de la expresión de XIST y en
otros eventos precoces en el proceso de inactivación del cromosoma X.
DrBurgos
225
FIGURA 6-14
Inactivación del cromosoma X y dependencia del centro de
inactivación del cromosoma X (XIC).
A, En los cromosomas X normales, el XIC se sitúa en una región candidata de
alrededor de 800 kb en Xq13.2 que contiene varios genes de RNA no codificante
(ncRNA), incluido XIST, el gen maestro del control de la inactivación del
cromosoma X. En las primeras fases del desarrollo en los embriones XX, el RNA
del XIST se extiende a lo largo de la longitud de un cromosoma X, que se
convertirá en el X inactivo (Xi), con silenciamiento epigenético de la mayoría de
los genes situados en ese cromosoma X y la consiguiente expresión monoalélica
de la mayoría (pero no todos) de los genes ligados al X. B, En un cromosoma X
estructuralmente anormal que carece del XIC, la inactivación del X no se puede
producir y los genes presentes en el X anormal se expresan de forma bialélica.
Aunque en este ejemplo se presenta un X anormal bastante grande con fines
ilustrativos, en realidad, sólo se observan fragmentos muy pequeños de este tipo
en las mujeres afectadas, que presentan siempre anomalías congénitas
importantes, lo que sugiere que la expresión bialélica de un número mayor de
genes ligados al X es incompatible con un desarrollo normal y es probable que
sea inviable.
Anomalías citogenéticas de los cromosomas
sexuales
Las anomalías de los cromosomas sexuales son unos de los trastornos
genéticos humanos más frecuentes, con una incidencia global de alrededor de
DrBurgos
226
1 de cada 400 nacidos vivos. Al igual que las de los autosomas, pueden ser
numéricas o estructurales, y pueden estar presentes en todas las células o en
forma de mosaico. Como grupo, los trastornos de los cromosomas sexuales
tienden a aparecer como cuadros aislados sin factores predisponentes
aparentes, excepto por el efecto de la edad materna avanzada en los casos que
se originan por errores en la meiosis I materna. Existen algunas indicaciones
clínicas que sugieren la posible existencia de una anomalía de los
cromosomas sexuales y, por tanto, sería necesario hacer estudios
cromosómicos o genómicos. Estas indicaciones incluyen el retraso del inicio
de la pubertad, la amenorrea primaria o secundaria, la infertilidad y los
genitales ambiguos.
Las anomalías más frecuentes de los cromosomas sexuales implican la
aneuploidía de los cromosomas X y/o Y. Los fenotipos asociados con estos
defectos cromosómicos son, en general, menos graves que los asociados con
los trastornos comparables de los autosomas, ya que, como se ha comentado
antes, la inactivación del cromosoma X y el bajo contenido en genes del
cromosoma Y minimizan las consecuencias clínicas del desequilibrio de los
cromosomas sexuales. Los defectos más frecuentes de los cromosomas
sexuales en nacidos vivos y en fetos son, con mucha diferencia, las trisomías
(XXY, XXX y XYY), pero los tres son raros en abortos espontáneos. En cambio,
la monosomía del X (síndrome de Turner) es menos frecuente en nacidos
vivos, pero es la anomalía cromosómica más habitual en abortos espontáneos
(v. tabla 5-2).
Aneuploidía de los cromosomas sexuales
La incidencia y las principales características de los cuatro trastornos
asociados con aneuploidía de los cromosomas sexuales se comparan en las
tablas 6-6 y 6-7. Estos síndromes bien descritos constituyen causas
importantes de infertilidad y/o anomalías del desarrollo, por lo que precisan
una descripción más detallada. Los efectos de estas anomalías cromosómicas
sobre el desarrollo se han analizado en un estudio multicéntrico de
seguimiento a largo plazo que se ha efectuado sobre cientos de individuos
afectados, algunos de los cuales han sido seguidos durante más de 40 años.
Como grupo, los individuos con aneuploidía de los cromosomas sexuales
muestran niveles más bajos de adaptación psicosocial, de desarrollo
educativo, de rendimiento laboral y de independencia económica; además, en
promedio, sus puntuaciones en los tests de inteligencia (CI) son ligeramente
más bajas que las de sus compañeros. Sin embargo, cada grupo muestra una
gran variabilidad, lo que hace imposible aplicar estas generalizaciones a los
casos concretos. De hecho, la impresión global es que hay un grado
importante de normalidad, especialmente durante la etapa adulta, lo que
constituye un hallazgo notable entre los individuos con anomalías
cromosómicas graves. Dado que casi todos los pacientes con alteraciones de
los cromosomas sexuales muestran únicamente anomalías leves del
desarrollo, la decisión de los progenitores respecto a la posible interrupción
DrBurgos
227
de un embarazo en el que se demuestra que el feto presenta este tipo de
defecto puede ser muy difícil e incluso controvertida.
Tabla 6-6
Incidencia de las alteraciones de los cromosomas sexuales
Datos actualizados de Robinson A, Linden MG, Bender BG: Prenatal diagnosis of sex chromosome
abnormalities. En Milunsky A, editor: Genetic disorders of the fetus, 4.ª ed., Baltimore, 1998, Johns Hopkins
University Press, págs. 249-285.
TDS, trastorno del desarrollo sexual.
Tabla 6-7
Características de los trastornos por aneuploidía de los cromosomas
sexuales
DrBurgos
228
Resumida de Ross JL, Roeltgen DP, Kushner H, y cols: Behavioral and social phenotypes in boys with
47,XYY syndrome or 47,XXY Klinefelter syndrome.Pediatrics129:769-778, 2012; Pinsker JE: Turner
syndrome: updating the paradigm of clinical care. J Clin Endocrinol Metab 97:E994-E1003, 2012; y AXYS,
http: www.genetic.org.
Re le va ncia de la ina ctiva ción de l cr om osom a X e n
ge né tica m é dica
Muchos de los detalles subyacentes de la inactivación del cromosoma X
tienen una base física similar a la de otros sistemas de silenciamiento
epigenético más localizados (v. tabla 3-2). No obstante, hay varias
características de inactivación del X que son cruciales para la genética
humana y médica:
• Su naturaleza cromosómica reduce el impacto del desequilibrio genético
segmentario o de todo el cromosoma, de modo que muchas anomalías
numéricas y estructurales del cromosoma X son relativamente menos
perjudiciales que las anomalías comparables de los autosomas.
DrBurgos
229
• Su naturaleza aleatoria y el mosaicismo clonal resultante influyen en gran
medida en el fenotipo clínico de las mujeres portadoras de mutaciones
monogénicas ligadas al X en uno de sus cromosomas X (v. cap. 7).
• Su dependencia del XIC es necesaria para el desarrollo femenino XX
normal, porque incluso fragmentos muy pequeños del cromosoma X
separados del XIC pueden causar anomalías fenotípicas graves debido a su
expresión a partir de ambas copias de genes contenidos en el fragmento del
X (v. fig. 6-14).
A continuación, se utiliza el síndrome de Klinefelter para ilustrar los
principios fundamentales de la aneuploidía de los cromosomas sexuales. Se
puede encontrar una descripción más detallada del síndrome de Turner
(45,X y sus variantes) en los casos clínicos (Caso 47).
Síndrome de Klinefelter (47,XXY)
El fenotipo de los pacientes típicos con síndrome de Klinefelter se muestra en
la figura 6-15. Los pacientes con síndrome de Klinefelter suelen ser infértiles
debido a fallos en el desarrollo de las células germinales y casi siempre son
diagnosticados por su infertilidad; por tanto, el síndrome de Klinefelter se
clasifica entre los trastornos del desarrollo sexual, como se verá en el
siguiente apartado. El síndrome de Klinefelter es relativamente frecuente
entre los hombres infértiles (alrededor del 4%) y entre los que presentan
oligospermia o azoospermia (alrededor del 10%). En la edad adulta, la
deficiencia persistente de andrógenos puede dar lugar a una disminución del
tono muscular, una pérdida de la libido y una reducción de la densidad
mineral ósea.
DrBurgos
230
FIGURA 6-15 Fenotipo de varones con síndrome de Klinefelter 47,XXY.
Los pacientes son altos y delgados, y tienen unas piernas relativamente largas.
Su aspecto físico es normal hasta la pubertad, cuando los signos del
hipogonadismo se hacen evidentes. La pubertad se produce a una edad normal,
pero los testículos mantienen un tamaño pequeño y los caracteres sexuales
secundarios no se desarrollan. Obsérvese la estrechez de los hombros y del
tórax. La ginecomastia es una característica de algunos varones con Klinefelter y
es visible en el paciente de 16 años de A. Véase Créditos de figuras.
Su incidencia se estima en hasta 1 por cada 600 recién nacidos de sexo
masculino. Alrededor de la mitad de los casos se produce a consecuencia de
la no disyunción en la meiosis I paterna por fallos de recombinación Xp/Yp
en la región pseudoautosómica. Entre los casos de origen materno, la mayoría
se debe a errores en la meiosis I materna; la edad materna está aumentada en
estos casos. Alrededor del 15% de los pacientes con Klinefelter tienen
cariotipos en mosaico, sobre todo 46,XY/47,XXY. Como grupo, estos pacientes
con mosaicismo muestran fenotipos variables y algunos pueden tener un
desarrollo testicular normal.
Aunque existe una amplia variación fenotípica entre los pacientes con esta
y otras aneuploidías de los cromosomas sexuales, se han identificado algunas
diferencias fenotípicas entre los pacientes con síndrome de Klinefelter y los
DrBurgos
231
hombres cromosómicamente normales (v. tabla 6-7). La habilidad y la
comprensión verbales están por debajo de las de los hombres 46,XY. Los
pacientes con el síndrome tienen un riesgo varias veces mayor de presentar
dificultades de aprendizaje, sobre todo en la lectura, que pueden precisar
educación especial. Las dificultades del lenguaje pueden causar timidez, falta
de asertividad, inmadurez aparente y un mayor riesgo de depresión. Aunque
la mayoría de los varones con Klinefelter establecen relaciones adultas
normales, muchos de los niños afectados tienen un ajuste psicosocial
relativamente bajo. Se cree que muchos casos no se diagnostican debido a que
el fenotipo es relativamente leve, aunque variable.
DrBurgos
232
Trastornos del desarrollo sexual
Al comienzo de este capítulo, se ha expuesto el papel determinante del sexo
primario del cromosoma Y y del gen SRY. En esta sección se estudiará el
papel de varios genes en el desarrollo de los ovarios y los testículos, así como
en el de los genitales externos masculinos y femeninos. Los trastornos del
desarrollo gonadal y sexual pueden deberse a errores en cualquiera de los
pasos principales de la determinación del sexo normal descritos
anteriormente (v. fig. 6-8). Estas anomalías, que oscilan desde alteraciones
gonadales hasta una incompatibilidad total entre el sexo cromosómico y
fenotípico, se denominan actualmente en conjunto trastornos del desarrollo
sexual (TDS). Son unas de las malformaciones congénitas más frecuentes; en
todo el mundo, 1 de cada 4.500 bebés nacen con un grado significativo de
genitales ambiguos y se estima que los TDS representan más del 7% de todas
las malformaciones congénitas.
Aunque el sexo cromosómico del embrión se establece en el momento de la
fecundación, en algunos recién nacidos es difícil o imposible asignar el sexo
debido a que los genitales son ambiguos, con anomalías que los hacen
parecerse en parte a los del sexo cromosómico opuesto. Estas anomalías
varían entre el hipospadias leve en hombres (una anomalía del desarrollo en
la que la uretra se abre en la parte ventral del pene o en el periné) y la
hiperplasia de clítoris en mujeres. En algunos pacientes, como se comentará
más adelante, existe tejido ovárico y testicular. Las anomalías de los genitales
externos e internos no necesariamente se acompañan de alteraciones
citogenéticas de los cromosomas sexuales y pueden reflejar anomalías
cromosómicas en otras áreas del cariotipo, alteraciones monogénicas o causas
no genéticas. No obstante, la determinación del cariotipo de un niño, que
suele acompañarse de un análisis con micromatrices cromosómicas, es una
parte esencial en la investigación de estos pacientes y puede guiar el
tratamiento quirúrgico y psicosocial, así como el asesoramiento genético.
La detección de las alteraciones citogenéticas, especialmente cuando se
observan en múltiples pacientes, también puede ofrecer datos importantes
acerca de la localización y la naturaleza de los genes implicados en la
determinación y diferenciación sexuales, algunos de los cuales se muestran en
la tabla 6-8. Los TDS se pueden clasificar en varios grupos principales
fenotípicos y por su causa física, cuyos ejemplos se describen en las siguientes
secciones. Algunos ejemplos se presentan con más detalle para ilustrar el
equilibrio crítico necesario entre varios genes y sus productos para el
desarrollo gonadal y genital normal en hombres y mujeres (v. cuadro). Estos
ejemplos también subrayan la amplia gama de métodos citogenéticos y
genómicos (cariotipos convencionales, FISH, micromatrices, análisis directo
de mutaciones) necesarios para el diagnóstico, el tratamiento clínico y
psicosocial, y el asesoramiento genético en estos trastornos.
DrBurgos
233
Tabla 6-8
Ejemplos de genes implicados en los trastornos del desarrollo sexual
Actualizada de Achermann JC, Hughes IA: Disorders of sex development. En Melmed S, Polonsky KS,
Larsen PR, Kronenberg HM, editores: Williams textbook of endocrinology, 12.ª ed., Filadelfia, 2011, WB
Saunders, págs. 886-934.
TDS, trastorno del desarrollo sexual.
Equilibr io gé nico y tr a stor nos de l de sa r r ollo se x ua l
El descubrimiento de distintas anomalías cromosómicas, genómicas y
monogénicas ligadas al Y, ligadas al X y autosómicas en diferentes pacientes
subraya el alto grado de precisión de la red de genes sensibles a la dosis que
controlan el desarrollo gonadal. Los genes apropiados y sus productos deben
expresarse en las cantidades adecuadas en el momento preciso y en el lugar
correcto en el embrión en desarrollo.
El desequilibrio de la expresión de los genes principales de las vías de
desarrollo sexual puede invalidar las señales típicas del sexo cromosómico,
lo que da lugar a la formación del testículo, incluso en ausencia de un
cromosoma Y, o al desarrollo ovárico, incluso en presencia del Y. Las
mutaciones y/o el desequilibrio de dosis (duplicaciones o deleciones) de
genes cruciales en estas vías pueden prevalecer sobre el sexo cromosómico y
causar una discordancia entre el sexo cromosómico y gonadal o entre el sexo
gonadal y fenotípico (fig. 6-16).
DrBurgos
234
FIGURA 6-16 Trastornos del desarrollo sexual (TDS) a lo largo del espectro
de eventos del desarrollo en la determinación del sexo y la diferenciación
gonadal (v. fig. 6-10).
Se muestran varios TDS junto con las mutaciones génicas y alteraciones
genómicas particulares que interfieren con el efecto primario del sexo
cromosómico (XX o XY) en el desarrollo sexual y el cambio (total o parcial) del
desarrollo sexual hacia el sexo contrario. Estas mutaciones, duplicaciones y
deleciones ilustran el papel del equilibrio y desequilibrio génicos sobre el
desarrollo del sexo gonadal, la diferenciación específica del sexo y el sexo
fenotípico. Véanse el texto y las tablas 6-8 y 6-9. HSC, hiperplasia suprarrenal
completa; SIAC, síndrome de insensibilidad androgénica completa; SIAP,
síndrome de insensibilidad androgénica parcial.
Trastornos del desarrollo gonadal
La disgenesia gonadal consiste en una pérdida progresiva de las células
germinales, que suele dar lugar a unas gónadas subdesarrolladas y
disfuncionales («en cintilla»), con la consiguiente incapacidad para
DrBurgos
235
desarrollar las características sexuales secundarias maduras. La disgenesia
gonadal suele clasificarse según el cariotipo del paciente. La disgenesia
gonadal completa (DGC) —como en el caso de los varones XX (ahora
designados formalmente TDS testicular 46,XX) o las mujeres XY (ahora
designadas formalmente DGC 46,XY)— se caracteriza por genitales externos
de aspecto normal del sexo cromosómico contrario. Los casos con genitales
externos ambiguos se clasifican como disgenesia gonadal parcial. La
disgenesia gonadal también puede asociarse con TDS de los cromosomas
sexuales; ésta es una característica constante del síndrome de Turner (v. tabla
6-7), y los pacientes con un cariotipo 45,X/46,XY presentan una disgenesia
gonadal mixta.
En la tabla 6-9 se resumen varios tipos de disgenesia gonadal, sus fenotipos
clínicos y sus causas genéticas. En la figura 6-16 se ilustran de forma
esquemática.
Tabla 6-9
Trastornos del desarrollo sexual y sus características
Resumida de Achermann JC, Hughes IA: Disorders of sex development. En Melmed S, Polonsky KS,
Larsen PR, Kronenberg HM, editores: Williams textbook of endocrinology, 12.ª ed., Filadelfia, 2011, WB
Saunders, págs. 886-934; y Pagon RA, Adam MP, Bird TD, y cols., editores: GeneReviews [Internet].
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236
Seattle, 1993-2013, University of Washington, Seattle, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1116/.
TDS, trastorno del desarrollo sexual.
Trastornos asociados con un cariotipo 46,XY
Empezaremos con los TDS asociados con un cariotipo 46,XY. La incidencia
global de estos trastornos es de alrededor de 1 de cada 20.000 nacidos vivos.
Aunque se han demostrado varios defectos citogenéticos o monogénicos,
muchos de estos casos son idiopáticos. Alrededor del 15% de los pacientes
con una DGC 46,XY tienen deleciones o mutaciones del gen SRY que
interfieren con la vía normal del sexo masculino. Sin embargo, la mayoría de
las mujeres con un cariotipo 46,XY tienen un gen SRY aparentemente normal.
El gen DAX1, localizado en Xp21.3, codifica un factor de transcripción
sensible a la dosis que interviene en la determinación del sexo gonadal, lo que
implica una interacción estrechamente regulada entre DAX1 y SRY. Aunque
la producción de SRY en un momento crítico del desarrollo precoz suele
originar la formación del testículo, un exceso de DAX1 a consecuencia de la
duplicación del gen puede anular aparentemente la función normal
determinante del desarrollo masculino del SRY, con el consiguiente
desarrollo de ovarios (v. fig. 6-16).
Un gen maestro fundamental en el desarrollo gonadal, que además es la
diana de la señalización SRY, es el gen SOX9 situado en el cromosoma 17. El
gen SOX9 se suele expresar en las fases iniciales del desarrollo en la cresta
genital y es necesario para la formación normal del testículo. Las mutaciones
en una copia del gen SOX9, que suelen asociarse a un trastorno malformativo
esquelético denominado displasia campomélica, provocan una disgenesia
gonadal completa en alrededor del 75% de los casos 46,XY (v. tabla 6-8). En
ausencia de una copia del gen SOX9, los testículos no se forman y se sigue la
vía ovárica. El fenotipo de estos pacientes sugiere que el paso crítico para la
vía masculina es que haya suficiente expresión de SOX9 para dirigir la
formación del testículo, normalmente tras el aumento de la expresión por el
gen SRY. En la DGC 46,XY, donde existe una mutación de SRY o de SOX9, los
niveles de expresión de SOX9 son demasiado bajos para la diferenciación del
testículo, lo que permite la diferenciación ovárica.
Hasta el 10% de los pacientes con diversos fenotipos de TDS 46,XY son
portadores de mutaciones en el gen NR5A1, que codifica un regulador
transcripcional de varios genes, como SOX9 y DAX1. Estas mutaciones se
asocian con una androgenización inadecuada de los genitales externos, lo que
provoca genitales ambiguos, disgenesia gonadal parcial y estructuras
müllerianas ausentes o rudimentarias.
Trastornos asociados con un cariotipo 46,XX
Varios fenotipos denominados TDS testiculares 46,XX (antes denominados
inversión sexual XX) se caracterizan por la presencia de genitales externos
masculinos en individuos con un cariotipo 46,XX aparentemente normal. La
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incidencia global es de alrededor de 1/20.000.
La mayoría de los pacientes tienen un aspecto masculino normal al nacer y
no se diagnostican hasta la pubertad, por la presencia de testículos pequeños,
ginecomastia e infertilidad, a pesar de que el resto de los genitales masculinos
y el vello púbico tienen un aspecto normal (v. tabla 6-9). Como se ha descrito
previamente en la sección sobre el cromosoma Y, en la mayoría de estos
pacientes se observa la existencia de una copia de un gen SRY normal
translocado a un cromosoma X, debido a recombinación aberrante (v. fig. 611) (Caso 41).
Sin embargo, los varones 46,XX que carecen de un gen SRY constituyen un
grupo clínicamente más heterogéneo. Alrededor del 15-20% de estos
pacientes pueden diagnosticarse al nacer por la presencia de genitales
ambiguos, con hipospadias penoescrotal y criptorquidia (testículos no
descendidos); no hay estructuras müllerianas identificables, y su identidad
sexual es masculina. No obstante, un porcentaje algo menor de pacientes
tiene tanto tejido ovárico como testicular, o bien como un ovotestis o bien
como un ovario y testículo separados, trastorno denominado TDS 46,XX
ovotesticular (antes denominado hermafroditismo verdadero).
Los pacientes con TDS testicular o TDS ovotesticular que carecen de un gen
SRY translocado han sido objeto de una intensa investigación para identificar
el (o los) defecto(s) genético(s) responsable(s). Se ha descrito la presencia de
duplicaciones de al menos dos genes, lo que sugiere que el aumento de los
niveles de los reguladores transcripcionales puede compensar la ausencia de
SRY e iniciar la vía específica testicular (v. tabla 6-8 y fig. 6-16). Tanto las
duplicaciones de genes como las mutaciones reguladoras pueden aumentar el
nivel de expresión de SOX9 para eludir la necesidad de SRY. Asimismo, las
duplicaciones del gen SOX3 ligadas al cromosoma X, cuya secuencia está
muy relacionada con la del gen SRY, pueden estimular el aumento de la
expresión de SOX9, lo que sustituye la necesidad habitual de SRY.
Desarrollo y mantenimiento del ovario
Varios genes se han implicado en el desarrollo ovárico normal gracias al
estudio de los TDS (v. tabla 6-8). Por tanto, puede que el desarrollo ovárico no
sea la vía «por defecto», como suele describirse, sino el resultado de
interacciones equilibradas entre diversos genes, algunos de los cuales
normalmente estimulan la vía ovárica y otros que normalmente inhiben los
factores implicados en la vía masculina contraria.
El mantenimiento del ovario suele durar hasta 5 décadas en mujeres sanas.
La pérdida de la función ovárica normal antes de los 40 años, que se observa
en alrededor del 1% de las mujeres, se considera un fallo ovárico prematuro
(o insuficiencia ovárica prematura). Desde hace tiempo se considera que
para el mantenimiento del ovario son necesarios dos cromosomas X, dado
que las mujeres 45,X se caracterizan por una pérdida de células germinales
con degeneración de los ovocitos y disgenesia ovárica, a pesar de que durante
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su etapa intrauterina muestran un inicio normal del desarrollo ovárico.
Además, las pacientes con cariotipo 47,XXX o con alteraciones citogenéticas
que afectan a Xq, así como las portadoras del síndrome del cromosoma X
frágil (Caso 17), muestran con frecuencia cuadros de insuficiencia ovárica
prematura. Dado que muchas deleciones no solapadas en Xq dan lugar al
mismo efecto, este hallazgo puede reflejar la necesidad de la existencia de dos
cromosomas X estructuralmente normales durante la ovogénesis o bien
puede constituir simplemente un requerimiento de múltiples genes ligados al
X.
En casos familiares de insuficiencia ovárica prematura y en diversas formas
de disgenesia gonadal 46,XX se ha implicado la intervención de casi una
docena de genes específicos.
Trastornos del desarrollo sexual que implican al
sexo fenotípico
Los pacientes descritos previamente ilustran la discordancia entre su sexo
cromosómico y su sexo gonadal, lo que suele dar lugar a una disgenesia
gonadal (v. Fig. 6-16). Por el contrario, los individuos con un TDS 46,XX o
46,XY tienen un tejido gonadal que se corresponde con su sexo cromosómico.
Sin embargo, su discordancia radica en la determinación del sexo fenotípico:
en este caso, sus genitales internos y/o externos muestran características
contrarias a las que serían de esperar en función del sexo cromosómico y
gonadal (v. fig. 6-16). Por tanto, los pacientes con un TDS 46,XX tienen un
cariotipo 46,XX con tejido ovárico normal, pero con genitales ambiguos o
masculinos, mientras que aquéllos con un TDS 46,XY tienen un cariotipo
46,XY y tejido testicular, pero con unos genitales externos masculinizados de
forma incompleta o femeninos. Por tanto, a los pacientes de ambos tipos se
les describía previamente con el término de «pseudohermafroditismo», que
ya no se utiliza.
Virilización de los lactantes 46,XX: hiperplasia suprarrenal
congénita
Estos pacientes presentan cariotipos 46,XX con un útero y ovarios normales,
pero con genitales externos ambiguos o masculinos debido a una virilización
excesiva. La mayoría de estos pacientes tienen hiperplasia suprarrenal
congénita (HSC), un trastorno autosómico recesivo originado por defectos
específicos de enzimas de la corteza suprarrenal necesarias para la biosíntesis
del cortisol, que producen la virilización de los lactantes 46,XX. Además de
ser una causa frecuente de virilización femenina, la HSC es la causa de
alrededor de la mitad de todos los casos de ambigüedad de los genitales
externos. El desarrollo ovárico es normal, pero una producción excesiva de
andrógenos causa masculinización de los genitales externos, con aumento de
tamaño del clítoris y fusión de los labios mayores con formación de una
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estructura parecida a un escroto (fig. 6-17).
FIGURA 6-17 Genitales externos masculinizados de una niña 46,XX causados
por hiperplasia suprarrenal congénita (forma virilizante). Véase el texto para la
descripción. Véase Créditos de figuras.
Aunque en la HSC pueden estar alterados varios procesos enzimáticos, el
defecto más común es la deficiencia de 21-hidroxilasa, con una incidencia de
alrededor de 1/12.500 nacimientos. La deficiencia de 21-hidroxilasa bloquea la
biosíntesis normal de los glucocorticoides y los mineralocorticoides, lo que
causa un exceso de precursores, que son desviados hacia la vía de biosíntesis
de andrógenos, con la consiguiente elevación de los valores androgénicos en
los embriones XX y XY. Los lactantes 46,XX con deficiencia de 21-hidroxilasa
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nacen con genitales ambiguos, mientras que los lactantes XY afectados tienen
genitales externos normales y pueden pasar desapercibidos en la primera
infancia. El 25% de los pacientes con deficiencia clásica de 21-hidroxilasa
presentan el tipo virilizante simple, y el 75% tienen el tipo con pérdida de sal,
mucho más grave, que puede ocasionar la muerte neonatal. En muchos países
existe hoy día un método de cribado que identifica este trastorno en recién
nacidos (v. cap. 16). El tratamiento médico, quirúrgico y psicosocial a tiempo
de las pacientes 46,XX con HSC mejora sus tasas de fertilidad y potencia su
identidad femenina normal.
Masculinización incompleta de los lactantes 46,XY: síndrome de
insensibilidad androgénica
Las causas de TDS en individuos 46,XY incluyen, además de los trastornos de
la formación de los testículos durante el desarrollo embrionario, las
anomalías de las gonadotropinas, los errores de la biosíntesis y el
metabolismo de la testosterona, y las anomalías de las células diana de
andrógenos. Todos estos trastornos son heterogéneos desde los puntos de
vista clínico y genético, y en algunos casos pueden no ser más que leves
manifestaciones de la misma causa que subyace al TDS ovotesticular. En el
TDS 46,XY, las gónadas son exclusivamente testículos, pero los conductos
genitales y los genitales externos están incompletamente masculinizados (v.
fig. 6-16).
Hay varias formas de insensibilidad androgénica que producen
masculinización incompleta de los individuos 46,XY. A continuación se
presentan los principios esenciales poniendo como ejemplo el síndrome
ligado al X denominado síndrome de insensibilidad androgénica (antes
denominado feminización testicular). Tal como indica su antigua
denominación, existen testículos en el abdomen o en el conducto inguinal,
donde a veces se confunden con hernias en lactantes que, por otra parte,
parecen mujeres normales. Aunque los testículos en estos pacientes segregan
andrógenos de forma normal, no existe respuesta a ellos en los órganos
debido a una ausencia de receptores androgénicos en el citoplasma de las
correspondientes células diana. La proteína receptora, codificada por el alelo
normal en el locus de receptor androgénico (AR) ligado al X, tiene la misión
de formar un complejo con la testosterona y la dihidrotestosterona. Si no se
forma este complejo, la hormona no puede entrar en el núcleo, no se adhiere a
la cromatina y no puede estimular la transcripción de genes diana necesarios
para que la diferenciación se dirija hacia la vía masculina. Existen cientos de
casos en los que se ha podido determinar el defecto molecular, que va desde
una deleción completa del gen AR hasta mutaciones puntuales en el dominio
de unión a andrógenos o el dominio de unión a DNA de la proteína del
receptor androgénico.
Los individuos afectados son varones cromosómicos (cariotipo 46,XY) con
genitales externos femeninos aparentemente normales, pero tienen una
vagina ciega y carecen de útero y de trompas uterinas. La incidencia de la
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insensibilidad androgénica es de alrededor 1 de cada 10.000-20.000 nacidos
vivos, y se han descrito formas completas y parciales, dependiendo de la
gravedad del defecto genético. En la forma completa (fig. 6-18), el vello axilar
y púbico es escaso o ausente, y el desarrollo mamario se produce a la edad
correcta, pero sin menstruaciones; la amenorrea primaria suele ser el signo
clínico de presentación que permite establecer el diagnóstico. Por ello, la
asignación de sexo no suele ser un problema y el desarrollo psicosexual y la
función sexual de estos pacientes son los de una mujer 46,XX típica (excepto
en lo que se refiere a la fertilidad).
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FIGURA 6-18
Fenotipo de un individuo 46,XY con síndrome de
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insensibilidad androgénica completa.
Obsérvese la silueta corporal femenina, el desarrollo mamario, la ausencia de
vello axilar y el escaso vello púbico. Véase Créditos de figuras.
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Trastornos del neurodesarrollo y
discapacidad intelectual
Por último, citaremos otra clase de trastornos que, a semejanza de los
trastornos del desarrollo sexual que acabamos de describir, a menudo
requieren una amplia gama de métodos cromosómicos y genómicos para el
diagnóstico, el tratamiento y el asesoramiento genético. Los trastornos del
neurodesarrollo son muy heterogéneos y abarcan alteraciones de la
cognición, la comunicación, la conducta y el funcionamiento motor. De forma
general, la categoría de los trastornos del neurodesarrollo incluye
diagnósticos solapados como la discapacidad intelectual (definida como el
deterioro de las funciones cognitivas y adaptativas en la infancia), el trastorno
del espectro autista (TEA) (Caso 5) y el trastorno por déficit de atención con
hiperactividad (TDAH). Esta categoría también puede incluir varios
trastornos neuropsiquiátricos como la esquizofrenia y el trastorno bipolar,
que son rasgos complejos del tipo que se describe más adelante, en el capítulo
8.
Se estima que la incidencia global de la discapacidad intelectual y el retraso
del desarrollo es de al menos un 2-3%, mientras que el TEA llega hasta el 1%.
La determinación de la causa genética de la discapacidad intelectual en la
mayoría de los pacientes es especialmente difícil, sobre todo cuando no hay
otras pistas clínicas ni información sobre el gen o región específica del
genoma responsable. El diagnóstico preciso puede ser útil para el manejo
clínico y el asesoramiento genético, en especial en los casos esporádicos sin
antecedentes familiares evidentes. Por lo tanto, se debe valorar el uso de toda
la gama de métodos de cribado, incluidos el cariotipado y las micromatrices
cromosómicas, así como la secuenciación del exoma y del genoma completos.
Desequilibrio genómico en los trastornos del
neurodesarrollo
En grandes estudios en los que se ha comparado el rendimiento diagnóstico
en esta población de pacientes, el análisis de micromatrices cromosómicas
detecta desequilibrios genómicos patógenos en alrededor del 12-16% de los
casos, lo que supone aproximadamente cinco veces más que el cariotipado
sólo con bandeo G; por este motivo, las micromatrices cromosómicas se
consideran cada vez más una prueba clínica de primera línea para identificar
desequilibrios genómicos en pacientes con discapacidad intelectual o TEA sin
causa evidente. Aunque tanto en la discapacidad intelectual como en el TEA
existe un aumento de la presencia de múltiples variantes del número de
copias (CNV) raras, las CNV en pacientes con discapacidad intelectual
tienden a ser más grandes y a abarcar más genes, y tienen más probabilidades
de presentar un origen de novo que las detectadas en los pacientes con TEA.
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245
Hasta el momento, se han implicado muchos cientos de genes, estimándose
que hay hasta mil o más genes en el genoma que, cuando están presentes en
muy pocas o demasiadas copias, pueden dar lugar a trastornos del
neurodesarrollo.
Aunque el cribado del desequilibrio genómico debido a CNV se acepta
cada vez más como una herramienta diagnóstica, la identificación de genes
individuales y sus mutaciones patógenas sigue planteando dificultades
importantes debido a la heterogeneidad clínica y genética. Algunos genes
parecen ser dianas recurrentes de mutación y representan un porcentaje
elevado de casos; la secuenciación del exoma puede identificar variantes
codificantes de novo con una patogenicidad probable o comprobada en
alrededor del 15% de los pacientes con discapacidad intelectual grave,
esporádica y no sindrómica, así como en cohortes de pacientes con
diagnóstico de TEA. Mediante la secuenciación del genoma completo,
también se han identificado mutaciones probablemente patógenas, tanto de
novo como heredadas, en el TEA y la discapacidad intelectual.
Aunque estos métodos son muy útiles para el descubrimiento de genes, la
secuenciación a gran escala del genoma o del exoma como estrategia de
análisis clínico rutinario probablemente requerirá una mayor reducción
adicional del coste, así como de mejoras en la capacidad de distinguir una
mutación patógena de entre el gran número de variantes de significado
desconocido que se encuentran en cualquier genoma individual.
Discapacidad intelectual ligada al X
Un aspecto conocido desde hace tiempo acerca de la discapacidad intelectual
es que hay un exceso en el número de varones afectados en la población. Se
han descrito un gran número de mutaciones, microdeleciones o duplicaciones
causantes de discapacidad intelectual ligada al cromosoma X. La incidencia
conjunta de estos defectos ligados al X se ha estimado en hasta 1 de cada 5001.000 nacidos vivos.
La causa más frecuente de discapacidad intelectual ligada al X es la
mutación del gen FMR1 en los varones con síndrome del cromosoma X frágil
(Caso 17). Sin embargo, cerca de otros 100 genes ligados al X se han
implicado en la discapacidad intelectual ligada al X, en su mayoría basándose
en estudios de familias numerosas. Mediante el análisis de micromatrices
cromosómicas, se han identificado CNV e inserciones-deleciones
supuestamente causantes en un 10% de esas familias. Además, los estudios
de secuenciación del exoma resumidos en la sección anterior para identificar
los cambios de novo en pacientes con discapacidad intelectual han puesto de
manifiesto un exceso de estas mutaciones en el cromosoma X.
Heterogeneidad clínica y solapamiento
diagnóstico
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246
Una dificultad especial para la comprensión de los trastornos del
neurodesarrollo, su etiología y su evolución clínica es el elevado grado de
heterogeneidad clínica, la coocurrencia de los síntomas y el solapamiento
diagnóstico entre ellos. En los casos debidos a CNV o a mutaciones
monogénicas, el mismo defecto puede dar lugar a distintos diagnósticos
clínicos en diferentes casos e incluso en distintos familiares (algunos con
discapacidad intelectual, otros con TEA y otros con trastornos psiquiátricos
diagnosticados). Esta heterogeneidad y solapamiento, incluso cuando se
clasifican por diagnóstico genético/genómico en lugar de por su diagnóstico
clínico, sugiere la necesidad de un mayor estudio de las correlaciones
genotipo/fenotipo para detectar de manera significativa la amplia gama de
fenotipos que pueden surgir en las personas con la misma enfermedad
genética. Como se ilustra en la figura 6-19, un factor importante es analizar el
efecto de la CNV o la mutación comparando los individuos afectados con sus
familiares no afectados (en lugar de con individuos no emparentados de la
población general), lo que minimiza los efectos de confusión de la amplia
gama de fenotipos cognitivos y conductuales que se observan incluso en la
población general.
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247
FIGURA 6-19 Modelo del impacto de los cambios genéticos o genómicos
sobre el desarrollo cognitivo, neuroconductual y motor del individuo.
En este esquema, el perfil observado de las aptitudes en los probandos
(recuadros oscuros) muestra el efecto perjudicial de una variante del número de
copias (CNV) sobre el perfil previsto que sería de esperar en función del contexto
familiar (recuadros grises). El efecto fenotípico de una CNV particular varía entre
los tres elementos del neurodesarrollo. La línea de puntos morada representa el
umbral diagnóstico (2 DE por debajo de la media). A, En esta familia, el efecto
perjudicial de la CNV sobre los rasgos cognitivos cuantitativos (p. ej., CI) da lugar
al diagnóstico de discapacidad intelectual, mientras que los rasgos
neuroconductuales y motores no están en el rango de discapacidad clínica. B, Por
el contrario, en una familia diferente, debido a unas normas familiares distintas, el
efecto perjudicial de la misma CNV da lugar a un diagnóstico de trastorno
neuroconductual (p. ej., esquizofrenia), pero sin discapacidad intelectual ni
motora. Véase Créditos de figuras.
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248
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P r oble m a s
1. En una mujer con cariotipo 47,XXX, ¿qué gametos se formarán
teóricamente y en qué proporciones?, ¿cuáles son los cariotipos y fenotipos
teóricos de su progenie?, ¿cuáles son los cariotipos y fenotipos reales de su
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250
progenie?
2. Los individuos portadores de una copia de la inv(9) descrita en el texto son
clínicamente normales. Indique dos posibles explicaciones.
3. Las tasas de nacimientos de hombres 47,XXY y 47,XYY son
aproximadamente iguales. ¿Es esto lo que se espera según el posible origen
de estos dos cariotipos anómalos? Explíquelo.
4. ¿Cómo puede llegar a tener un fenotipo masculino una persona con un
cariotipo XX?
5. En un paciente con estatura corta, disgenesia gonadal y discapacidad
intelectual, se observa un pequeño cromosoma X en anillo céntrico que
carece del centro de inactivación del cromosoma X. Debido a que la
discapacidad intelectual no es una característica típica del síndrome de
Turner, explique la presencia de retraso mental con o sin otras anomalías
físicas asociadas en individuos con un cariotipo 46,X,r(X). En un
diagnóstico prenatal de una familia diferente, se detecta un anillo algo más
grande que contiene el centro de inactivación del cromosoma X. Qué
fenotipo puede predecirse para el feto en este embarazo?
6. Una recién nacida con genitales ambiguos presenta déficit de 21hidroxilasa con pérdida de sal. ¿Qué cariotipo espera encontrar?, ¿qué
trastorno sufre?, ¿qué asesoramiento genético se puede ofrecer a sus
padres?
7. ¿Qué consecuencias clínicas se esperan en las siguientes deleciones? Si en
todos los casos la cantidad de DNA delecionado es la misma, ¿por qué
motivos sería diferente la gravedad de cada una?
a. 46,XX,del(13)(pter→p11.1:)
b. 46,XY,del(Y)(pter→q12:)
c. 46,XX,del(5)(p15)
d. 46,XX,del(X)(q23q26)
8. Explique el hecho de que las personas con aneuploidía del cromosoma X no
son completamente normales desde el punto de vista clínico.
9. En genética clínica, usted tiene que ofrecer asesoramiento genético a las
cinco mujeres siguientes que solicitan información acerca del riesgo de que
el hijo que van a tener sufra síndrome de Down. ¿Cuáles son los riesgos y
por qué?
a. Una gestante de 23 años con un niño previo con trisomía 21.
b. Una gestante de 41 años con un niño previo con trisomía 21.
c. Una gestante de 27 años cuya sobrina tiene síndrome de Down.
d. Una gestante portadora de una translocación robertsoniana 14;21.
e. Una gestante cuyo marido es portador de una translocación
robertsoniana 14;21.
10. Se realiza el cariotipo en una niña con síndrome de Down y se observa
que es portadora de una translocación 21q21q. Con la nomenclatura
citogenética estándar, ¿cuál es su cariotipo?
11. Las inversiones paracéntricas no suelen suscitar el problema de
desequilibrio en la descendencia. ¿Por qué no?
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251
CAPÍTULO 7
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252
Patrones de herencia monogénica
En el capítulo 1 se expusieron brevemente las tres categorías principales de
trastornos genéticos: monogénicos, cromosómicos y complejos. En este
capítulo, se van a explicar con detalle los patrones característicos de
transmisión de los trastornos monogénicos, con insistencia en los mecanismos
de transmisión génica y genómica expuestos de forma general en los
capítulos 2 y 3; en este capítulo se hará hincapié en los diversos patrones de
herencia de las enfermedades genéticas en familias. Después, en el capítulo 8,
se describirán los patrones más complejos de herencia, incluyendo los
trastornos multifactoriales que se deben a interacciones entre las variantes en
uno o más genes, así como los factores ambientales.
DrBurgos
253
Panorámica general y conceptos
Genotipo y fenotipo
Para los loci autosómicos (y los loci ligados al cromosoma X en las mujeres),
el genotipo de una persona en un locus consta de ambos alelos que ocupan
ese locus en los dos cromosomas homólogos (fig. 7-1). El genotipo no debe
confundirse con el haplotipo, que es el conjunto de alelos en dos o más loci
vecinos en uno de los dos cromosomas homólogos. De forma más general, el
término genotipo puede referirse a todos los pares de alelos que constituyen
colectivamente la dotación genética de un individuo en todo el genoma. El
fenotipo, como se describió inicialmente en el capítulo 3, es la expresión del
genotipo como un rasgo morfológico, clínico, celular o bioquímico que puede
observarse clínicamente o que tal vez sólo se detecte mediante un análisis de
sangre o tisular. El fenotipo puede ser discreto, como la presencia o ausencia
de una enfermedad, o puede ser cuantitativo, como el índice de masa
corporal o la glucemia. Por supuesto, el fenotipo puede ser normal o
patológico en un individuo concreto, pero en este libro (en el que se
consideran básicamente los trastornos con significación médica), el objetivo es
el estudio de los fenotipos patológicos, es decir, en los trastornos genéticos.
FIGURA 7-1 Conceptos de genotipo y fenotipo.
(Izquierda) El genotipo es la información codificada en el genoma. Diagrama de
un par de cromosomas homólogos y de dos loci en dichos cromosomas, locus 1 y
locus 2, en un individuo que es heterocigoto para ambos loci. Tiene los alelos A y
a en el locus 1 y los alelos B y b en el locus 2. El genotipo del locus 1 es Aa,
mientras que el del locus 2 es Bb. Los dos haplotipos en estos cromosomas
homólogos son A-B y a-b. (Derecha) El fenotipo es la manifestación física, clínica,
celular o bioquímica del genotipo, como se ilustra en este caso por los aspectos
morfométricos de la cara de una persona.
DrBurgos
254
Cuando una persona posee un par de alelos idénticos en un locus
codificado en el DNA nuclear, decimos que es homocigota; cuando los alelos
son diferentes y uno es del tipo natural o común, decimos que es
heterocigota. El término de heterocigoto compuesto se utiliza para describir
un genotipo en el que están presentes dos alelos mutantes diferentes del
mismo gen, y no a la presencia de un alelo común y otro mutante. Estos
términos (homocigoto, heterocigoto y heterocigoto compuesto) se pueden aplicar a
una persona o a un genotipo. En el caso especial en el que una persona de
sexo masculino posee un alelo anómalo de un gen localizado en el
cromosoma X y no existe otra copia del gen, no es homocigota ni
heterocigota, pero se denomina hemicigota. El DNA mitocondrial también es
un caso especial. A diferencia de las dos copias de cada gen existentes en cada
célula diploide, las moléculas de DNA mitocondrial y los genes codificados
por el genoma mitocondrial presentan entre decenas y miles de copias por
célula (v. cap. 2). Por esta razón, los términos homocigoto, heterocigoto y
hemicigoto no se utilizan para describir los genotipos en los loci
mitocondriales.
Un trastorno monogénico está determinado principalmente por los alelos
de un único locus. Las enfermedades monogénicas conocidas están recogidas
en la referencia clásica del difunto Victor A. McKusick, Mendelian Inheritance
in Man, que durante decenios ha constituido un elemento indispensable para
los especialistas en genética médica. Estas enfermedades siguen uno de los
patrones clásicos de herencia en las familias (autosómico recesivo,
autosómico dominante, ligado al X), por lo que se denominan mendelianas
debido a que, de la misma forma que las características de los guisantes
cultivados que fueron estudiados por Gregor Mendel, aparecen en
proporciones fijas entre los descendientes de tipos específicos de
emparejamientos.
Un único gen o par de genes anormales a menudo produce múltiples
efectos fenotípicos diversos en varios sistemas orgánicos, con la aparición de
distintos signos y síntomas en diferentes momentos durante la vida. Por citar
sólo un ejemplo, los individuos con una mutación del gen VHL puede tener
hemangioblastomas en el encéfalo, la médula espinal y la retina, quistes
renales, quistes pancreáticos, carcinoma de células renales, feocromocitoma y
tumores endolinfáticos del oído interno, así como tumores en el epidídimo en
varones o del ligamento ancho del útero en las mujeres (aunque todas estas
manifestaciones de la enfermedad se originen por la misma mutación
individual). En estas circunstancias, se dice que el trastorno presenta
pleiotropía (del griego pleion y tropos, más vueltas), y la expresión del defecto
génico se denomina pleiotrópica. En la actualidad, para muchos trastornos
pleiotrópicos, la conexión entre el defecto genético y las diversas
manifestaciones no es evidente ni se comprende por completo.
Los trastornos monogénicos afectan a los niños de manera
desproporcionada, pero no exclusivamente. Los trastornos monogénicos
graves afectan a 1 de cada 300 recién nacidos y se estima que motivan
DrBurgos
255
alrededor del 7% de las hospitalizaciones pediátricas. Aunque menos del 10%
de los trastornos monogénicos se manifiestan después de la pubertad y sólo
el 1% ocurre después del final del período reproductivo, los trastornos
mendelianos se deben tener en cuenta en la medicina de adultos. Hay cerca
de 200 trastornos mendelianos cuyos fenotipos incluyen enfermedades
frecuentes en adultos, como cardiopatías, ictus, cáncer y diabetes. Aunque los
trastornos mendelianos no son en absoluto el principal factor etiológico de
estas enfermedades comunes en la población general, son importantes para
los pacientes individuales debido a su importancia para la salud de otros
familiares y por la disponibilidad de pruebas genéticas y de numerosas
opciones terapéuticas para muchos de ellos.
Penetrancia y expresividad
Para algunos trastornos genéticos, un genotipo patológico siempre se expresa
por completo al nacer como un fenotipo anormal. Sin embargo, la experiencia
clínica nos enseña que otros trastornos no se expresan en absoluto o pueden
variar sustancialmente en cuanto a sus síntomas, gravedad clínica o edad de
inicio, incluso entre los miembros de una familia que comparten el mismo
genotipo patológico. Los genetistas utilizan distintos términos para describir
estas diferencias de expresión clínica.
La penetrancia es la probabilidad de que un alelo o alelos mutantes
presenten cualquier nivel de expresión fenotípica. Cuando la frecuencia de
expresión de un fenotipo es inferior al 100% (es decir, cuando algunos de los
individuos con el genotipo relevante no muestran en absoluto el fenotipo
correspondiente), decimos que el trastorno muestra una penetrancia
reducida o incompleta. La penetrancia es un concepto de todo o nada. Es el
porcentaje de personas de cualquier edad con un genotipo de predisposición
y que sufren la enfermedad, con independencia de la gravedad.
La penetrancia de algunos trastornos depende de la edad; es decir, puede
ocurrir en cualquier momento, desde una etapa precoz del desarrollo
intrauterino hasta los años posreproductivos. Algunos trastornos son
mortales en la fase prenatal, mientras que otros pueden diagnosticarse antes
de nacer (p. ej., mediante ecografía; v. cap. 17), pero son compatibles con un
recién nacido vivo; otros puede que sólo se diagnostiquen al nacer
(congénitos)*. Otros trastornos comienzan por lo general o exclusivamente en
la infancia o en la edad adulta. Sin embargo, incluso en éstos (y en ocasiones
incluso en la misma familia) dos individuos que sean portadores del mismo
genotipo patológico pueden desarrollar la enfermedad a edades muy
diferentes.
A diferencia de la penetrancia, la expresividad no se refiere a la presencia o
ausencia de un fenotipo, sino a la gravedad de la expresión de ese fenotipo en
individuos que presentan el mismo genotipo causante de la enfermedad.
Cuando la gravedad de la enfermedad difiere en las personas que poseen el
mismo genotipo, decimos que el fenotipo muestra una expresividad variable.
Incluso en la misma familia, dos individuos portadores de los mismos genes
DrBurgos
256
mutantes pueden presentar algunos signos y síntomas en común, mientras
que el resto de las manifestaciones pueden ser muy diferentes, según los
tejidos u órganos afectados. La dificultad para el clínico que trate a estas
familias radica en no pasar por alto los signos muy sutiles de un trastorno en
un familiar y, debido a ello, confundir una expresividad leve con una falta de
penetrancia o inferir que el individuo no tiene el genotipo causante de la
enfermedad.
DrBurgos
257
Árboles genealógicos
Los trastornos monogénicos se caracterizan por sus patrones de transmisión
en las familias. Para establecer el patrón de transmisión, un primer paso
habitual es la obtención de información relativa a la historia familiar del
paciente y resumir los detalles de esta información en un árbol genealógico,
una representación gráfica del árbol familiar en la que se utilizan símbolos
estándar (fig. 7-2). La familia ampliada que queda recogida en este tipo de
árboles genealógicos se denomina árbol de parentesco (fig. 7-3). El miembro
de la familia a través del cual el especialista en genética detecta inicialmente
la presencia de un trastorno genético es el probando (sinónimos, propósito o
caso índice) en los casos en los que está afectado. La persona que se pone en
contacto con el especialista en genética para realizar una consulta sobre su
familia es el consultante, que, a su vez, puede ser un familiar afectado o no
afectado del probando. Una familia puede tener más de un probando si es
valorada a través de más de una fuente. Los probandos tienen hermanos y
hermanas (sibs, en inglés), y el conjunto de ellos se denomina conjunto de
hermanos (sibship, en inglés). Los parientes se clasifican en familiares de
primer grado (progenitores, hermanos e hijos del probando), familiares de
segundo grado (abuelos y nietos, tíos y tías, sobrinos y sobrinas, y
hermanastros), familiares de tercer grado (p. ej., primos hermanos), etcétera,
según el número de pasos que exista en el árbol genealógico entre dos
parientes. Los hijos de primos hermanos son primos segundos, y un hijo de
un primo hermano es un «primo hermano de primera generación» de los
primos hermanos de sus progenitores. Las parejas con uno o más
antepasados comunes son consanguíneas. Si el probando es el único
miembro de la familia afectado, es un caso aislado (v. fig. 7-3); en las
situaciones en las que un caso aislado se debe a una mutación nueva en el
probando, hablamos de caso esporádico. Cuando existe un diagnóstico
definitivo basado en comparaciones con otros pacientes, a menudo es posible
utilizar patrones de herencia bien establecidos en otras familias que sufren el
mismo trastorno con objeto de realizar el asesoramiento genético, a pesar de
que el paciente constituya un caso aislado en la familia. Por tanto, incluso
cuando un paciente no tenga familiares afectados de forma similar, puede
que todavía sea posible reconocer que el trastorno tiene un origen genético y
determinar el riesgo para otros familiares.
DrBurgos
258
FIGURA 7-2
Símbolos utilizados habitualmente en las representaciones
gráficas de los árboles genealógicos.
A pesar de que no hay un sistema uniforme de notación en este tipo de gráficos,
los símbolos que se presentan en la figura están fundamentados en las
recomendaciones recientes efectuadas por los profesionales en el campo del
asesoramiento genético.
FIGURA 7-3 Relaciones en un árbol familiar.
La probando, III-5 (flecha), representa un caso aislado de un trastorno genético.
Tiene cuatro hermanos, III-3, III-4, III-7 y III-8. Su pareja/cónyuge es III-6, y tienen
tres hijos (su progenie F1). La probando tiene nueve familiares en primer grado
(sus padres, sus hermanos y sus hijos), nueve familiares en segundo grado
(abuelos, tíos y tías, sobrinos y sobrinas, y nietos), dos familiares en tercer grado
(primos hermanos) y cuatro familiares en cuarto grado (primo hermano de primera
generación). IV-3, IV-5 y IV-6 son primos segundos de IV-1 y IV-2. IV-7 y IV-8,
cuyos padres son consanguíneos, están doblemente relacionados con la
probando: son familiares en segundo grado a través del padre y familiares en
cuarto grado a través de la madre.
DrBurgos
259
El análisis del árbol genealógico es un primer paso esencial a la hora de
determinar el patrón de herencia de un trastorno genético en una familia. Sin
embargo, hay varias situaciones en las que puede ser difícil determinar el
patrón de herencia de un árbol genealógico en particular. El patrón
hereditario en una familia con una enfermedad letal que afecta a un feto en
las primeras fases del embarazo puede no estar claro debido a que todo lo
que se observa pueden ser abortos múltiples o una disminución de la
fertilidad. Por el contrario, en los fenotipos que se manifiestan a edades
variables, un individuo afectado puede tener familiares no afectados que aún
no hayan alcanzado la edad a la que se manifiesta el gen mutante. Además de
la menor penetrancia o de la expresividad variable que puede ocultar la
existencia de familiares portadores del genotipo mutante, el genetista puede
carecer de información precisa sobre la presencia del trastorno en los
miembros de la familia o sobre las relaciones familiares. Por último, debido al
pequeño tamaño típico de las familias actuales en la mayor parte de los países
desarrollados, el paciente puede ser por azar el único miembro de la familia
afectado, lo que hace muy difícil la determinación de cualquier patrón de
herencia.
DrBurgos
260
Herencia mendeliana
Los patrones hereditarios que muestran los trastornos monogénicos en las
familias dependen principalmente de dos factores:
• De la localización cromosómica del locus del gen, que puede ser un
autosoma (cromosomas 1 a 22) o un cromosoma sexual (cromosomas X e
Y), o el genoma mitocondrial.
• De si el fenotipo es dominante (se expresa solamente cuando un
cromosoma es portador del alelo mutante) o recesivo (se expresa solamente
cuando ambos cromosomas de un par son portadores de alelos mutantes
en un locus).
Herencia autosómica, ligada al X y mitocondrial
Los diferentes patrones de transmisión de los autosomas, los cromosomas
sexuales y las mitocondrias durante la meiosis dan lugar a patrones de
herencia específicos de los alelos mutantes en estos distintos tipos de
cromosomas (v. cap. 2). Debido a que sólo una de las dos copias de cada
autosoma se transmite a un único gameto durante la meiosis, los varones y
mujeres heterocigotos para un alelo mutante en un autosoma tienen un 50%
de probabilidades de transmitir ese alelo a cualquiera de sus hijos, con
independencia del sexo del niño. Sin embargo, los alelos mutantes en un
cromosoma X, no se distribuyen por igual a los hijos e hijas. Los varones
transmiten su cromosoma Y a sus hijos y el X a sus hijas; por tanto, no pueden
transmitir un alelo del cromosoma X a sus hijos y siempre transmiten el alelo a
sus hijas (a menos que esté en uno de los loci pseudoautosómicos; v. cap. 6).
Debido a que las mitocondrias se heredan sólo de la madre, con
independencia del sexo de la descendencia, las mutaciones del genoma
mitocondrial no se heredan según un patrón mendeliano. En el resto de este
capítulo se describirá la herencia autosómica, la ligada al X y la mitocondrial.
Rasgos dominantes y recesivos
Loci autosómicos
Según la definición clásica, un fenotipo es recesivo si se expresa sólo en los
homocigotos, hemicigotos o heterocigotos compuestos, todos los cuales
carecen de un alelo de tipo natural, y nunca en los heterocigotos, que sí tienen
un alelo de tipo natural o común. Por el contrario, el patrón de herencia es
dominante cuando un fenotipo se expresa en los heterocigotos, así como en los
homocigotos (o heterocigotos compuestos). Para la gran mayoría de las
enfermedades hereditarias dominantes, los homocigotos o heterocigotos
compuestos para los alelos mutantes en loci autosómicos presentan una
afectación más grave que los heterocigotos, en un patrón de herencia
DrBurgos
261
denominada dominante incompleta (o semidominante). Se conocen muy
pocas enfermedades en las que los homocigotos (o heterocigotos compuestos)
muestren el mismo fenotipo que los heterocigotos; en tales casos, el trastorno
se denomina enfermedad dominante pura. Por último, si se produce la
expresión fenotípica de ambos alelos de un locus en un heterocigoto
compuesto, la herencia se denomina codominante.
Grupo sanguíneo ABO
Un rasgo con importancia médica que presenta expresión codominante es el
sistema de grupos sanguíneos ABO, que es importante en las transfusiones de
sangre y los trasplantes de tejidos. Los alelos A, B, y O en el locus ABO
forman un sistema de tres alelos en el que dos alelos (A y B) regulan la
expresión de un antígeno carbohidrato A o B en la superficie de los eritrocitos
como rasgo codominante; un tercer alelo (O) no expresa ni el antígeno A ni el
B, y es recesivo. La diferencia entre el antígeno A y B radica en cuál de dos
moléculas de azúcar diferentes constituye el azúcar terminal en una
glucoproteína de la superficie celular denominada H. La síntesis de la forma
A o B de la glucoproteína depende de una enzima codificada por el gen ABO
que añade una de las dos moléculas de azúcar al antígeno H, dependiendo de
qué versión de la enzima esté codificada por los alelos del locus ABO. Por lo
tanto, hay cuatro fenotipos posibles: O, A, B y AB (Tabla 7-1). Los individuos
de tipo A tienen el antígeno A en sus eritrocitos, los individuos tipo B tienen
el antígeno B, los individuos AB tienen ambos antígenos y los individuos de
tipo O no tienen ninguno.
Tabla 7-1
Genotipos ABO y reactividad sérica
− Representa ausencia de reacción; + representa reacción.
Una característica de los grupos ABO que no comparten otros sistemas de
grupos sanguíneos es la relación recíproca, en un individuo, entre los
antígenos presentes en los eritrocitos y los anticuerpos séricos (v. tabla 7-1).
Cuando los eritrocitos carecen de antígeno A, el suero contiene anticuerpos
anti-A; cuando las células carecen de antígeno B, el suero contiene anti-B. Se
cree que la formación de anticuerpos anti-A y anti-B en ausencia de una
transfusión de sangre previa es una respuesta a la presencia natural de
antígenos similares a A y a B en el ambiente (p. ej., en bacterias).
Loci ligados al cromosoma X
DrBurgos
262
En lo relativo a los trastornos ligados al cromosoma X, un trastorno que sólo
se exprese en hemicigotos y nunca en heterocigotos se ha denominado
tradicionalmente recesivo ligado al X, mientras que un fenotipo que siempre se
exprese en heterocigotos y en hemicigotos se ha denominado dominante
ligado al X. Debido a la regulación epigenética de la expresión génica ligada
al X en las mujeres portadoras por la inactivación del cromosoma X (descrita
en los caps. 3 y 6), puede ser difícil determinar fenotípicamente si una
enfermedad con un patrón de herencia ligada al X es dominante o recesiva,
por lo que algunos genetistas han optado por no utilizar estos términos
cuando describen la herencia de las enfermedades ligadas al X.
En sentido estricto, los términos dominante y recesivo se refieren al patrón de
herencia del fenotipo y no a los alelos responsables de dicho fenotipo. De
forma similar, un gen no es dominante o recesivo, sino que es el fenotipo
producido por un alelo mutante particular de dicho gen el que presenta
herencia dominante o recesiva.
DrBurgos
263
Patrones autosómicos de herencia
mendeliana
Herencia autosómica recesiva
Las enfermedades autosómicas recesivas sólo afectan a personas con dos
alelos mutantes y que no tienen ningún alelo natural o común. Estos
homocigotos deben haber heredado un alelo mutante de cada progenitor,
cada uno de los cuales (salvo raras excepciones que se comentarán más
adelante) es heterocigoto para dicho alelo.
Cuando un trastorno presenta herencia recesiva, el alelo mutante
responsable suele reducir o eliminar la función del producto génico, lo que se
denomina mutación de pérdida de función. Por ejemplo, muchas
enfermedades recesivas se deben a mutaciones que alteran o eliminan la
función de una enzima. La copia restante del gen normal en un heterocigoto
puede compensar el alelo mutante y evitar que se produzca la enfermedad.
Sin embargo, cuando no existe ningún alelo normal, como sucede en los
homocigotos o los heterocigotos compuestos, sí se produce la enfermedad. En
los capítulos 11 y 12 se describen con detalle los mecanismos patológicos y
ejemplos de trastornos recesivos.
Hay tres tipos de emparejamientos que pueden hacer que los descendientes
sean homocigotos y sufran una enfermedad autosómica recesiva. El
emparejamiento más frecuente con gran diferencia es el que se produce entre
dos heterocigotos no afectados, que suelen denominarse portadores. Sin
embargo, cualquier emparejamiento en el que cada progenitor tenga al menos
un alelo recesivo puede tener hijos afectados homocigotos. La transmisión de
un trastorno recesivo puede seguirse si se simboliza el alelo recesivo mutante
como r y su alelo dominante normal como R.
Como se observa en la tabla, cuando ambos progenitores de una persona
afectada son portadores, el riesgo de que sus hijos reciban un alelo recesivo es
del 50% para cada progenitor. Por tanto, la probabilidad de heredar dos
alelos recesivos y, por tanto, de estar afectado es de ½ × ½, es decir, de ¼ en
cada embarazo. La probabilidad del 25% de que dos heterocigotos tengan un
hijo con un trastorno autosómico recesivo es independiente de cuántos hijos
hayan tenido previamente afectados o no afectados. El probando puede ser el
único miembro de la familia afectado, pero si hay otros afectados, suelen ser
los hermanos y no otros familiares (fig. 7-4).
DrBurgos
264
FIGURA 7-4
Árbol familiar típico de una herencia autosómica recesiva.
Trastornos autosómicos recesivos influenciados por el sexo
Dado que los hombres y las mujeres presentan la misma dotación de
autosomas, los trastornos autosómicos recesivos muestran generalmente la
misma frecuencia y gravedad en hombres y mujeres. Sin embargo, hay
excepciones. Algunas enfermedades autosómicas recesivas presentan un
fenotipo influido por el sexo, lo que quiere decir que se expresan en ambos
sexos pero con frecuencias o gravedades distintas. Por ejemplo, la
hemocromatosis hereditaria es un fenotipo autosómico recesivo que es 5-10
veces más frecuente en los hombres que en las mujeres (Caso 20). Los
individuos afectados muestran un aumento de la absorción del hierro de la
dieta que puede causar una sobrecarga de hierro con lesiones graves del
corazón, el hígado y el páncreas. La menor incidencia del trastorno clínico en
las mujeres homocigotas parece estar relacionada, entre otros factores, con su
menor consumo alimentario de hierro, la menor ingesta de alcohol y el
aumento de las pérdidas de hierro a través de la menstruación.
Herencia autosómica recesiva
DrBurgos
265
El alelo de tipo natural se indica con la R mayúscula, y el alelo mutante, con la r minúscula.
Frecuencia génica y frecuencia de portador
Los alelos mutantes responsables de un trastorno recesivo son generalmente
poco frecuentes, de manera que la mayor parte de las personas no presenta
siquiera una copia del alelo mutante. Debido a que un trastorno autosómico
recesivo debe heredarse a partir de ambos progenitores, el riesgo de que un
portador tenga un hijo afectado va a depender parcialmente de la posibilidad
de que el otro progenitor del niño también sea portador de un alelo mutante
para la enfermedad. Así, el conocimiento de la frecuencia del estado de
portador en una enfermedad tiene importancia clínica para el asesoramiento
genético.
El trastorno autosómico recesivo más frecuente en los niños de raza blanca
es la fibrosis quística (CF, cystic fibrosis), (Caso 12), causada por mutaciones
del gen CFTR (v. cap. 12). En poblaciones de raza blanca, alrededor de uno de
cada 2.000 niños es portador de dos alelos CFTR mutantes y padece la
enfermedad, de modo que puede deducirse que 1 de cada 23 individuos es un
portador silente que no tiene la enfermedad. (El modo de calcular las
frecuencias de heterocigotos se describirá en el cap. 9). Los alelos mutantes
pueden ser transmitidos de portador a portador durante numerosas
generaciones sin que aparezcan individuos homocigotos que sufran la
enfermedad. La presencia de estas mutaciones en heterocigosis no se revela a
menos que un portador se aparee con alguna persona que también sea
portadora de un alelo mutante en el mismo locus y que un hijo de ambos
herede los dos alelos de la enfermedad.
Las estimaciones del número de alelos mutados claramente perjudiciales en
las regiones codificantes en el genoma de cada individuo varían de 50 a 200,
basándose en el análisis de la secuencia completa del exoma o genoma (v.
cap. 4). Sin embargo, esta estimación es imprecisa y puede que sea una
subestimación, porque no incluye alelos mutantes cuyo efecto perjudicial no
es evidente a partir de un simple análisis de la secuencia de DNA. Puede
también que sea una sobreestimación, ya que incluye mutaciones de muchos
genes sin un efecto patógeno conocido.
Consanguinidad
Debido a que la mayoría de los alelos mutantes suelen ser poco frecuentes en
la población, las personas con trastornos autosómicos recesivos raros son, por
lo general, heterocigotos compuestos en lugar de verdaderos homocigotos.
Una excepción bien conocida de esta regla se produce cuando un individuo
afectado hereda el mismo alelo mutante de ambos progenitores porque los
padres son consanguíneos (es decir, que están emparentados y portan el alelo
mutante idéntico heredado de un antepasado común). La consanguinidad de
los progenitores de un paciente que sufre un trastorno genético es una
evidencia sólida (aunque no una prueba) de la herencia autosómica recesiva
DrBurgos
266
de dicho trastorno. Por ejemplo, el trastorno representado en el árbol
genealógico de la figura 7-5 posiblemente sea un rasgo autosómico recesivo, a
pesar de que el resto de la información relativa al árbol genealógico puede
parecer insuficiente para establecer este patrón de herencia.
FIGURA 7-5 Árbol familiar en el que la consanguinidad de los padres sugiere
una herencia autosómica recesiva. La flecha indica el probando.
La consanguinidad se observa con mayor frecuencia en los pacientes con
trastornos muy raros que en aquellos con trastornos recesivos más comunes.
Esto se debe a que la probabilidad de que dos individuos de la población se
emparejen al azar y que sean ambos portadores de un trastorno muy poco
frecuente es menos probable que la situación en la que ambos son portadores
porque han heredado el mismo alelo mutante de un mismo antepasado
común. Por ejemplo, en la xerodermia pigmentosa (Caso 48) (un trastorno
autosómico recesivo muy infrecuente de la reparación del DNA; v. cap. 15),
más del 20% de los casos tienen lugar entre la descendencia de matrimonios
entre primos hermanos. Por el contrario, en los trastornos recesivos más
frecuentes, la mayoría de los casos de la enfermedad se deben a
emparejamientos entre personas no emparentadas, cada una de las cuales se
convierte por casualidad en un portador. Por lo tanto, la mayoría de las
personas con un trastorno relativamente común, como la fibrosis quística, no
se deben a la consanguinidad, ya que el alelo mutante es muy común en la
población general. El modo de determinar la consanguinidad para diferentes
emparejamientos se describe en el capítulo 9.
El riesgo genético que presentan los descendientes de progenitores con
consanguinidad no es tan elevado como el que se supone en ocasiones. En lo
que se refiere a los matrimonios entre primos hermanos, los riesgos absolutos
de que los descendientes tengan problemas (considerando no sólo las
DrBurgos
267
enfermedades autosómicas recesivas conocidas, sino también los abortos, los
cuadros de fallecimiento en la fase neonatal y las malformaciones congénitas)
es del 3-5%, es decir, alrededor del doble del riesgo global básico del 2-3%
que presentan los hijos de parejas que no muestran consanguinidad (v. cap.
16). La consanguinidad a nivel de primos terceros o de familiares más
remotos no se considera genéticamente significativa, y en estos casos el
aumento del riesgo de alteraciones en la descendencia es inapreciable.
La incidencia del matrimonio entre primos hermanos es baja en la
actualidad (aproximadamente, el 1-10 por 1.000 matrimonios) en muchos
grupos de población de los países occidentales. Sin embargo, esta práctica
sigue siendo relativamente frecuente en algunos grupos raciales; por ejemplo,
en las familias de las áreas rurales del subcontinente hindú, en otras partes de
Asia y en Oriente Medio, en donde el 20-60% de todos los matrimonios tiene
lugar entre primos.
Ca r a cte r ística s de la he r e ncia a utosóm ica r e ce siva
• Un fenotipo autosómico recesivo, si no aparece de forma aislada, se observa
característicamente sólo en los hermanos del probando, no en los
progenitores, los hijos ni otros familiares.
• En lo que se refiere a la mayor parte de las enfermedades autosómicas
recesivas, los individuos de ambos sexos tienen una probabilidad similar
de presentar afectación.
• Los progenitores de un niño afectado son portadores asintomáticos de
alelos mutantes.
• Los progenitores de la persona afectada pueden ser consanguíneos en
algunos casos. Esta situación es especialmente probable si el gen
responsable del trastorno es infrecuente en la población general.
• El riesgo de recurrencia en cada hermano del probando es de 1/4 (25%).
Herencia autosómica dominante
Más de la mitad de todos los trastornos mendelianos conocidos se heredan en
forma de rasgos autosómicos dominantes. La incidencia de algunos
trastornos autosómicos dominantes puede ser elevada. Por ejemplo, la
poliquistosis renal del adulto (Caso 37) tiene una incidencia de 1/1.000
personas en Estados Unidos. Otros trastornos autosómicos dominantes
muestran una frecuencia elevada sólo en algunas poblaciones de áreas
geográficas específicas: por ejemplo, la frecuencia de la hipercolesterolemia
familiar (Caso 16) es de 1/100 en poblaciones Afrikaner en Sudáfrica, y la de
la distrofia miotónica es de 1/550 en las regiones Charlevoix y Saguenay-Lac
Saint Jean del noreste de Quebec. La problemática de las enfermedades
autosómicas dominantes es todavía mayor a consecuencia de su carácter
hereditario; cuando se transmiten a través de las familias, suscitan problemas
médicos e incluso sociales no solamente para los individuos afectados, sino
también para el conjunto del árbol familiar, a menudo a lo largo de múltiples
DrBurgos
268
generaciones.
El riesgo y la gravedad de las enfermedades de herencia autosómica
dominante en la descendencia dependen de que estén afectados uno o los dos
progenitores y de que el rasgo transmitido sea dominante puro o dominante
incompleto. Hay varias formas diferentes en las que un alelo mutante puede
causar que aparezca un rasgo con herencia dominante en un heterocigoto a
pesar de la presencia de un alelo normal. Los mecanismos patológicos en
varios trastornos dominantes se describen en el capítulo 12.
Si denominamos D al alelo mutante y d al alelo de tipo natural, los
emparejamientos que dan como resultado hijos que sufren la enfermedad
autosómica dominante pueden tener lugar entre dos heterocigotos (D/d) para
la mutación o bien, lo más frecuente, entre un heterocigoto para la mutación
(D/d) y un homocigoto para un alelo normal (d/d).
Como se observa en la tabla, cada hijo de un emparejamiento D/d × d/d
presenta una probabilidad del 50% de recibir el alelo D mutado de sus
progenitores y una posibilidad del 50% de recibir el alelo d normal. Si
tomamos la población en conjunto, la descendencia de los emparejamientos
D/d × d/d es D/d en aproximadamente el 50% de los casos, y d/d en alrededor
del 50% restante. Por supuesto, cada embarazo es un acontecimiento
independiente que no tiene relación con el resultado de los embarazos
previos. Por tanto, la distribución de los hijos afectados y no afectados en una
familia puede ser muy diferente del cociente teórico esperado de 1:1,
especialmente si el número de descendientes es pequeño. Se puede observar
una herencia autosómica dominante típica en el árbol genealógico de una
familia con la forma hereditaria dominante de la sordera congénita (fig. 76A).
FIGURA 7-6 A, Árbol familiar en el que se observa la herencia típica de una
forma de sordera neurosensitiva progresiva de inicio en el adulto (DFNA1)
DrBurgos
269
heredada a través de un rasgo autosómico dominante. B, Árbol genealógico en el
que se observa la herencia de la acondroplasia, un rasgo dominante incompleto (o
semidominante). C, Árbol genealógico que muestra un caso esporádico de
enanismo tanatofórico, una enfermedad genéticamente letal en el probando
(flecha).
Herencia autosómica dominante
El alelo mutante que causa una enfermedad con herencia dominante se indica con la D mayúscula, y el
alelo normal o de tipo natural, con la d minúscula.
En la práctica médica, los homocigotos para los fenotipos dominantes no
son frecuentes debido a que los emparejamientos que podrían dar lugar a un
hijo homocigoto son infrecuentes. De nuevo, si consideramos que D es el alelo
mutado y d el alelo normal, los emparejamientos que pueden dar lugar a un
homocigoto D/D podrían ser teóricamente D/d × D/d, D/D ×D/d y D/D × D/D.
En el caso de un emparejamiento entre dos heterocigotos, 3/4 hijos de
emparejamientos D/d × D/d van a presentar afectación en alguna medida, y
1/4 no va a presentar afectación.
Herencia dominante pura
Como ya se ha mencionado, muy pocos trastornos dominantes que afectan al
ser humano muestran un patrón de herencia dominante puro. Incluso la
enfermedad de Huntington (Caso 24), que frecuentemente se considera
dominante pura porque la enfermedad suele mostrar unas características y
una sintomatología de intensidad similares en los heterocigotos y los
homocigotos, parece presentar en los homocigotos una cierta evolución
cronológica acelerada desde el comienzo del proceso hasta el fallecimiento, en
comparación con los heterocigotos.
Herencia incompletamente dominante
DrBurgos
270
Como ya se comentó en el capítulo 4, la acondroplasia (Caso 2) es un
trastorno esquelético dominante incompleto que causa un enanismo con
miembros cortos y con macrocefalia causado por algunas mutaciones del gen
del receptor del factor de crecimiento fibroblástico 3 (FGFR3). La mayoría de
los pacientes con acondroplasia presentan una inteligencia normal y llevan a
cabo una vida también normal dentro de sus limitaciones físicas. Los
matrimonios entre dos pacientes con acondroplasia no son infrecuentes. En la
figura 7-6B se muestra el árbol familiar correspondiente al emparejamiento
entre dos individuos heterocigotos para la mutación más frecuente que causa
la acondroplasia. El niño fallecido (el individuo III-3) era un homocigoto para
la enfermedad y sufría un trastorno mucho más grave que cualquiera de sus
progenitores, lo que dio lugar a su fallecimiento al poco de nacer.
Fenotipo limitado al sexo en enfermedades autosómicas
dominantes
Tal como se ha señalado antes en relación con la hemocromatosis autosómica
recesiva, los fenotipos autosómicos dominantes también pueden presentar
variaciones sexuales que se apartan significativamente de la proporción 1:1.
Hay una divergencia extrema en la proporción de sexos en los fenotipos
limitados al sexo, en los que el defecto se transmite de manera autosómica
pero sólo es expresado por uno de los dos sexos. Un ejemplo de ello es la
pubertad precoz limitada a los individuos de sexo masculino, un trastorno
autosómico dominante en el que los niños afectados desarrollan los caracteres
sexuales secundarios y presentan el estirón de crecimiento de la adolescencia
aproximadamente a los 4 años de edad (fig. 7-7). En algunas familias, este
defecto se ha puesto en relación con mutaciones en el gen (LCGR), que
codifica el receptor de la hormona luteinizante; estas mutaciones activan de
manera constitutiva el mecanismo de señales del receptor incluso en ausencia
de su hormona. El defecto no se manifiesta en las mujeres heterocigotas. En el
árbol familiar que se muestra en la figura 7-8 se puede observar que, aunque
la enfermedad puede ser transmitida por mujeres no afectadas (portadoras
asintomáticas), también se puede transmitir directamente desde un padre a
su hijo de sexo masculino, lo que demuestra que es autosómica y no ligada al
cromosoma X.
DrBurgos
271
DrBurgos
272
FIGURA 7-7 Pubertad precoz limitada al sexo masculino, un trastorno
autosómico dominante limitado al sexo que se expresa únicamente por los
individuos de sexo masculino.
Este niño de 4,75 años de edad tiene una estatura de 120 cm (por encima del
percentil 97 para su edad). Se pueden observar los músculos voluminosos y el
desarrollo precoz de los genitales externos. La fusión de las epífisis tiene lugar a
una edad temprana, y las personas afectadas muestran una estatura
relativamente corta cuando alcanzan la edad adulta.
FIGURA 7-8 Parte de un gran árbol genealógico de la pubertad precoz
limitada al sexo masculino, en la familia del niño que aparece en la figura 77.
Este trastorno autosómico dominante puede ser transmitido por los individuos de
sexo masculino afectados o por los individuos de sexo femenino portadores no
afectados. La transmisión entre individuos del sexo masculino demuestra que el
patrón de herencia es autosómico, no ligado al X. La transmisión del rasgo a
través de las mujeres portadoras muestra que la herencia no puede estar ligada al
cromosoma Y. La flecha indica el probando.
No obstante, en lo que se refiere a los trastornos en los que los individuos
de sexo masculino afectados no pueden reproducirse, no siempre es fácil
diferenciar la herencia autosómica limitada al sexo de la herencia ligada al
cromosoma X, dado que no se puede demostrar el dato de carácter crítico (la
ausencia de transmisión entre individuos de sexo masculino). En este caso,
otras líneas de evidencia (especialmente, la cartografía de genes para
determinar si el gen responsable se localiza en el cromosoma X o en un
autosoma [v. cap. 10]) permiten determinar el patrón de herencia y el riesgo
consiguiente de recurrencia (v. cuadro).
Ca r a cte r ística s de la he r e ncia a utosóm ica dom ina nte
• El fenotipo aparece generalmente en todas las generaciones, y uno de los
progenitores de cada uno de los individuos afectados también presenta
afectación. Son excepciones reales o aparentes a esta norma en genética
clínica: 1) los casos originados a partir de mutaciones recientes en un
gameto de un progenitor fenotípicamente normal, y 2) los casos en los que
el trastorno no se expresa (no presenta penetrancia) o solamente se expresa
de manera poco llamativa en una persona que ha heredado el alelo
mutante responsable.
• Cada hijo de un progenitor afectado presenta un riesgo del 50% de heredar
DrBurgos
273
el rasgo. Esta regla se cumple en la mayoría de las familias en las que el
otro progenitor es fenotípicamente normal. Dado que, desde el punto de
vista estadístico, cada familiar es el resultado de un «evento
independiente», en una única familia puede haber una desviación amplia
del cociente 1:1 esperado.
• Los familiares fenotípicamente normales no transmiten el fenotipo a sus
hijos. La falta de penetrancia o la expresión poco llamativa de un trastorno
puede dar lugar a excepciones aparentes a esta norma.
• Tanto los hombres como las mujeres tienen una probabilidad similar de
transmitir el fenotipo a sus hijos de ambos sexos. En concreto, se puede
observar la transmisión entre individuos del sexo masculino, y los
individuos de sexo masculino pueden tener hijas no afectadas.
• Una proporción significativa de casos aislados se debe a una mutación
nueva. Cuanto menor es la capacidad reproductiva, mayor es la proporción
de casos debidos a mutaciones nuevas.
Efecto de la penetrancia incompleta, expresividad variable y
nuevas mutaciones sobre los patrones de herencia autosómica
dominante
Algunas de las dificultades que acompañan a la penetrancia incompleta
respecto al conocimiento de la herencia de un fenotipo patológico quedan
demostradas en la deformidad en mano/pie hendido, un tipo de ectrodactilia
(fig. 7-9). Esta malformación se origina a la sexta o séptima semana del
desarrollo, en el momento en que se forman las manos y los pies. La
penetrancia incompleta de la malformación de la mano hendida puede dar
lugar a un salto aparente de generaciones, lo que complica el asesoramiento
genético debido a que las personas con riesgo y manos normales pueden ser,
a pesar de ello, portadoras del gen de la enfermedad y por tanto pueden tener
hijos afectados.
DrBurgos
274
FIGURA 7-9 Malformación de la mano hendida, un rasgo autosómico
dominante que afecta a las manos y los pies en un varón de 3 meses.
A, Porción superior del cuerpo. B, Porción inferior del cuerpo. Véase Créditos de
figuras.
La figura 7-10 corresponde a un árbol genealógico de la deformidad de la
mano hendida en el que la hermana no afectada de un varón afectado solicita
asesoramiento genético. Su madre es portadora de la mutación de la mano
hendida, pero no la manifiesta. La revisión de la bibliografía correspondiente
a la deformidad de la mano hendida sugiere que existe una penetrancia
reducida de aproximadamente el 70% (es decir, solamente el 70% de las
personas que tienen la mutación sufren el defecto clínico). La utilización de
esta información del árbol genealógico para calcular las probabilidades
condicionadas (como se expone con mayor detalle en el cap. 16) permite
calcular que el riesgo de que la consultante pueda ser una portadora no
penetrante es del 23%, y que su probabilidad de tener un hijo con la
alteración es de alrededor del 8% (riesgo de ser portador × el riesgo de
transmisión × penetrancia, o 23% × 50% × 70%).
FIGURA 7-10 Árbol genealógico de una malformación de la mano hendida
donde se observa la ausencia de penetrancia en la madre del probando (flecha) y
DrBurgos
275
su hermana, la consultante. Se debe tener en cuenta una penetrancia reducida a
la hora de proporcionar asesoramiento genético.
Un patrón de herencia autosómica dominante también puede quedar
oculto por la expresividad variable. La neurofibromatosis 1 (NF1) es un
trastorno frecuente del sistema nervioso que presenta una penetrancia
dependiente de la edad y una expresividad variable en una misma familia.
Algunos adultos sólo tienen múltiples lesiones cutáneas planas pigmentadas
e irregulares, denominadas máculas café con leche, y pequeños tumores
benignos (hamartomas) denominados nódulos de Lisch en el iris ocular. Otros
familiares pueden tener estos signos y múltiples tumores benignos pequeños
de consistencia carnosa (neurofibromas) en la piel. Otros pueden presentar
un fenotipo mucho más grave, con discapacidad intelectual, neurofibromas
plexiformes difusos o tumores malignos del sistema nervioso o los músculos
además de las máculas café con leche, los nódulos de Lisch y los
neurofibromas. A menos que se busquen de forma específica las
manifestaciones leves de la enfermedad en los pacientes del probando, los
portadores heterocigotos pueden clasificarse incorrectamente como personas
no portadoras no afectadas.
Además, los signos de la NF1 pueden requerir muchos años para
desarrollarse. Por ejemplo, durante el periodo neonatal, menos de la mitad de
los recién nacidos afectados muestra incluso el signo más sutil de la
enfermedad, es decir, el incremento del número de máculas café con leche.
Sin embargo, al final aparecen múltiples máculas café con leche y nódulos de
Lisch, de modo que en la edad adulta los heterocigotos siempre tienen algún
signo de la enfermedad. Las dificultades para el diagnóstico y el
asesoramiento genético en la NF1 se exponen en el (Caso 34).
Por último, en la herencia autosómica dominante típica, todas las personas
afectadas de un árbol familiar tienen un progenitor afectado que, a su vez,
también tiene un progenitor afectado y así sucesivamente de forma
retrospectiva hasta donde es posible seguir la enfermedad (v. fig. 7-6A). Sin
embargo, muchas enfermedades dominantes importantes desde el punto de
vista médico se producen debido a una mutación de novo en un gameto
heredado de un progenitor no portador (v. fig. 7-6C). Un individuo con una
enfermedad autosómica dominante causada por una mutación de novo
parecerá ser un caso aislado, y sus progenitores, tíos, tías y primos serán no
portadores no afectados. Sin embargo, esta persona tendrá un riesgo de
transmitir la mutación a sus propios hijos. Una vez que ha surgido una
mutación, se transmitirá a las generaciones futuras siguiendo los principios
convencionales de la herencia y, como se comentará en la sección siguiente,
su supervivencia en la población dependerá de la capacidad reproductiva de
las personas portadoras de la misma.
Relación entre las mutaciones nuevas y la capacidad
reproductiva en los trastornos autosómicos dominantes
DrBurgos
276
En lo que respecta a muchos trastornos, el hecho de que la enfermedad
presente o no un patrón familiar obvio de transmisión en las familias
depende de la posibilidad de que los individuos afectados se puedan
reproducir. Los especialistas en genética han acuñado el término de
capacidad reproductiva para determinar el impacto de un trastorno sobre la
reproducción. La capacidad reproductiva se define como el número de hijos
de individuos afectados por el trastorno que sobreviven hasta su edad
reproductiva, en comparación con el número de hijos de individuos que no
portan el alelo mutante. La capacidad reproductiva oscila de 0 (los individuos
afectados nunca tienen hijos que sobrevivan hasta la edad reproductiva) a 1
(los individuos afectados tienen el mismo número de hijos que los controles
no afectados). Aunque el impacto de la mutación, selección y capacidad
reproductiva se analizará con más detalle en el capítulo 9, aquí se comentarán
varios ejemplos que ilustran los principales conceptos y la magnitud del
impacto de la capacidad reproductiva sobre los trastornos autosómicos
dominantes.
En un extremo se sitúan los trastornos con una capacidad reproductiva de
0; los pacientes que sufren estos problemas nunca se reproducen y el
trastorno se denomina genéticamente letal. Un ejemplo es el enanismo
tanatofórico, que se produce en heterocigotos para mutaciones en el gen
FGFR3 (v. fig. 7-6C). Este trastorno es letal en el período neonatal, por lo que
todos los probandos con la enfermedad deben proceder de nuevas
mutaciones, pues estas mutaciones no pueden transmitirse a la siguiente
generación.
En el otro extremo están las enfermedades con una capacidad reproductiva
prácticamente normal debido a que se inician en etapas tardías de la vida o a
que cursan con un fenotipo leve que no interfiere con la reproducción. Si la
capacidad reproductiva es normal, la enfermedad no suele deberse a una
mutación reciente; en estos casos, es mucho más probable que el paciente
haya heredado la enfermedad en comparación con la posibilidad de que haya
presentado una mutación nueva, y el árbol genealógico posiblemente incluya
múltiples individuos afectados con un patrón de herencia autosómica
dominante claro. La sordera progresiva de inicio tardío es un buen ejemplo
de estas enfermedades autosómicas dominantes, con una capacidad
reproductiva de alrededor de 1 (v. fig. 7-6A). Por tanto, existe una relación
inversa entre la capacidad reproductiva de una enfermedad autosómica
dominante dada y la proporción de todos los pacientes con la enfermedad
que heredaron el gen defectivo frente a los que lo recibieron como una
mutación de novo. La determinación de la frecuencia de mutación y de la
relación existente entre la frecuencia de mutación y la capacidad reproductiva
se expone con mayor detalle en el capítulo 9.
Es importante señalar que la capacidad reproductiva no es simplemente un
parámetro que permita medir la discapacidad física o intelectual. Algunos
individuos con una enfermedad autosómica dominante pueden tener un
aspecto fenotípico normal, pero presentar una capacidad reproductiva de 0 y,
DrBurgos
277
en el extremo opuesto, otros pueden tener una capacidad reproductiva
normal o casi normal, a pesar de tener una enfermedad autosómica
dominante con un fenotipo evidente y grave, como la enfermedad de
Alzheimer familiar (Caso 4).
DrBurgos
278
Herencia ligada al cromosoma X
A diferencia de los genes situados en los autosomas, los genes de los
cromosomas X e Y se distribuyen de manera desigual entre los hombres y las
mujeres en las familias. La herencia patrilineal del cromosoma Y es sencilla.
Sin embargo, hay muy pocos genes estrictamente ligados al cromosoma Y, y
casi todos ellos intervienen en la determinación del sexo primario o en el
desarrollo de los caracteres masculinos secundarios, como se comenta en el
capítulo 6, y no se describirán aquí. Se han identificado alrededor de 800
genes codificantes de proteínas y 300 genes de RNA no codificantes en el
cromosoma X hasta el momento, de los cuales se sabe en la actualidad que
más de 300 se asocian con fenotipos de enfermedades ligadas al X. Los
fenotipos determinados por los genes del cromosoma X tienen una
distribución en función del sexo y un patrón de herencia característicos, que
suelen ser fáciles de identificar y de distinguir de los patrones de herencia
autosómica que acaban de describirse.
Debido a que los varones tienen un cromosoma X, pero las mujeres tienen
dos, sólo hay dos posibles genotipos en los varones y cuatro en las mujeres
con respecto a los alelos mutantes en un locus ligado al cromosoma X. Un
varón con un alelo mutante en un locus ligado al cromosoma X es hemicigoto
para ese alelo, mientras que las mujeres pueden ser homocigotas para el alelo
normal, homocigotas para un alelo mutante, heterocigotas compuestas para
dos alelos mutantes diferentes o heterocigotas portadoras de un alelo
mutante. Por ejemplo, si XH es el alelo normal para un gen de una
enfermedad ligada al cromosoma X y un alelo mutante, Xh es el alelo de la
enfermedad, los genotipos esperados en varones y mujeres son los siguientes:
Genotipos y fenotipos en las enfermedades ligadas al cromosoma X
Genotipos
Fenotipos
Varones Hemicigoto XH
No afectado
Hemicigoto Xh
Afectado
Mujeres Homocigoto XH/XH
No afectado
Heterocigoto XH/Xh
Portador (puede estar afectado o no)
Homocigoto (o heterocigoto compuesto) Xh/Xh Afectado
Inactivación del cromosoma X, compensación de
dosis y expresión de genes ligados al
cromosoma X
Tal como se comentó en los capítulos 3 y 6, la inactivación del cromosoma X
es un proceso fisiológico normal en el que la mayoría de los genes situados en
uno de los cromosomas X de las mujeres normales se inactiva en las células
somáticas, pero esto no ocurre con los genes del único cromosoma X en los
DrBurgos
279
varones, lo que equipara en ambos sexos la expresión de la mayoría de los
genes del cromosoma X. La relevancia clínica de la inactivación del X en las
enfermedades ligadas al X es muy evidente. Esto hace que las mujeres posean
dos poblaciones celulares, que expresan alelos de los genes ligados al X en
uno u otro de los cromosomas X (v. fig. 3-13 y una descripción adicional en el
cap. 6). Por tanto, estas dos poblaciones celulares son genéticamente
idénticas, pero distintas desde el punto de vista funcional, y ambas
poblaciones celulares en las mujeres se pueden detectar fácilmente respecto a
algunas enfermedades. Por ejemplo, en la distrofia muscular de Duchenne
(Caso 14), las portadoras muestran una expresión en mosaico típico de su
inmunotinción para distrofina (fig. 7-11). Según el patrón de inactivación
aleatoria del cromosoma X en el conjunto de estos dos cromosomas, dos
heterocigotos de sexo femenino respecto a una enfermedad ligada al
cromosoma X pueden presentar manifestaciones clínicas muy diferentes
debido a que es distinta la proporción de células portadoras del alelo mutante
en el cromosoma X activo en cada tejido concreto (tal como se puede observar
en los heterocigotos con manifestaciones clínicas, comentados más
adelante).
DrBurgos
280
DrBurgos
281
FIGURA 7-11 Tinción inmunohistoquímica para la demostración de
distrofina en muestras de músculo esquelético.
A, Una mujer normal (×480). B, Un hombre con distrofia muscular de Duchenne
(DMD) (×480). C, Una mujer portadora (×240). La tinción positiva da lugar a las
señales brillantes que rodean a las fibras musculares individuales. El músculo de
los pacientes con DMD no presenta tinción positiva para distrofina. El músculo de
las portadoras de la DMD muestra positividad en la tinción inmunohistoquímica
para la distrofina, que corresponde a fibras con el alelo normal o mutante en el
cromosoma X activo. Véase Créditos de figuras.
Herencias recesiva y dominante de las
enfermedades ligadas al cromosoma X
Como se ha mencionado previamente en este capítulo, el uso de los términos
dominante y recesivo es ligeramente distinto en las enfermedades ligadas al
cromosoma X de lo que acaba de verse para las enfermedades autosómicas.
Los patrones de herencia dominante y recesiva ligados al X suelen
distinguirse en función del fenotipo en las mujeres heterocigotas. Algunos
fenotipos ligados al X siempre son evidentes clínicamente, al menos en cierta
medida, en las portadoras, por lo que se denominan dominantes, mientras
que otros no suelen serlo y se consideran recesivos. La dificultad para
clasificar un trastorno ligado al X, dominante o recesivo, se debe a que las
mujeres que son heterocigotas para el mismo alelo mutante y que pertenecen
a una familia pueden manifestar o no la enfermedad, según el patrón de
inactivación aleatoria del cromosoma X y dependiendo de la proporción de
las células de los tejidos pertinentes que presentan el alelo mutante en el
cromosoma X activo o inactivo.
Casi un tercio de los trastornos ligados al X son penetrantes en algunas
mujeres heterocigotas, pero no en todas, y no pueden clasificarse como
dominantes o recesivos. Incluso para los trastornos que pueden clasificarse de
este modo, su penetrancia es incompleta y varía en función de los patrones de
inactivación del X, y no según los patrones de herencia. Debido a que la
expresión clínica de una enfermedad ligada al X no depende estrictamente
del gen específico implicado ni de la mutación particular en la misma familia,
algunos especialistas en genética han recomendado la eliminación de los
términos recesivo y dominante en lo que respecta los trastornos ligados al
cromosoma X. A pesar de ello, los términos recesivo y dominante se aplican
con frecuencia a las enfermedades ligadas al cromosoma X y por ello se
seguirán utilizando en este libro, aunque reconociendo que se refieren a los
extremos de un espectro de penetrancia y expresividad en las portadoras de
este tipo de enfermedades.
Herencia recesiva ligada al cromosoma X
La herencia de los fenotipos recesivos ligados al cromosoma X sigue un
patrón bien definido y fácilmente reconocible (figura 7-12 y cuadro). Una
mutación recesiva ligada al X se expresa característicamente de manera
DrBurgos
282
fenotípica en todos los individuos de sexo masculino que la reciben y, por
consiguiente, los trastornos recesivos ligados al X generalmente afectan sólo a
los individuos de sexo masculino.
FIGURA 7-12 Patrón genealógico con demostración de un trastorno recesivo
ligado al X como la hemofilia A, transmitido desde un individuo de sexo masculino
afectado a través de los individuos de sexo femenino hasta un nieto y un bisnieto
de sexo masculino afectados.
La hemofilia A es una enfermedad clásica que se transmite de manera
recesiva ligada al cromosoma X y en la que tiene lugar una disminución de la
coagulación normal debido a la deficiencia del factor VIII, una proteína de la
cascada de la coagulación (Caso 21). La naturaleza hereditaria de la hemofilia
y sus patrones de transmisión se conocen desde la antigüedad, y este
trastorno ha sido denominado «hemofilia real» debido a que ha afectado a los
descendientes de la reina Victoria de Inglaterra, que era portadora.
Supongamos que, al igual que en la discusión previa, Xh representa el alelo
del factor VIII mutante que causa la hemofilia A y que XH representa el alelo
normal. Si un varón con hemofilia se empareja con una mujer normal, todos
los hijos reciben el cromosoma Y del padre y uno de los cromosomas X
maternos, de manera que no presentan afectación; sin embargo, todas las
hijas reciben el cromosoma X paterno con su alelo de hemofilia y, por tanto,
son portadoras obligadas. Si una hija del varón afectado se empareja con un
varón afectado, la descendencia puede tener cuatro genotipos distintos con
igualdad de probabilidades:
Herencia recesiva ligada al cromosoma X
DrBurgos
283
El alelo de tipo natural en el locus de la hemofilia ligada al X se indica como XH, con H mayúscula, y el
alelo mutante, como Xh, con h minúscula.
La hemofilia de un abuelo afectado, que no aparece en ninguno de sus
propios hijos, tiene una posibilidad del 50% de aparecer en cada uno de los
hijos de sus hijas. Sin embargo, no va a reaparecer entre los descendientes de
sus hijos. Una hija de un portador tiene una probabilidad del 50% de ser
portadora (v. fig. 7-12). Por azar, un alelo recesivo ligado al cromosoma X
puede transmitirse a través de una serie de portadoras sin ser detectado antes
de que se exprese en un descendiente de sexo masculino.
Ca r a cte r ística s de la he r e ncia r e ce siva liga da a l x
• La incidencia del rasgo es mucho mayor en los hombres que en las mujeres.
• Las mujeres heterocigotas no suelen presentar afectación, pero algunas
expresan la enfermedad con una intensidad variable, determinada según el
patrón de inactivación del cromosoma X.
• Un hombre afectado transmite el gen responsable de la enfermedad a todas
sus hijas. Cada hijo de sus hijas tiene una probabilidad del 50% de
heredarlo.
• El alelo mutante nunca se transmite de manera directa desde un padre a su
hijo de sexo masculino, pero los hombres afectados lo transmiten a todas
sus hijas.
• El alelo mutante se puede transmitir a través de una serie de mujeres
portadoras; en estos casos, los hombres afectados de un grupo familiar
están relacionados a través de las mujeres.
• Una proporción significativa de casos aislados se debe a mutaciones
nuevas.
Mujeres afectadas en las enfermedades recesivas ligadas al
cromosoma X
DrBurgos
284
Aunque las enfermedades ligadas al cromosoma X sólo suelen observarse en
varones, se pueden manifestar en mujeres en dos circunstancias. En una de
ellas, la mujer puede ser homocigota para el alelo de la enfermedad en
cuestión, aunque la mayoría de las enfermedades ligadas al X son tan
infrecuentes que esta situación es muy improbable, a menos que sus
progenitores sean consanguíneos. Sin embargo, algunas enfermedades
ligadas al X, como el daltonismo ligado al X, son lo bastante frecuentes para
que estos homocigotos puedan observarse en la descendencia femenina de un
padre afectado y una madre portadora.
Lo más habitual es que una mujer afectada sea una portadora de un alelo
recesivo ligado al X con expresión fenotípica de la enfermedad y se denomina
heterocigota con manifestaciones clínicas. El hecho de que una mujer
portadora se convierta en una heterocigota con manifestaciones clínicas
depende de varias características de la inactivación del cromosoma X. En
primer lugar, como se comentó en el capítulo 3, la selección del cromosoma X
que se inactiva es aleatoria, pero se produce cuando el embrión femenino en
desarrollo aún está en un estadio de pocas células. Por tanto, sólo por azar, la
fracción de células en varios tejidos de las mujeres portadoras en las que el
alelo normal o mutante permanece activo difiere sustancialmente del
esperado 50%, dando lugar a una inactivación desequilibrada o «sesgada»
del cromosoma X (v. fig. 6-13A). Una mujer portadora puede tener signos y
síntomas de una enfermedad ligada al cromosoma X si la inactivación
desequilibrada es desfavorable (es decir, una gran mayoría de los
cromosomas X activos en los tejidos implicados contienen el alelo con la
mutación).
También puede producirse la inactivación favorablemente desequilibrada o
sesgada, en la que existe una localización preferente del alelo con la mutación
en el cromosoma X inactivo en algunos o todos los tejidos de las mujeres
heterocigotas no afectadas. Esta inactivación sesgada puede deberse
simplemente al azar, como acaba de verse (aunque en la dirección opuesta).
Sin embargo, hay varias enfermedades ligadas al X en las que se observa una
disminución de la supervivencia o de la capacidad proliferativa de las células
que portaban originalmente el alelo con la mutación en el cromosoma X
activo al principio del desarrollo, lo que produce un patrón de inactivación
muy sesgado que favorece a las células con el alelo normal en el cromosoma
X activo en los tejidos relevantes. Por ejemplo, una inactivación muy
desequilibrada es habitual en las mujeres portadoras de ciertas
inmunodeficiencias ligadas al X, en quienes sólo las células progenitoras
iniciales que portaban el alelo normal en su cromosoma X activo pueden
constituir ciertas estirpes del sistema inmunitario.
Herencia dominante ligada al cromosoma X
Tal como se ha expuesto previamente, el fenotipo ligado al X se puede
describir como dominante si se expresa de manera regular en los
heterocigotos. La herencia dominante ligada al X se puede diferenciar
DrBurgos
285
fácilmente de la herencia dominante autosómica debido a la inexistencia de
transmisión entre individuos de sexo masculino, lo que es imposible en lo
que se refiere a la herencia ligada al X, debido a que los hombres transmiten a
sus hijos de sexo masculino el cromosoma Y, no el X.
Herencia dominante ligada al cromosoma X
El alelo de tipo natural en el locus del raquitismo hipofosfatémico se indica como Xd, y el alelo mutante,
como XD.
Por tanto, la característica distintiva de un árbol genealógico dominante y
ligado al X con penetrancia completa (fig. 7-13) es el hecho de que presentan
afectación por la enfermedad todas las hijas y ninguno de los hijos de los
varones afectados; si alguna de las hijas no está afectada o alguno de los hijos
presenta afectación, entonces la herencia debe ser autosómica, no ligada al
cromosoma X. El patrón de herencia a través de las mujeres no es diferente
del patrón autosómico dominante; dado que las mujeres poseen dos
cromosomas X, de la misma manera que poseen pares de autosomas, cada
hijo de una mujer afectada tiene una probabilidad del 50% de heredar el
rasgo, con independencia de su sexo. En muchas familias con enfermedades
dominantes ligadas al X, la expresión suele ser más leve en las mujeres
heterocigotas, debido a que el alelo mutante se localiza en el cromosoma X
inactivo en una cierta proporción de sus células. Por tanto, la mayor parte de
los trastornos dominantes ligados al X tiene un carácter dominante
incompleto, tal como ocurre con la mayoría de los trastornos autosómicos
dominantes (v. cuadro).
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286
FIGURA 7-13
Patrón genealógico con demostración de la herencia dominante
ligada al X.
Ca r a cte r ística s de la he r e ncia dom ina nte liga da a l x
• Los hombres afectados con parejas normales no tienen hijos afectados ni
hijas normales.
• Los hijos de ambos sexos de las portadoras presentan un riesgo del 50% de
heredar el fenotipo. El patrón genealógico es similar al que se observa en la
herencia autosómica dominante.
• La frecuencia de mujeres afectadas es aproximadamente el doble que la
correspondiente a los hombres afectados, pero las mujeres afectadas
muestran característicamente una expresión más leve del fenotipo (aunque
variable).
• Un ejemplo de enfermedad genética dominante ligada al cromosoma X es el
raquitismo hipofosfatémico ligado al cromosoma X (también denominado
raquitismo con resistencia a la vitamina D), en el que está alterada la
capacidad de los túbulos renales para reabsorber el fosfato filtrado. Este
trastorno cumple el criterio de un trastorno dominante ligado al X debido a
que se afectan los individuos de ambos sexos, aunque en las mujeres
heterocigotas la concentración sérica de fosfato está menos reducida y el
raquitismo es menos intenso, en comparación con los hombres afectados.
Trastornos dominantes ligados al X con letalidad masculina
Aunque la mayoría de las enfermedades ligadas al cromosoma X suelen
manifestarse sólo en los varones, algunos de los infrecuentes defectos
genéticos ligados al X se expresan de manera exclusiva o casi exclusiva en las
mujeres. Estos cuadros dominantes ligados al X son letales para los
individuos de sexo masculino antes de su nacimiento (fig. 7-14). Los árboles
genealógicos típicos de estos trastornos demuestran la transmisión por parte
de las mujeres afectadas, que tienen hijas afectadas, hijas normales e hijos
también normales, en proporciones iguales (1:1:1); no se observan varones
DrBurgos
287
afectados.
FIGURA 7-14 Patrón genealógico con demostración de la herencia de un
trastorno dominante ligado al X, letal en los individuos de sexo masculino durante
el periodo neonatal.
El síndrome de Rett (Caso 40) es un destacado trastorno que afecta casi
exclusivamente a las mujeres y que cumple todos los criterios de un trastorno
dominante ligado al X, con letalidad de los varones hemicigotos. Este
síndrome se caracteriza por un crecimiento y un desarrollo prenatal y
neonatal normales, seguido de la aparición rápida de sintomatología
neurológica en las niñas afectadas. Se cree que el mecanismo patológico
refleja anomalías de la regulación de un grupo de genes en el cerebro en
desarrollo; la causa de la letalidad masculina se desconoce, pero
supuestamente refleja la necesidad durante las fases iniciales del desarrollo
de, al menos, una copia funcional del gen MECP2 en el cromosoma X que está
mutado en este síndrome.
Trastornos dominantes ligados al X sin afectación masculina
Otros trastornos se manifiestan sólo en mujeres portadoras porque los
varones hemicigotos se salvan en gran medida de las consecuencias de la
mutación de la que son portadores. Uno de estos trastornos, la epilepsia y
deterioro cognitivo ligados al cromosoma X, sólo se manifiesta en las
mujeres. Las mujeres afectadas son asintomáticas al nacer y parecen tener un
desarrollo normal, pero luego desarrollan crisis comiciales, por lo general en
el segundo año de vida, tras lo que se produce una regresión del desarrollo.
La mayoría de las mujeres afectadas presentan un retraso del desarrollo, que
puede variar de leve a grave. Por el contrario, los varones hemicigotos de las
mismas familias son totalmente normales (fig. 7-15). El trastorno se debe a
mutaciones de pérdida de función del gen de la protocadherina 19, un gen
ligado al cromosoma X que codifica una molécula de la superficie celular que
se expresa en las neuronas del sistema nervioso central.
DrBurgos
288
FIGURA 7-15 Patrón genealógico de la epilepsia y deterioro cognitivo femenino
familiar, donde se aprecia su herencia dominante ligada al cromosoma X sin
afectación de los varones hemicigotos para una mutación con terminación
prematura en el gen de la protocadherina 19.
La explicación de este patrón de herencia inusual no está clara. Se ha
propuesto la hipótesis de que la epilepsia se produce en las mujeres porque el
mosaicismo que tiene lugar en la expresión de protocadherina 19, secundario
a la inactivación aleatoria del X en el cerebro, interrumpe la comunicación
entre grupos de neuronas con y sin la proteína de la superficie celular. Las
neuronas en los varones carecen siempre de la molécula de la superficie
celular, pero sus cerebros aparentemente no sufren la falta de comunicación
intercelular gracias a una protocadherina compensadora diferente.
Relación entre mutaciones nuevas y capacidad
reproductiva en los trastornos ligados al
cromosoma X
Al igual que sucede con los trastornos autosómicos dominantes, las nuevas
mutaciones suponen una proporción significativa de los casos aislados de
muchas enfermedades ligadas al cromosoma X. Los varones portadores de
mutaciones que provocan trastornos ligados al cromosoma X están expuestos
a una selección que es completa en lo que se refiere a algunos trastornos,
parcial respecto a otros e inexistente en un último grupo, según la capacidad
reproductiva del genotipo. Los varones portadores de trastornos ligados al X
como la distrofia muscular de Duchenne (DMD) (Caso 14), una enfermedad
del músculo esquelético que afecta a los niños pequeños, no se reproducen.
La capacidad reproductiva de los varones afectados es actualmente de 0,
aunque la situación puede cambiar como resultado de los avances que se
están realizando en la investigación sobre el tratamiento de los niños
afectados (v. cap. 12). Por el contrario, los pacientes con hemofilia (Caso 21)
también presentan una menor capacidad reproductiva, pero la enfermedad
no es genéticamente letal: los varones afectados tienen, en promedio,
alrededor del 70% de descendencia comparado con los varones no afectados,
por lo que la capacidad reproductiva de los varones afectados es de alrededor
de 0,70. Esta capacidad reproductiva podría aumentar gracias a los avances
en el tratamiento de esta enfermedad.
Cuando la capacidad reproductiva es menor, los alelos mutantes de estos
varones portadores desaparecen de la población. Sin embargo, a diferencia de
DrBurgos
289
las enfermedades autosómicas dominantes, los alelos mutantes de las
enfermedades ligadas al X en las que existe una menor capacidad
reproductiva pueden estar protegidos parcial o totalmente de la selección
cuando están presentes en las mujeres. Por tanto, incluso en las enfermedades
ligadas al X con una capacidad reproductiva de 0, menos de la mitad de los
casos se deberán a mutaciones nuevas. Por consiguiente, la incidencia global
de la enfermedad estará determinada tanto por la transmisión de un alelo
mutante de una madre portadora como por la tasa de mutaciones de novo en
el locus responsable. El balance entre una mutación nueva y la selección se
expondrá con mayor detalle desde la perspectiva de la genética poblacional
en el capítulo 9.
DrBurgos
290
Herencia pseudoautosómica
Como se describió por primera vez en el capítulo 2, la recombinación
meiótica entre loci ligados al X sólo se produce entre los dos cromosomas X
homólogos, por lo que se restringe a las mujeres. Los loci ligados al X no
participan en la recombinación meiótica en los hombres, que tienen un
cromosoma Y, y sólo un cromosoma X. Sin embargo, hay un pequeño número
de loci contiguos situados en los extremos de los brazos p y q de los
cromosomas sexuales que son homólogos entre los cromosomas X e Y, y que
sí se recombinan entre ellos en la meiosis masculina. Por consiguiente,
durante la espermatogénesis, un alelo mutante en uno de estos loci del
cromosoma X puede transferirse al cromosoma Y y transmitirse a la
descendencia masculina, lo que demuestra la transmisión de hombre a
hombre característica de la herencia autosómica. Debido a que estos loci
inusuales de los cromosomas X e Y presentan una herencia autosómica, pero
no se localizan en un autosoma, se denominan loci pseudoautosómicos, y los
segmentos de los cromosomas X e Y donde se ubican se denominan regiones
pseudoautosómicas.
Un ejemplo de una enfermedad causada por una mutación en un locus
pseudoautosómico es la discondrosteosis, una displasia esquelética de
transmisión hereditaria dominante que cursa con una estatura
desproporcionadamente baja y deformidad del antebrazo. Aunque al ser la
prevalencia de la enfermedad mayor en las mujeres en comparación con los
hombres se sugirió inicialmente que era un trastorno dominante ligado al
cromosoma X, la existencia de transmisión entre individuos del sexo
masculino descartó claramente una herencia estricta ligada al X (fig. 7-16). Se
ha demostrado que las mutaciones en el gen SHOX, localizado en la región
pseudoautosómica de Xp e Yp son las responsables de este trastorno.
FIGURA 7-16 Árbol genealógico con demostración de la herencia de la
discondrosteosis, debida a mutaciones en el gen SHOX, un gen
DrBurgos
291
pseudoautosómico localizado en los cromosomas X e Y. La flecha indica el
individuo de sexo masculino que heredó el rasgo en su cromosoma Y a partir de
su padre. Sin embargo, su padre heredó el rasgo de su cromosoma X a partir de
su madre. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
292
Mosaicismo
Aunque solemos considerar que nosotros mismos estamos constituidos por
células que son portadoras de un complemento de genes y de cromosomas
exactamente idéntico, realmente ésta es una perspectiva demasiado simplista.
El mosaicismo consiste en la presencia en un individuo o un tejido de al
menos dos líneas celulares que son genéticamente diferentes, pero que
proceden de un único cigoto. Las mutaciones que se producen después de la
concepción en una única célula durante la vida prenatal o posnatal pueden
originar clones de células genéticamente diferentes a partir del cigoto original
porque, debido a la naturaleza de la replicación del DNA, la mutación
persiste en todos los descendientes clonales de dicha célula (fig. 7-17). El
mosaicismo respecto a alteraciones numéricas o estructurales de los
cromosomas es un fenómeno clínicamente importante (v. caps. 5 y 17) y se
sabe que la mutación somática es un elemento contribuyente importante en la
mayoría de los tipos de cáncer (v. cap. 15).
FIGURA 7-17 Representación esquemática de una mutación que se
produce tras la concepción, durante las divisiones celulares mitóticas.
Esta mutación puede hacer que haya una cierta proporción de células portadoras
de la mutación; es decir, dar lugar a un cuadro de mosaicismo somático o
germinal, dependiendo de en qué etapa del desarrollo embrionario o postnatal se
produzca la mutación.
El mosaicismo puede afectar a cualquier célula o tejido en un embrión en
desarrollo o en cualquier momento después de la concepción hasta la edad
adulta, y puede ser un dilema diagnóstico a la hora de determinar el grado de
extensión del patrón del mosaico. Por ejemplo, la población de células
portadoras de una mutación en un embarazo con mosaico puede estar sólo en
el tejido extraembrionario y no en el propio embrión (mosaicismo confinado
DrBurgos
293
en la placenta; v. cap. 17), puede estar presente en algunos tejidos del
embrión, pero no en los gametos (mosaicismo somático puro), puede estar
restringido solamente a los gametos y no aparecer en otras células
(mosaicismo de la línea germinal puro), o puede estar presente tanto en la
línea somática como en la línea germinal, dependiendo de si la mutación se
produjo antes o después de la separación de la masa celular interna, las
células germinales y las células somáticas durante la embriogénesis (v. cap.
17). Debido a que se producen alrededor de 30 divisiones mitóticas en las
células de la línea germinal antes de la meiosis en la mujer y varios cientos en
el varón (v. cap. 2), hay muchas posibilidades de que se produzcan
mutaciones en las células de la línea germinal después de la separación de las
células somáticas, lo que da lugar a un mosaicismo gonadal puro.
La determinación de si el mosaicismo respecto a una mutación solamente
afecta a la línea de células germinales o solamente afecta a los tejidos
somáticos puede ser difícil, debido a que la inexistencia de la mutación en un
subgrupo de células de tejidos somáticos fácilmente accesibles (p. ej.,
linfocitos de la sangre periférica, la piel y las células de la mucosa oral) no
garantiza que la mutación no esté presente en otras células del cuerpo,
incluyendo las germinales.
Mosaicismo segmentario
Una mutación que altera la morfogénesis y que aparece durante el desarrollo
embrionario se podría manifestar en forma de una alteración segmentaria o
parcheada, según la etapa en la que se produjo la mutación y según las
células somáticas en las que se originó. Por ejemplo, la neurofibromatosis 1
(NF1) (Caso 34) es una enfermedad que en ocasiones tiene un carácter
segmentario con afectación de tan sólo una parte del cuerpo. La NF1
segmentaria se debe a un mosaicismo somático respecto a una mutación que
tuvo lugar después de la fecundación. Aunque los progenitores de este
paciente no estarían afectados y no se consideraría que tuviesen riesgo de
transmitir el gen mutante, un paciente con NF1 segmentaria podría presentar
riesgo de tener un hijo afectado, cuyo fenotipo sería típico de NF1, es decir, no
segmentario. El posible riesgo del paciente de transmitir el defecto dependerá
de si la mutación se produjo antes de la separación entre las células
germinales y la línea de células somáticas que portan la mutación o después.
Mosaicismo en las células germinales
En los árboles genealógicos con mosaicismo de la línea germinal, los
individuos no afectados sin evidencia de una mutación patológica en su
genoma (lo que se demuestra por la imposibilidad de encontrar la mutación
en el DNA extraído de sus leucocitos de la sangre periférica) todavía puede
haber un riesgo de tener más de un hijo que herede la mutación patológica de
ellos (fig. 7-18). La existencia de mosaicismo de la línea germinal significa que
DrBurgos
294
los especialistas en genética y los asesores genéticos deben tener en cuenta la
posible inexactitud de asumir que una exploración normal y unos resultados
normales de las pruebas génicas en los progenitores de un niño con un
fenotipo autosómico dominante o ligado al cromosoma X significa que el niño
debe tener una mutación nueva. El impacto de esta posibilidad a la hora de
evaluar el riesgo se comentará con más detalle en el capítulo 16.
FIGURA 7-18 Árboles genealógicos con demostración de dos hermanos
afectados con el síndrome de Marfan, un cuadro autosómico dominante,
(familia A) y la distrofia muscular de Becker, una afección ligada al
cromosoma X (familia B).
En la familia A, los niños afectados presentan la misma mutación puntual
heredada de su padre, quien no está afectado y no es portador de la mutación en
el DNA de sus tejidos somáticos analizados. Él debe tener un cuadro de
mosaicismo para la mutación del gen FNB1 en su línea de células germinales. En
la familia B, los niños afectados tienen la misma mutación puntual heredada de su
madre, que no está afectada y no es portadora de la mutación en el DNA de los
tejidos somáticos evaluados. Ella debe tener un cuadro de mosaicismo para la
mutación de la DMD en su línea germinal.
DrBurgos
295
Efectos del progenitor de origen sobre los
patrones de herencia
Patrones infrecuentes de herencia debidos al
fenómeno de impronta genómica
Según las leyes de Mendel de la herencia, un alelo mutante de un gen
autosómico tiene las mismas posibilidades de ser transmitido a partir de
cualquiera de los progenitores y hacia una descendencia de cualquier sexo;
asimismo, una mujer puede transmitir igualmente un gen mutado ligado al X
a un hijo de cualquier sexo. Originalmente, se prestó poca atención a la
posibilidad de que el sexo del progenitor indujera algún efecto en la expresión
de los genes que transmite cada progenitor. Sin embargo, tal como se ha
expuesto en el capítulo 6, ahora sabemos que en algunos trastornos genéticos,
como el síndrome de Prader-Willi (Caso 38) y el síndrome de Angelman, la
expresión del fenotipo de la enfermedad depende de si el alelo mutante ha
sido heredado a partir del padre o de la madre, un fenómeno que se ha
denominado impronta genómica. La característica distintiva de la impronta
genómica es que el sexo del progenitor que transmite la anomalía determina si
el trastorno se expresa en uno de los hijos. Esto es muy diferente de la
herencia limitada al sexo (descrita antes en este capítulo), en la que la
expresión de la enfermedad depende del sexo del hijo que hereda la anomalía.
La impronta genómica puede dar lugar a patrones de herencia extraños en
los árboles genealógicos, pues un trastorno puede heredarse de forma
dominante cuando lo transmite un progenitor pero no el otro. Por ejemplo,
los paragangliomas hereditarios (PGL) son un grupo de trastornos
autosómicos dominantes en los que aparecen múltiples tumores en los
ganglios simpáticos y parasimpáticos del sistema nervioso autónomo. Los
pacientes con un paraganglioma también pueden desarrollar un tumor
productor de catecolaminas denominado feocromocitoma en la médula
suprarrenal o en los ganglios simpáticos situados a lo largo de la columna
vertebral. En la figura 7-19, se muestra un árbol genealógico de una familia
con un tipo de PGL. Resulta llamativo observar que, aunque tanto los varones
como las mujeres pueden estar afectados, esto sólo sucede si heredan la
mutación de su padre y no de su madre. Un varón heterocigoto que haya
heredado la mutación de su madre no estará afectado, pero aún tendrá un
riesgo del 50% de transmitir la mutación a toda su descendencia, que ya sea
masculina o femenina, presentará un riesgo elevado de desarrollar la
enfermedad.
DrBurgos
296
FIGURA 7-19 Árbol genealógico de una familia con síndrome de
paraganglioma 1 causado por una mutación en el gen SDHD.
Los individuos II-1, II-2, II-4, III-2, III-3, III-9, III-10, IV-6, IV-7, IV-11 y IV-14 han
heredado la mutación de sus madres, pero no están afectados. Sin embargo,
cuando los varones de este grupo transmiten la mutación, sus hijos (masculinos o
femeninos) pueden estar afectados. Además de la impronta, la familia también
muestra un efecto de penetrancia reducida y de penetrancia dependiente de la
edad en los hijos (III-6, IV-10, IV-17) de los progenitores masculinos
heterocigotos. Los símbolos + y − indican la presencia o ausencia de la mutación
de SDHD en esta familia.
DrBurgos
297
Mutaciones dinámicas: expansión de
repeticiones inestables
En todos los tipos de herencia que se han expuesto hasta el momento, una vez
que tiene lugar la mutación responsable, se mantiene de manera estable
cuando se transmite de una generación a la siguiente, lo que quiere decir que
todos los miembros afectados de una familia comparten exactamente la
misma mutación heredada. A diferencia de ello, se ha identificado una clase
completamente distinta de enfermedad genética, las enfermedades debidas a
mutaciones dinámicasque cambian de generación en generación (v. cap. 4).
Estos trastornos se caracterizan por una expansión inestable en el interior de
un gen de un segmento de DNA que contiene unidades repetidas formadas
por tres o más nucleótidos que se producen en tándem. Muchas de estas
unidades repetidas constan de tres nucleótidos, tal como CAG o CCG, de
manera que la repetición sería en este caso CAGCAGCAGCAG o
CCGCCGCCGCCG. En general, los genes asociados a estas enfermedades
presentan alelos normales que son polimórficos; es decir, en la población
normal existe un número variable de unidades de repetición, como se
comentó en el capítulo 4. A medida que el gen es transmitido de generación
en generación, el número de repeticiones puede aumentar y sufre expansión,
mucho más allá del rango polimórfico, dando lugar a alteraciones en la
expresión y la función del gen. El descubrimiento de este grupo infrecuente
de trastornos ha desechado las nociones ortodoxas de la estabilidad de las
células germinales y ha proporcionado un fundamento biológico para
explicar las peculiaridades de la transmisión familiar, que se comenta en la
sección siguiente y que antes no tenían una explicación física conocida.
Hay más de una docena de enfermedades que se deben a expansiones con
repeticiones inestables de este tipo y todas ellas son fundamentalmente
neurológicas. A continuación, se revisan los patrones de herencia de dos
enfermedades distintas con expansiones inestables que ilustran los efectos
que diversas mutaciones dinámicas pueden tener sobre los patrones de
herencia. Una descripción más completa de los mecanismos patogénicos de
los trastornos debidos a repeticiones inestables se expone en el capítulo 12.
Trastornos de la poliglutamina
Varias enfermedades neurológicas diferentes comparten la característica de
que la proteína codificada por el gen mutado en cada una de ellas se
caracteriza por una secuencia variable de residuos consecutivos de
glutamina, cuyo codón es el trinucleótido CAG. Estas afecciones se
denominan trastornos de la poliglutamina y se producen cuando una
expansión de la repetición CAG da lugar a una proteína con más glutaminas
de las que son compatibles con una función normal. La enfermedad de
DrBurgos
298
Huntington (HD, Huntington disease) es un trastorno bien conocido que
ilustra muchas de las características genéticas comunes de los trastornos de la
poliglutamina secundarios a la expansión de una repetición inestable (Caso
24). La neuropatología se caracteriza por degeneración del núcleo estriado y
de la corteza cerebral. Los pacientes inician las manifestaciones clínicas en su
madurez y manifiestan un fenotipo característico de alteraciones motoras
(corea, distonía), cambios de la personalidad, pérdida gradual de las
capacidades cognitivas y, en última instancia, fallecimiento.
Durante mucho tiempo, se consideró que la HD era un trastorno
autosómico dominante típico con penetrancia dependiente de la edad. Esta
enfermedad se transmite de generación en generación y cada descendiente
tiene un riesgo del 50%; los heterocigotos y los homocigotos portadores de la
mutación muestran fenotipos muy similares, aunque los homocigotos
presentan una enfermedad de evolución más rápida. No obstante, existen
algunas peculiaridades en la transmisión hereditaria de esta enfermedad que
no se pueden explicar por los mecanismos simples del rasgo autosómico
dominante. En primer lugar, la enfermedad parece desarrollarse a una edad
cada vez más temprana cuando se transmite a lo largo del árbol genealógico,
un fenómeno que se ha denominado anticipación. En segundo lugar, la
anticipación parece observarse únicamente cuando el alelo mutante se
transmite por el padre afectado, pero no por la madre afectada, situación
denominada sesgo de transmisión parental.
En la actualidad, las peculiaridades de la herencia de la HD se han podido
explicar fácilmente mediante el descubrimiento de que la mutación está
constituida por una expansión larga de CAG en la región codificante del exón
1 del gen HD. Las personas normales presentan alelos con entre 9 y 35
repeticiones CAG en el gen HD, con un promedio de 18 o 19. Sin embargo, las
personas afectadas con HD muestran 40 o más repeticiones, con un promedio
de alrededor de 46. Un número de repeticiones de 40-50 suele provocar que la
enfermedad aparezca en una etapa más avanzada de la vida, lo que explica la
penetrancia dependiente de la edad, que es una característica típica de esta
enfermedad. Aunque el número límite de 36 a 39 repeticiones se suele asociar
con la HD, se puede observar en algunos individuos que no muestran signos
de la enfermedad incluso a edades bastante avanzadas. La edad de inicio
varía en función del número de repeticiones CAG presentes (fig. 7-20).
DrBurgos
299
FIGURA 7-20 Gráfica de correlación de la edad aproximada en el momento
de inicio de las manifestaciones clínicas de la enfermedad de Huntington
con el número de repeticiones CAG detectadas en el gen HD.
La línea continua es la edad promedio en el momento de inicio de la enfermedad,
y la zona en sombra muestra el rango de edad de los pacientes en el momento de
inicio de la enfermedad y para cualquier número dado de repeticiones. Véase
Créditos de figuras.
Entonces, ¿cómo llega un individuo a presentar una repetición CAG
expandida en su gen HD? En primer lugar, el paciente puede heredarla de un
progenitor que ya presenta una repetición expandida por encima del rango
normal, pero que aún no ha desarrollado la enfermedad. En segundo lugar,
puede heredar una repetición expandida de un progenitor con una longitud
de 35-40 repeticiones, que puede o no causar la enfermedad durante la vida
del progenitor, pero que puede expandirse cuando se transmite, lo que da
lugar a la aparición más temprana de las manifestaciones clínicas de la
enfermedad en las generaciones posteriores (lo que, a su vez, explica la
anticipación). Por ejemplo, en el árbol genealógico que se muestra en la figura
7-21, en el individuo I-1 (actualmente fallecido) se estableció el diagnóstico de
HD a la edad de 64 años y era heterocigoto para una expansión de 37
repeticiones CAG y un alelo normal, estable con 25 repeticiones. Cuatro de
sus hijos heredaron el alelo inestable, con longitudes de repetición de CAG
que oscilaban de 42 a más de 100 repeticiones. Por último, los individuos no
afectados pueden ser portadores de alelos con longitudes de repetición en el
límite alto del rango normal (29 a 35 repeticiones CAG) que se pueden
expandir durante la meiosis hasta 40 o más repeticiones. Los alelos de la
repetición CAG en el límite alto de la normalidad que no causan la
enfermedad pero que pueden ser capaces de expandir las repeticiones hasta
el rango asociado a la enfermedad clínica se denominan premutaciones.
DrBurgos
300
FIGURA 7-21
Árbol genealógico de una familia con enfermedad de
Huntington.
Bajo el árbol genealógico aparece un análisis de transferencia por Southern e
hibridación, para la demostración de expansiones repetidas CAG en el gen HD.
Además de un alelo normal que contiene 25 repeticiones CAG, el individuo I-1 y
sus hijos II-1, II-2, II-4 y II-5 son heterocigotos para los alelos expandidos, cada
uno de los cuales contiene un número diferente de repeticiones CAG. El número
de repeticiones se indica debajo de cada individuo. II-2, II-4 y II-5 están afectados.
El individuo II-1 tiene 50 años de edad y no está afectado, pero va a desarrollar la
enfermedad más adelante. Véase Créditos de figuras.
La expansión en la HD muestra un sesgo de transmisión paterna y tiene
lugar con mayor frecuencia durante la gametogénesis masculina, lo que
explica que la forma grave juvenil de inicio temprano de la enfermedad, que
se observa con las expansiones de mayor tamaño (70 a 121 repeticiones),
siempre se debe a una transmisión paterna.
Síndrome del cromosoma X frágil
El síndrome del cromosoma X frágil (Caso 17) es la forma hereditaria más
común de discapacidad intelectual moderada y es una de las numerosas
afecciones que actualmente se considera que forman parte de los trastornos
del espectro autista. La denominación de cromosoma X frágil hace referencia
a un marcador citogenético localizado en el cromosoma X, en Xq27.3, un
«sitio frágil inducido en las células en cultivo» en el que la cromatina no se
condensa adecuadamente durante la mitosis. El síndrome se hereda en forma
de un trastorno ligado al cromosoma X con una penetrancia en las mujeres en
el rango del 50-60%. El síndrome del cromosoma X frágil muestra una
frecuencia de 1/3.000-1/4.000 recién nacidos de sexo masculino y es tan
frecuente que debe ser considerado en el diagnóstico diferencial de la
DrBurgos
301
discapacidad intelectual o el autismo en los individuos de ambos sexos. La
evaluación del síndrome del cromosoma X frágil está entre las indicaciones
más habituales para el análisis genómico, el asesoramiento genético y el
diagnóstico prenatal.
Al igual que la HD, el síndrome del X frágil se debe a una expansión con
repeticiones inestables. Sin embargo, en este caso se produce una expansión
masiva de una repetición de triplete diferente, CGG, en la región 5’ no
traducida de un gen denominado FMR1 (fig. 7-22). El número normal de
repeticiones llega hasta 55, mientras que en los pacientes con la mutación de
tipo «completa» del síndrome del cromosoma X frágil se observan más de 200
(e incluso hasta varios miles) de repeticiones. El síndrome se debe a una falta
de expresión del gen FMR1 y a la ausencia de producción de la proteína
codificada. La repetición expandida da lugar a una metilación excesiva de las
citosinas en el promotor de FMR1; como se comentó en el capítulo 3, la
metilación del DNA en las islas CpG impide la función normal del promotor
y ocasiona el silenciamiento del gen.
DrBurgos
302
FIGURA 7-22 Transferencia por Southern e hibridación del DNA de los
miembros de una familia con segregación del síndrome del X frágil.
En la familia que se muestra en la parte superior, se digirieron muestras de DNA o
bien únicamente con la endonucleasa EcoRI (E) o bien con la combinación de
EcoRI y BssH2 (B), una endonucleasa que no realiza escisión cuando las
citosinas en su secuencia de reconocimiento están metiladas. La digestión con
EcoRI normalmente produce un fragmento de 5,2 kb que contiene la región de la
repetición, pero el tamaño del fragmento aumenta proporcionalmente a la
expansión de la repetición del triplete. La digestión con BssH2 junto con EcoRI
(E/B) reducirá el fragmento de 5,2 kb generado por EcoRI a un fragmento de 2,8
kb que contiene las repeticiones si las repeticiones CGG no están metiladas,
como sucede en el cromosoma X activo en una mujer, o si las repeticiones no se
expanden hasta el rango de mutación completa (>200 repeticiones). BssH2 no
puede cortar el fragmento de 5,2 kb procedente de un X inactivo o un alelo FMR1
completamente expandido. El individuo afectado tiene un fragmento EcoRI
grande, mucho mayor de 5,2 kb, que contiene la repetición CGG expandida y es
resistente a la digestión con BssH2 porque está metilado en su mayor parte. Su
madre tiene dos fragmentos después de la digestión con EcoRI, uno de tamaño
normal y otro unos cientos de pares de bases mayor, lo que indica que es una
portadora de premutación, al igual que la madre de ésta, la abuela del probando.
Con la doble digestión, se observan dos fragmentos, el normal de 2,8 kb y un
DrBurgos
303
alelo premutación que es unos pocos cientos de pares de bases mayor. El
probando tiene dos tíos, uno (indicado en azul claro), que está levemente
afectado y tiene un alelo expandido (según la digestión con EcoRI) que está sólo
parcialmente metilado (según la digestión con BssH2). El otro tío es un hombre
normal con un alelo de tamaño normal, no metilado. Véase Créditos de figuras.
Un número de repeticiones del triplete entre 56 y 200 constituye un estadio
de premutación intermedio en el síndrome del cromosoma X frágil. Las
expansiones en este rango son inestables cuando se transmiten de la madre al
hijo y muestran una tendencia progresiva a presentar expansión completa
hasta más de 200 copias de la repetición durante la gametogénesis en los
individuos de sexo femenino (pero casi nunca en los de sexo masculino), con
riesgo de que la expansión se incremente espectacularmente cuanto más
expandida esté la premutación (fig. 7-23). La frecuencia global de la
premutación en mujeres en la población general se estima en más de 1/200.
FIGURA 7-23 Frecuencia de la expansión de una premutación con
expansión de tripletes en el gen FMR1 hasta una mutación plena en la
ovogénesis, en función de la longitud del alelo de premutación del que era
portadora una mujer heterocigota.
El riesgo de que sus hijos de sexo masculino sufran el síndrome del cromosoma X
frágil es aproximadamente la mitad de esta frecuencia, debido a que cada hijo
tiene una probabilidad del 50% de heredar el alelo expandido. El riesgo del
síndrome del cromosoma X frágil en las hijas es aproximadamente la cuarta parte
de esta frecuencia debido a que la probabilidad de que cada una de las hijas
herede la mutación completa es del 50% y teniendo en cuenta que la penetrancia
de la mutación completa en una mujer es de aproximadamente el 50%. Véase
Créditos de figuras.
DrBurgos
304
Similitudes y diferencias entre los árboles
genealógicos de la enfermedad de Huntington y
del síndrome del cromosoma X frágil
Una comparación de la HD con el síndrome del cromosoma X frágil revela la
existencia de algunas similitudes, pero también de muchas diferencias que
ilustran muchas de las características de los trastornos debidos a mutaciones
dinámicas:
• Las expansiones de tipo premutación con aumento del riesgo de
transmisión de las mutaciones completas son lo habitual en ambas
enfermedades, y la anticipación es habitual en ambas.
• No obstante, el número de repeticiones en los alelos de premutación en la
HD es de 29 a 35, pero mucho menor que las 55-200 repeticiones que
existen en las premutaciones del síndrome del cromosoma X frágil.
• Los portadores de premutaciones del cromosoma X frágil tienen un riesgo
de desarrollar ataxia de inicio en la vida adulta (en varones) e insuficiencia
ovárica (en mujeres), aunque los portadores de la premutación en la HD,
por definición, no sufren afectación.
• La expansión de los alelos de premutación tiene lugar sobre todo en la línea
germinal femenina en el síndrome del cromosoma X frágil; por el contrario,
la expansión de mayor tamaño que causa HD de inicio juvenil se observa
en la línea germinal de los individuos de sexo masculino.
DrBurgos
305
Herencia materna de trastornos causados
por mutaciones en el genoma mitocondrial
Todos los patrones de herencia descritos hasta aquí se explican por
mutaciones en el genoma nuclear, ya sea en genes autosómicos o ligados al
cromosoma X. Sin embargo, algunos árboles genealógicos de enfermedades
hereditarias que no presentan patrones de herencia mendeliana típica son
causados por mutaciones en el genoma mitocondrial y se manifiestan
estrictamente a través de una herencia materna. Los trastornos causados por
mutaciones en el DNA mitocondrial (mtDNA) presentan diversos rasgos
poco habituales que se deben a las características específicas de la biología y
la función mitocondriales.
Tal como se indicó en el capítulo 2, no todos los RNA y las proteínas
sintetizados en una célula son codificados por el DNA del núcleo; una
fracción pequeña, pero importante, está codificada por genes localizados en el
mtDNA. El genoma mitocondrial contiene 37 genes que codifican 13
subunidades de enzimas que participan en la fosforilación oxidativa, así
como RNA ribosómicos y RNA de transferencia necesarios para la traducción
de los transcritos de los polipéptidos codificados por las mitocondrias. Dado
que las mitocondrias son esenciales para el funcionamiento normal de casi
todas las células, la alteración de la producción de energía por las mutaciones
del mtDNA suele causar enfermedades graves, que afectan a muchos tejidos
diferentes. Por tanto, en los trastornos mitocondriales, el pleiotropismo es la
norma, no la excepción.
En el mtDNA se han identificado más de 100 reordenamientos diferentes y
más de 100 mutaciones puntuales diferentes que pueden causar varias
enfermedades en el ser humano, a menudo con afectación de los sistemas
nervioso central y musculoesquelético, como la epilepsia mioclónica con
fibras rojas rasgadas (Caso 33). En esta sección, nos centraremos en el patrón
distintivo de herencia debido a tres características poco habituales de las
mitocondrias: la herencia materna, la segregación replicativa, así como la
homoplasmia y heteroplasmia. Los mecanismos subyacentes de los
trastornos mitocondriales se describen con más detalle en el capítulo 12.
Herencia materna del mtDNA
La característica definitoria principal de la genética del mtDNA es su
herencia materna. Las mitocondrias de los espermatozoides no suelen estar
presentes en el cigoto, de manera que sólo el mtDNA materno se transmite a
la siguiente generación. Por tanto, los hijos de una mujer que tenga una
mutación en el mtDNA van a heredar la mutación, mientras que no la va a
heredar ninguno de los hijos de un portador de sexo masculino de la misma
mutación. Los árboles genealógicos de estas enfermedades son bastante
DrBurgos
306
típicos, como se observa por la herencia estrictamente materna de una
mutación del mtDNA que causa la neuropatía óptica hereditaria de Leber
que se muestra en la figura 7-24. Aunque la herencia materna es lo esperable,
se ha producido al menos un caso de herencia paterna del mtDNA en un
paciente con una miopatía mitocondrial. Por consiguiente, en los pacientes
con mutaciones aparentemente esporádicas del mtDNA, se debe tener en
cuenta la rara posibilidad de una herencia paterna del mtDNA (v. cuadro).
FIGURA 7-24 Árbol genealógico de la neuropatía óptica hereditaria de Leber,
una forma de ceguera espontánea de inicio en adultos causada por un defecto en
el DNA mitocondrial. Se considera que la herencia sólo tiene lugar por vía
materna, en concordancia con la herencia materna conocida del DNA
mitocondrial. Los individuos de sexo masculino afectados no transmiten la
enfermedad.
Segregación replicativa
Una segunda característica del genoma mitocondrial es la naturaleza
estocástica de la segregación durante la mitosis y la meiosis. Durante la
división celular, las múltiples copias de mtDNA presentes en cada una de las
mitocondrias de cada célula se replican y se distribuyen aleatoriamente entre
las mitocondrias recién sintetizadas, lo que contrasta llamativamente con la
segregación muy predecible y altamente programada de los 46 cromosomas
nucleares. Las propias mitocondrias, a su vez, se distribuyen aleatoriamente
entre las dos células hijas. Este proceso se denomina segregación replicativa
y puede dar lugar a una gran variabilidad en cuanto a las manifestaciones de
las enfermedades mitocondriales en los distintos tejidos y/o pacientes.
Homoplasmia y heteroplasmia
Por último, una característica específica de la genética del mtDNA se observa
cuando se produce una segregación replicativa en mitocondrias que
contienen genomas mitocondriales mutantes y de tipo natural. Cuando se
produce una mutación en el mtDNA inicialmente, sólo aparece en una de las
moléculas de mtDNA de una sola mitocondria. Con la división celular, todos
los mtDNA se replican, las mitocondrias se dividen y el DNA normal y
mutante se distribuye aleatoriamente a las organelas hijas que (simplemente
por azar) pueden contener proporciones diferentes de los genomas
DrBurgos
307
mitocondriales normal y mutante. La célula, que ahora contiene mitocondrias
con distintas mezclas de mtDNA normal y mutante, distribuye a su vez esas
mitocondrias de forma aleatoria a sus células hijas. Por tanto, las células hijas
pueden recibir una mezcla de mitocondrias, unas con la mutación y otras sin
ella (situación denominada heteroplasmia; fig. 7-25). En ocasiones, una célula
hija puede recibir, de nuevo por azar, mitocondrias que contienen una
población pura de mtDNA normal o bien una población pura de mtDNA
mutante (situación denominada homoplasmia). Dado que la expresión
fenotípica de una mutación en el mtDNA depende de las proporciones
relativas del mtDNA normal y mutante en las células que constituyen los
diversos tejidos, los trastornos mitocondriales suelen cursar con penetrancia
reducida y expresión variable (Caso 33).
FIGURA 7-25
Segregación replicativa de una mutación mitocondrial
heteroplásmica.
La partición aleatoria de las mitocondrias normales y mutantes a través de ciclos
múltiples de mitosis da lugar a un conjunto de células hijas con una gran variación
en la proporción de mitocondrias normales y mutantes en cada célula. La
disfunción celular y tisular aparece cuando la fracción de mitocondrias portadoras
de una mutación supera un cierto nivel umbral. mtDNA, DNA mitocondrial; N,
núcleo.
La herencia materna en presencia de heteroplasmia en la madre se asocia a
características adicionales de la genética del mtDNA que poseen significado
médico. En primer lugar, el número de moléculas de mtDNA en los ovocitos
en fase de desarrollo se reduce antes de su amplificación posterior hasta el
enorme número total que se observa en los ovocitos maduros. Esta restricción
con amplificación subsiguiente del mtDNA durante la ovogénesis se
denomina cuello de botella genético mitocondrial. En consecuencia, la
variabilidad en la proporción de moléculas de mtDNA mutante que se
observa en la descendencia de una mujer con heteroplasmia respecto a una
mutación en el mtDNA se debe, al menos en parte, al muestreo de un
DrBurgos
308
subgrupo reducido de los mtDNA después de que se produce el cuello de
botella mitocondrial en la ovogénesis. Tal como se podía esperar, las mujeres
con una elevada proporción de moléculas mutantes de mtDNA tienen más
posibilidades de producir óvulos con una elevada proporción de mtDNA
mutante y, por tanto, tienen una probabilidad también mayor de que sus
hijos presenten afectación clínica, en comparación con las mujeres con una
proporción menor.
Ca r a cte r ística s de la he r e ncia m itocondr ia l
• Todos los hijos de las mujeres homoplásmicas para una mutación heredarán
dicha mutación; sin embargo, casi nunca lo harán los hijos de los hombres
portadores de una mutación similar.
• Las mujeres heteroplásmicas para mutaciones puntuales y duplicaciones las
transmitirán a todos sus hijos. Sin embargo, el porcentaje de mitocondrias
mutantes en los descendientes y, por tanto, el riesgo y la gravedad de la
enfermedad pueden variar considerablemente según el porcentaje de
mitocondrias mutantes existente en la madre y según la distribución
aleatoria del pequeño número de mitocondrias por célula en el «cuello de
botella» del ovocito. En general, las deleciones heteroplásmicas no se
transmiten por mecanismos hereditarios.
• El porcentaje de mitocondrias mutantes en los diferentes tejidos de un
individuo heteroplásmico para una mutación puede variar de manera muy
importante, lo que hace que la enfermedad se manifieste en forma de un
espectro de gravedad en los miembros de una familia con heteroplasmia
respecto a una mutación mitocondrial. En los diferentes familiares
afectados también son frecuentes el pleiotropismo y la expresividad
variable.
DrBurgos
309
Correlación entre genotipo y fenotipo
Un aspecto importante de la genética médica consiste en identificar y
caracterizar los genotipos responsables de fenotipos patológicos particulares.
Para ello, es importante no tener una visión demasiado simplista según la
cual cada fenotipo patológico se debe únicamente a una mutación particular
en un gen específico o que las mutaciones en un gen en particular siempre
causan el mismo fenotipo. De hecho, a menudo existe una heterogeneidad
considerable en la(s) compleja(s) relación(es) entre los fenotipos patológicos,
los genes que están mutados en esas enfermedades y las características de las
mutaciones encontradas en esos genes. Se distinguen tres tipos principales de
heterogeneidad, como se describirá en detalle en los capítulos 11 y 12. En esta
sección se comentarán exponiendo brevemente sus características distintivas
• Heterogeneidad alélica, en la que distintas mutaciones de un gen pueden
producir el mismo fenotipo.
• Heterogeneidad de locus, en la que mutaciones de diferentes genes pueden
causar el mismo fenotipo.
• Heterogeneidad clínica o fenotípica, en la que distintas mutaciones de un
gen pueden causar diferentes fenotipos.
Heterogeneidad alélica
Muchos loci poseen más de un alelo mutante; de hecho, en un locus dado
puede haber varias o muchas mutaciones en la población. La heterogeneidad
alélica puede causar diferencias en cuanto a la gravedad o grado de
pleiotropismo que muestre una enfermedad en particular. Por ejemplo, en
todo el mundo se han observado más de 1.000 mutaciones distintas en el gen
del regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística
(CFTR, cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) en pacientes con esta
enfermedad (Caso 12). En ocasiones, estas diferentes mutaciones dan lugar a
trastornos clínicamente indistinguibles. En otros casos, los alelos mutantes
diferentes correspondientes al mismo locus dan lugar a un fenotipo similar
pero con un continuum de gravedad. En los trastornos autosómicos recesivos,
en particular, el hecho de que muchos pacientes sean heterocigotos
compuestos para dos alelos diferentes se añade a la variabilidad fenotípica de
un trastorno. Por ejemplo, los homocigotos o heterocigotos compuestos para
muchas mutaciones de CFTR tienen la forma clásica de la fibrosis quística,
con insuficiencia pancreática, enfermedad pulmonar grave y progresiva, y
ausencia congénita de los conductos deferentes en los hombres, mientras que
otros pacientes con combinaciones de otros alelos mutantes pueden
manifestar la afectación pulmonar, pero con una función pancreática normal,
y otros pueden presentar únicamente las alteraciones correspondientes al
tracto reproductor masculino.
La heterogeneidad alélica también puede ser evidente en el patrón de
DrBurgos
310
herencia que presente un trastorno en particular. Por ejemplo, en la retinitis
pigmentosa, una causa frecuente de alteración visual hereditaria por
degeneración de los fotorreceptores, algunas mutaciones del gen ORP1, que
codifica una proteína fotorreceptora regulada por oxígeno, provocan una
forma autosómica recesiva de la enfermedad, mientras que otras mutaciones
del mismo gen causan una forma autosómica dominante.
Heterogeneidad de locus
La heterogeneidad de locus corresponde a la situación en la que trastornos
clínicamente parecidos, e incluso indistinguibles, pueden deberse a
mutaciones en loci diferentes en pacientes distintos. Con respecto a algunos
fenotipos, el análisis del árbol genealógico como evaluación única ha sido
suficiente para demostrar la heterogeneidad de locus. Tomando de nuevo la
retinitis pigmentosa como ejemplo, hace muchos años se observó que la
enfermedad presenta formas tanto autosómicas como ligadas al cromosoma
X. En la actualidad, el análisis de árboles genealógicos combinado con los
métodos de cartografía de genes ha demostrado que esta única entidad
clínica puede deberse a mutaciones en al menos 56 genes diferentes, de los
que 54 son autosómicos y 2 están ligados al cromosoma X.
Heterogeneidad clínica
Las mutaciones diferentes en un mismo gen pueden dar lugar en ocasiones a
fenotipos muy distintos, fenómeno denominado heterogeneidad clínica o
fenotípica. Esta situación se produce con mutaciones del gen LMNA, que
codifica una proteína de la membrana nuclear. Las diferentes mutaciones de
LMNA se han asociado al menos con media docena de trastornos
fenotípicamente diferentes, como una forma de distrofia muscular, una forma
de miocardiopatía dilatada hereditaria, una de las formas de la neuropatía
periférica de Charcot-Marie-Tooth, un trastorno del tejido adiposo
denominado lipodistrofia y el síndrome de envejecimiento prematuro
denominado progeria de Hutchinson-Gilford.
DrBurgos
311
Importancia de la historia familiar en la
práctica médica
La genética médica es una especialidad médica especial porque se centra no
sólo en el paciente, sino también en toda la familia. La determinación
exhaustiva de la historia familiar es un primer paso importante del análisis de
cualquier enfermedad, tanto si se sabe que dicha enfermedad es genética
como si no. Tal y como el difunto Barton Childs afirmó brevemente: «No
tener en cuenta adecuadamente la historia familiar es realizar una mala
medicina». A pesar de las sofisticadas pruebas citogenéticas, moleculares y
genómicas de las que disponen en la actualidad los especialistas en genética,
una historia familiar precisa (incluido el árbol genealógico) sigue siendo una
herramienta fundamental para todos los médicos y asesores genéticos que
debe usarse para determinar el patrón de herencia de una enfermedad en la
familia, para establecer el diagnóstico diferencial, determinar qué pruebas
genéticas podrían necesitarse y diseñar un plan de manejo y tratamiento
individualizado para sus pacientes. Además, identificar un componente
familiar en un trastorno médico permite estimar el riesgo en otros familiares,
de modo que se pueda ofrecer un tratamiento, prevención y asesoramiento
adecuados al paciente y a la familia, como se comentará en muchos de los
próximos capítulos.
DrBurgos
312
Bibliografía general
Bennett RL, French KS, Resta RG, Doyle DL. Standardized human pedigree nomenclature: update and
assessment of the recommendations of the National Society of Genetic Counselors. J Genet Counsel.
2008;17:424–433.
Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM, Baltimore, Johns Hopkins University. Updated online at:
http://omim.org/.
Rimoin DL, Pyeritz RE, Korf BR, eds. Emery and Rimoin’s essential medical genetics. Oxford: Academic Press;
2013.
Scriver CR, Beaudet AL, Sly WS, eds. The metabolic and molecular bases of inherited disease. ed 8 New York:
McGraw-Hill; 2000: Updated online version available at: http://genetics.access medicine.com/.
P r oble m a s
1. Cathy está embarazada por segunda vez. Su primer hijo, Donald, sufre
fibrosis quística (CF). Cathy tiene dos hermanos, Charles y Colin, y una
hermana, Cindy. Colin y Cindy no están casados. Charles está casado con
una mujer con la que no hay consanguinidad, Carolyn, y tienen una hija de
2 años, Debbie. Los padres de Cathy son Bob y Betty. La hermana de Betty,
Barbara, es la madre del marido de Cathy, Calvin, de 25 años. No existe
historia familiar previa de CF.
a. Dibuje el árbol genealógico utilizando los símbolos estándar.
b. ¿Cuál es el modelo de transmisión de la CF y cuál es el riesgo de CF para
el siguiente hijo de Cathy?
c. ¿Qué personas de este árbol genealógico son heterocigotos obligados?
2. George y Grace, que presentan una audición normal, han tenido 8 hijos.
Dos de sus 5 hijas y dos de sus 3 hijos varones sufren sordera congénita.
Otra pareja, Harry y Helen, ambos con audición normal, también tienen 8
hijos. Dos de sus 6 hijas y uno de sus 2 hijos varones son sordos. Una
tercera pareja, Gilbert y Gisele, con sordera congénita, tienen 4 hijos,
también sordos. Su hija Hedy se casa con Horace, un hijo sordo de George
y Grace, y Hedy y Horace tienen, a su vez, 4 hijos sordos. Su hijo varón
mayor, Isaac, se casa con Ingrid, hija de Harry y Helen. Aunque Isaac e
Ingrid son sordos, sus 6 hijos presentan una audición normal. Dibuje el
árbol genealógico y conteste las siguientes preguntas. (Una pista: ¿cuántos
tipos diferentes de sordera congénita se observan en este árbol
genealógico?):
a. Indique los genotipos probables de los niños de la última generación.
b. ¿Por qué todos los hijos de Gilbert y Giselle, y de Hedy y Horace, son
sordos?
3. Considere las situaciones siguientes:
a. La retinitis pigmentaria ocurre en forma ligada al cromosoma X y en
forma autosómica.
b. Los dos miembros de una pareja tienen una típica hipercolesterolemia
familiar con hipercolesterolemia, arcus corneae, xantomas tendinosos,
deficiencia de receptores de lipoproteínas de densidad baja (LDL, lowDrBurgos
313
density lipoprotein) y una historia familiar del trastorno. Tienen un hijo
con el colesterol plasmático muy elevado en el momento del nacimiento,
y en unos años desarrolla xantomas y arteriosclerosis generalizada.
c. Una pareja con visión normal, de una población aislada, tienen un hijo
con atrofia girata de la retina, autosómica recesiva. El niño crece, se casa
con una mujer también miembro de la misma comunidad (con visión
normal) y tienen un hijo con el mismo trastorno ocular.
d. Una niña tiene neurofibromatosis tipo 1 (NF1) grave. Su padre tiene un
fenotipo normal; su madre parece clínicamente normal, pero tiene varias
manchas café con leche y áreas de hipopigmentación, y un examen con
lámpara de hendidura muestra que tiene nódulos de Lisch (crecimiento
hamartomatoso en el iris).
e. Unos padres de estatura normal tienen un hijo con acondroplasia.
f. Un hombre adulto con distrofia miotónica tiene cataratas, calvicie frontal
e hipogonadismo, además de miotonía.
g. Un varón con raquitismo resistente a la vitamina D transmite la
enfermedad a todas sus hijas, que presentan una forma más leve de la
enfermedad que su padre. Ninguno de sus hijos varones está afectado.
Las hijas tienen aproximadamente el mismo número de hijos varones no
afectados, hijos varones afectados, hijas no afectadas e hijas afectadas.
Los hijos varones afectados lo están más gravemente que sus hermanas
afectadas.
h. Un niño sufre una distrofia muscular progresiva aparecida en la
temprana infancia, y a los 12 años va en silla de ruedas. Un varón no
emparentado tiene también distrofia muscular progresiva, pero todavía
camina a los 30 años. El análisis molecular muestra que ambos pacientes
tienen grandes deleciones en el gen de la distrofina, que codifica la
proteína deficiente en la distrofia muscular de Duchenne y de Becker.
i. Un paciente con un trastorno recesivo ha heredado ambas copias de un
cromosoma del mismo progenitor y no tiene representante de ese
cromosoma del otro progenitor.
j. Un niño cuyos padres son primos hermanos nace con la enfermedad de la
orina con olor a «jarabe de arce».
¿Cuáles de los conceptos que se enumeran a continuación quedan
ilustrados por las situaciones descritas?
• Expresividad variable.
• Disomía uniparental.
• Consanguinidad.
• Endogamia.
• Herencia dominante ligada al X.
• Mutación nueva.
• Heterogeneidad alélica.
• Heterogeneidad de locus.
• Homocigosidad para un rasgo autosómico dominante incompleto.
DrBurgos
314
• Pleiotropismo.
4. Don y su abuelo materno, Barry, tienen hemofilia A. La mujer de Don,
Diane, es la hija de la tía materna de Don. Don y Diane tienen un hijo
varón, Edward, y 2 hijas, Elise y Emily, todos con hemofilia A. También
tienen una hija no afectada, Enid.
a. Dibuje el árbol genealógico.
b. ¿Por qué están afectadas Elise y Emily?
c. ¿Cuál es la probabilidad de que un hijo varón de Elise sea hemofílico?
¿Cuál es la probabilidad de que su hija sea hemofílica?
d. ¿Cuál es la probabilidad de que un hijo varón de Enid sea hemofílico? ¿Y
una hija?
5. Nace un niño con malformaciones, pero no puede identificarse un
síndrome conocido. Los padres no son parientes y no hay historia familiar
de ningún problema parecido. ¿Cuáles de las siguientes opciones podrían
explicar esta situación? ¿Cuáles son poco probables? ¿Por qué?
a. Herencia autosómica dominante con mutación nueva.
b. Herencia autosómica dominante con penetrancia reducida.
c. Herencia autosómica dominante con expresividad variable.
d. Herencia autosómica recesiva.
e. Herencia recesiva ligada al cromosoma X.
f. Herencia autosómica dominante con paternidad mal atribuida.
g. Ingestión materna de un fármaco teratógeno en un estadio sensible del
desarrollo embrionario.
6. Una pareja tiene un hijo con NF1. Ambos progenitores son clínicamente
normales y en ninguna de sus familias hay casos descritos.
a. ¿Cuál es la explicación probable de la NF1 en el niño?
b. ¿Cuál es el riesgo de recurrencia para otro hijo de esta pareja?
c. Si el varón tiene un hijo con otra mujer, ¿cuál será su riesgo para la NF1?
d. ¿Cuál es el riesgo de que un descendiente del niño afectado sufra
también NF1?
7. La consultante (flecha) desea conocer su riesgo de tener un hijo con
malformaciones congénitas, antes de iniciar su familia, debido a que ella y
su marido presentan relación genética (v. árbol genealógico). La historia
familiar no revela la presencia de ninguna enfermedad de transmisión
recesiva. ¿Qué probabilidades hay de que su hijo sea homocigoto para una
mutación causante de un trastorno recesivo portado por uno de los dos
antepasados comunes en la generación I (coeficiente de endogamia)? (Pista:
la mutación podría estar presente en cualquiera de los dos cromosomas en
cualquiera de los dos antepasados comunes).
DrBurgos
315
8. Teniendo en cuenta el árbol genealógico que aparece más abajo, indique
cuál o cuáles son: el patrón o patrones más probables de herencia; el patrón
o los patrones posibles, pero menos probables, de herencia; el patrón o
patrones de herencia incompatibles. Los patrones son autosómico recesivo,
autosómicos dominante, recesivo ligado al X, dominante ligado al X y
mitocondrial. Justifique sus decisiones.
9. Cuando un niño presenta una enfermedad autosómica recesiva, se asume
que ambos progenitores son portadores heterocigotos de la enfermedad.
Sin embargo, se producen nuevas mutaciones durante la gametogénesis (v.
cap. 4). ¿Podría suceder que un individuo tenga dos alelos mutantes de una
DrBurgos
316
enfermedad autosómica recesiva debido a que ha heredado un alelo
mutante de un progenitor portador, mientras que el otro alelo mutante ha
surgido de novo en un gameto procedente de un progenitor que no era
portador? Utilice como ejemplo un niño con fibrosis quística. Calcule el
valor de odds (cociente de probabilidades) de que ambos progenitores sean
portadores frente a la probabilidad de que sólo la madre sea portadora y el
espermatozoide tenga una mutación de novo. Asuma una tasa promedio de
mutación de alrededor de alrededor de 10−6 por gameto masculino por
generación.
*
Los términos genético y congénito suelen confundirse. Debe recordarse que un trastorno genético es el que
está determinado por una variación de los genes, mientras que un trastorno congénito es simplemente
aquél que está presente al nacer y puede tener o no una base genética.
DrBurgos
317
CAPÍTULO 8
DrBurgos
318
Genética de las enfermedades
multifactoriales comunes con
herencia compleja
Las enfermedades frecuentes, como las malformaciones congénitas, el infarto
de miocardio, el cáncer, las enfermedades neuropsiquiátricas, la diabetes y la
enfermedad de Alzheimer, ocasionan morbilidad y mortalidad prematura a
casi dos de cada tres personas a lo largo de la vida (tabla 8-1). Muchas de esas
enfermedades «vienen de familia»: los casos parecen agruparse en los
familiares de los individuos afectados con más frecuencia que en la población
general. No obstante, en general su herencia no sigue una de las pautas
mendelianas que se ven en los trastornos monogénicos descritos en el
capítulo 7. Esto se debe a que estas enfermedades pocas veces se producen
simplemente por el hecho de heredar uno o dos alelos con un gran impacto
en un único locus, como sucede con los trastornos mendelianos dominantes y
recesivos. En lugar de eso, se piensa que resultan de complejas interacciones
entre una serie de variantes genéticas que alteran la susceptibilidad a la
enfermedad, combinadas con ciertas exposiciones ambientales y quizá
también con fenómenos aleatorios. La suma de todo ello puede desencadenar,
el proceso patológico, acelerarlo o proteger contra él. Por este motivo, estos
trastornos se consideran de origen multifactorial, y la agregación familiar
genera un patrón de herencia compleja.
Tabla 8-1
Frecuencia de diferentes tipos de enfermedades genéticas
Datos de Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE: Emery and Rimoin’s principles and practice of medical
genetics, 3.ª ed., Edimburgo, 1997, Churchill Livingstone.
La agregación familiar y la herencia compleja que se observa en las
enfermedades multifactoriales se explican por el hecho de que los miembros
de una familia comparten en mayor proporción la información genética y la
exposición a determinados factores ambientales que los individuos tomados
al azar de la población general. Por lo tanto, los parientes de un individuo
DrBurgos
319
afectado tienen una probabilidad mayor de sufrir las mismas interacciones
gen-gen y gen-ambiente que ocasionó la enfermedad en el paciente que los
individuos sin parentesco con él.
En este capítulo, abordamos en primer lugar la cuestión de cómo se infiere
que las variantes génicas predisponen a estas enfermedades comunes. A
continuación, describimos cómo los genetistas usan los estudios de
agregación familiar y los estudios de gemelos para cuantificar las
contribuciones relativas de las variaciones genéticas y ambientales, y
demostramos cómo se han aplicado estas herramientas a las enfermedades
multifactoriales. Por último, dedicamos el resto del capítulo a describir
algunos ejemplos de trastornos complejos en los que se está empezando a
obtener información sobre la naturaleza específica de las contribuciones
genéticas y ambientales al desarrollo de la enfermedad.
Como veremos en este capítulo, los genes individuales, las variantes
particulares de dichos genes y los factores ambientales que interactúan con
estas variantes aún no se han identificado por completo para la gran mayoría
de las enfermedades multifactoriales comunes. Una comprensión más
detallada de los métodos que los genetistas utilizan para identificar los
factores genéticos subyacentes en las enfermedades complejas requiere, en
primer lugar, una apreciación completa de la distribución de la variación
genética en diferentes poblaciones. Este tema se describe en el capítulo 9.
Después, en el capítulo 10 volveremos a comentar los enfoques
epidemiológicos poblacionales específicos que los genetistas utilizan para
identificar los genes particulares y las variantes de esos genes que son
responsables de un número creciente de trastornos con herencia compleja.
En última instancia, la búsqueda de los genes y sus variantes que
interactúan con el ambiente para contribuir a la susceptibilidad nos permitirá
comprender mejor los procesos subyacentes que dan lugar a enfermedades
multifactoriales frecuentes y, tal vez, nos proporcionará mejores herramientas
para la prevención o el tratamiento.
DrBurgos
320
Rasgos cualitativos y cuantitativos
Las enfermedades multifactoriales con herencia compleja pueden clasificarse
como rasgos cualitativos discretos o como rasgos cuantitativos continuos. Un
rasgo cualitativo es el más sencillo de los dos; una enfermedad como el cáncer
de pulmón o la artritis reumatoide está presente o ausente en un individuo.
La distinción entre individuos que tienen una enfermedad o no suele ser
sencilla, pero en ocasiones requiere una exploración detallada o pruebas
especializadas si las manifestaciones son sutiles.
Por el contrario, un rasgo cuantitativo es un parámetro fisiológico o
bioquímico cuantificable, como la estatura, la presión arterial, la
concentración del colesterol plasmático o el índice de masa corporal, que
varía entre los distintos individuos de una población. Aunque un rasgo
cuantitativo varía de forma continua a lo largo de un rango de valores, hay
ciertos diagnósticos de enfermedades, como la estatura baja, la hipertensión,
la hipercolesterolemia o la obesidad, que se definen arbitrariamente en
función de si el valor del rasgo está muy alejado del denominado rango
normal, que se define como un intervalo arbitrario centrado en la media de la
población. Con frecuencia, el rango normal se obtiene utilizando la
distribución normal, que se describe en la sección siguiente, como una
aproximación de la distribución de los valores de un rasgo cuantitativo en la
población. Obsérvese que el término normal se utiliza aquí de dos formas
diferentes. Afirmar que un parámetro fisiológico tiene una distribución
«normal» en la población y decir que el valor de un individuo está en el rango
«normal» son usos distintos de la misma palabra, uno estadístico y el otro
como una medición de la conformidad con lo que suele observarse.
Distribución normal
Cuando se representan parámetros fisiológicos cuantitativos, como la presión
arterial sistólica, mediante una gráfica del número (o porcentaje) de
individuos de la población en el eje de ordenadas (eje 1) y el valor del
parámetro en el eje de abscisas (eje x), con frecuencia se origina una curva en
campana muy familiar denominada distribución normal (curva de Gauss)
(fig. 8-1A). La posición del pico y la anchura de la curva de la distribución
normal están determinadas por dos cantidades: la media (µ) y la varianza
(σ2), respectivamente. La media es el promedio aritmético de los valores, y
dado que hay más personas que presentan valores para un rasgo cerca del
promedio, el pico máximo de la curva suele coincidir con el valor medio. La
varianza (o su raíz cuadrada, la desviación estándar, σ, abreviada como DE)
es una medida del grado de dispersión de los valores a cada lado de la media
y, por tanto, determina la anchura de la curva.
DrBurgos
321
FIGURA 8-1 A, Distribución de Gauss normal con la media y las desviaciones
estándar (DE) indicadas. Para muchos rasgos, se considera que el rango
«normal» está entre la media ± 2 DE, indicado por la zona sombreada. B,
Distribución de la presión arterial sistólica en alrededor de 3.300 varones de 40-45
años (línea continua) y en alrededor de 2.200 varones de 50-55 años (línea de
puntos). Las medias ± 2 DE se muestran por encima de flechas con dos puntas.
Véase Créditos de figuras.
Cualquier parámetro fisiológico mensurable en una muestra de una
población es un fenotipo cuantitativo. En dicha muestra, es posible calcular
la media y la varianza, y utilizarlas para estimar la media y la varianza
subyacentes de la población de la que se ha obtenido la muestra. Por ejemplo,
la presión arterial sistólica de miles de varones en dos grupos de edades
diferentes se presenta en la figura 8-1B. La presión arterial sistólica de la
cohorte más joven es casi simétrica; sin embargo, en el grupo de mayor edad,
la curva está más «desviada» (asimétrica) y hay más individuos con presiones
arteriales sistólicas por encima de la media que por debajo, lo que indica una
tendencia hacia la hipertensión en ese grupo de edad.
La distribución normal proporciona una guía para establecer los límites del
rango normal. Un rango normal suele definirse como los valores de un rasgo
cuantitativo que se observan en alrededor del 95% de la población. La teoría
estadística básica establece que, cuando los valores de un rasgo cuantitativo
presentan una distribución normal en la población (es decir, tienen una
distribución normal), alrededor del 5% de la población tendrá un valor con
más de 2 DE por encima o por debajo de la media poblacional. Sin embargo,
para un individuo determinado, todavía puede ser perfectamente «normal»
(es decir, el individuo tiene buena salud) a pesar de ser un valor situado fuera
del rango «normal».
DrBurgos
322
Agregación familiar y correlación
Alelos compartidos entre familiares
Cuanto más cercano es el parentesco entre dos individuos de una familia,
más alelos comparten heredados de sus antepasados comunes (v. cap. 7). El
ejemplo más extremo de dos individuos con alelos en común es el de los
gemelos idénticos (monocigóticos [MC]) (v. más adelante en este capítulo),
que tienen los mismos alelos en todos los loci. Los siguientes individuos más
estrechamente emparentados son los familiares de primer grado, como padre
e hijo o dos hermanos, incluidos los gemelos dicigóticos [DC]. En la pareja
progenitor-hijo(a), éste(a) posee un alelo en común con cada progenitor en
cada locus (50% de los alelos), o sea, el alelo que heredó de ese progenitor.
Una pareja de hermanos (incluidos los gemelos DC), también tiene un 50% de
sus alelos en común con sus otros hermanos, pero esto sólo es de media. Esto
se debe a que un par de hermanos hereda los mismos dos alelos en un locus
un 25% de las veces, ningún alelo en común en ese locus otro 25% de las
veces y un solo alelo en común el 50% de las veces (fig. 8-2). Por tanto, en un
locus cualquiera, el número promedio de alelos que se espera que un
individuo comparta con un hermano viene dado por:
DrBurgos
323
FIGURA 8-2
Alelos comunes a dos hermanos concordantes para una
enfermedad en un locus arbitrario.
Los genotipos de los progenitores son A1A2 para el padre y A3A4 para la madre.
Los cuatro posibles genotipos del hermano 1 aparecen en la parte superior de la
tabla, y los cuatro del hermano 2, en la parte izquierda. Los números de los
DrBurgos
324
recuadros representan el número de alelos que los hermanos tienen en común
entre las 16 diferentes combinaciones de genotipos para los dos hermanos. Por
ejemplo, el recuadro superior izquierdo tiene el número 2 porque tanto el hermano
1 como el 2 tienen el genotipo A1A3, por lo que tienen tanto el alelo A1 como el
A3 en común. El recuadro inferior izquierdo muestra un 0 porque el hermano 1
tiene el genotipo A1A3, mientras que el hermano 2 tiene el genotipo A2A4, y por
tanto no comparten alelos.
Cuanto más lejano sea el parentesco de dos familiares, menos alelos
tendrán en común, heredados de un antepasado común.
Agregación familiar en los rasgos cualitativos
Si algunos alelos aumentan la probabilidad de desarrollar una enfermedad,
sería previsible que un individuo afectado tuviese un número mayor de lo
esperado de familiares afectados en comparación con lo que sería de prever a
partir de la frecuencia de la enfermedad en la población general (agregación
familiar de la enfermedad). Esto se debe a que cuanto mayor es la relación
entre los familiares con el pariente afectado, más alelos relevantes
compartirán y más probabilidades tendrán de estar también afectados. A
continuación, se describen dos métodos para medir la agregación familiar: la
razón de riesgo relativo y los estudios de casos y controles de historia
familiar.
Razón de riesgo relativo
Una forma de medir la agregación familiar de una enfermedad es comparar
la frecuencia de la enfermedad en los parientes de un probando afectado con
la frecuencia (prevalencia) de la enfermedad en la población general. La
razón de riesgo relativo λr (donde el subíndice «r» se refiere a los familiares),
se define como:
El valor de λr como medida de la agregación familiar depende tanto de la
frecuencia de recurrencia de la enfermedad en un familiar de un individuo
afectado (el numerador) como de la prevalencia en la población (el
denominador); cuanto mayor sea λr, mayor será la agregación familiar. La
prevalencia poblacional entra en los cálculos porque cuanto más frecuente sea
la enfermedad, mayor será la probabilidad de que la agregación sea
solamente una coincidencia basada en los alelos compartidos del conjunto
global de genes, y no el resultado de compartir los alelos que predisponen a
DrBurgos
325
la enfermedad debido a la herencia familiar. Un valor de λr = 1 indica que el
pariente no tiene una probabilidad mayor de desarrollar la enfermedad que
cualquier otro individuo de la población. En la práctica, se mide el valor de λ
en una clase particular de parientes (p. ej., r = h para los hermanos o r = p para
los progenitores). En la tabla 8-2 se muestran ejemplos de razones de riesgo
relativo determinadas para varias enfermedades en muestras de hermanos
(por tanto, λh).
Tabla 8-2
Razones de riesgo λh para hermanos de probandos con enfermedades
con agregación familiar y herencia compleja
Enfermedad
Parentesco lh
Esquizofrenia
Hermanos 12
Autismo
Hermanos 150
Trastorno maniacodepresivo (bipolar) Hermanos 7
Diabetes mellitus tipo 1
Hermanos 35
Enfermedad de Crohn
Hermanos 25
Esclerosis múltiple
Hermanos 24
Datos de Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE: Emery and Rimoin’s principles and practice of medical
genetics, 3.ª ed., Edimburgo, 1997, Churchill Livingstone; y King RA, Rotter JI, Motulsky AG: The genetic
basis of common diseases, 2.ª ed., Oxford, Inglaterra, 2002, Oxford University Press.
Estudios de casos y controles
Otro método para la determinación de la agregación familiar son los estudios
de casos y controles, en los que los pacientes con una enfermedad (los casos)
se comparan con individuos sin la enfermedad (los controles)
convenientemente elegidos con respecto a la historia familiar de la
enfermedad (así como a otros factores, tales como las exposiciones
ambientales, la ocupación, la localización geográfica, la paridad y las
enfermedades anteriores). Para evaluar una posible contribución genética a la
agregación familiar de una enfermedad, se compara la frecuencia con la que
se detecta la enfermedad en familias que presentan al menos un caso (historia
familiar positiva) con la frecuencia de historia familiar positiva entre los
controles emparejados por edad y etnia, pero que no presenten la
enfermedad. A menudo, se utiliza como controles a los cónyuges de los casos,
porque suelen estar emparejados por edad y etnia, y comparten el mismo
ambiente doméstico. Otros controles usados con frecuencia son los parientes
con enfermedades no relacionadas emparejados por la edad, la ocupación y la
etnia. Así, por ejemplo, en un estudio sobre la esclerosis múltiple (EM),
aproximadamente un 3,5% de los familiares de primer grado de los pacientes
con esa enfermedad también la padecían, una prevalencia muy superior a la
encontrada entre los parientes de primer grado de los controles emparejados
sin EM (0,2%). Por lo tanto, la posibilidad de tener un familiar de primer
grado era 18 veces mayor en los pacientes con EM que en los controles. (En el
capítulo 10, se comentará cómo calcular el odds ratio en los estudios de casos y
DrBurgos
326
controles). Por tanto, puede concluirse que en la EM se produce una
agregación familiar considerable, lo que proporciona pruebas de una
predisposición genética a esta enfermedad.
Medición de la contribución genética en los
rasgos cuantitativos
Al igual que la contribución hereditaria a una enfermedad aumenta la
agregación familiar de dicha enfermedad, el hecho de compartir alelos que
determinan un rasgo cuantitativo particular afecta a la distribución de los
valores de ese rasgo en los familiares. Cuanto mayor es la cantidad
compartida de alelos que determinan un rasgo cuantitativo entre los
familiares, más similar es el valor del rasgo entre dichos familiares en
comparación con lo que sería de esperar a partir de la varianza del rasgo
medida en la población general. El efecto de la variación genética en los
rasgos cuantitativos a menudo se mide y se describe de dos maneras
relacionadas: correlación entre familiares y heredabilidad.
Correlación familiar
La tendencia a que los valores de una medida fisiológica sean más parecidos
entre los familiares que entre la población general se evalúa determinando el
grado de correlación de los parámetros fisiológicos particulares en los
familiares. El coeficiente de correlación (simbolizado por la letra r) es una
medida estadística aplicada a un par de mediciones, como por ejemplo la
cifra de colesterol sérico de un niño y la de un progenitor. Por consiguiente,
existe una correlación positiva entre las medidas de colesterol de un grupo
de pacientes y las de sus parientes cuando se comprueba que, cuanto mayor
es la cifra de un paciente, la de sus familiares también es más elevada.
Cuando existe una correlación, una gráfica de los valores en el probando y en
sus familiares, en la que cada punto represente un par de valores probandofamiliar, tenderá a agruparse alrededor de una línea recta. En estos ejemplos,
el valor de r puede oscilar entre 0 cuando no existe correlación a +1 cuando
existe una correlación positiva perfecta. En el ejemplo del colesterol sérico, en
la figura 8-3 se observa una correlación positiva modesta (r = 0,294) entre la
cifra de colesterol sérico de las madres de 30-39 años y el de sus hijos varones
de 4-9 años. Por el contrario, en la correlación negativa, cuanto mayor es la
elevación del valor en un paciente, menor es el valor en sus parientes. Las
medidas todavía se correlacionan, pero en sentidos opuestos. En este caso, el
valor de r puede variar entre 0 y −1 para una correlación negativa perfecta.
DrBurgos
327
FIGURA 8-3 Gráfica de los niveles de colesterol sérico en un grupo de madres
de 30-39 años y en sus hijos varones de 4-9 años. Cada punto representa un par
madre-hijo de mediciones. La línea recta es el «mejor ajuste» a través de los
puntos de datos. Véase Créditos de figuras.
Heredabilidad
El concepto de heredabilidad de un rasgo cuantitativo (simbolizado por H2)
fue desarrollado para tratar de determinar en qué grado las diferencias
genéticas entre los individuos de una población contribuyen a la variabilidad
de ese rasgo en una población. H2 se define como la fracción de la varianza
fenotípica total de un rasgo cuantitativo que se debe a la variación alélica en
su sentido más amplio, con independencia del mecanismo por el que los
diversos alelos afectan al fenotipo. Cuanto más elevada es la heredabilidad,
mayor es la contribución de las diferencias genéticas entre las personas a la
variabilidad del rasgo en la población. El valor de H2 oscila de 0, cuando el
genotipo no ejerce ninguna influencia sobre la varianza fenotípica en la
población, a 1, cuando el genotipo es totalmente responsable de la varianza
fenotípica en dicha población.
La heredabilidad de un rasgo humano es un parámetro teórico que suele
estimarse a partir de la correlación entre las medidas de ese rasgo en
parientes con grados de parentesco conocido, como progenitores e hijos,
hermanos y, como se verá más adelante en este capítulo, gemelos.
DrBurgos
328
Determinación de las contribuciones
relativas de los genes y el ambiente a las
enfermedades complejas
Distinción entre influencias genéticas y
ambientales utilizando estudios de familias
Tanto para los rasgos cualitativos como para los cuantitativos, las similitudes
entre los familiares se deben muy probablemente al resultado del
solapamiento entre el genotipo y la exposición frecuente a factores no
genéticos (es decir, ambientales) como el nivel socioeconómico, el ambiente
local, los hábitos alimenticios o las conductas culturales, factores que suelen
compartirse entre los miembros de la familia, pero que se consideran, por lo
general, como de origen no genético. Cuando existe evidencia de la
agregación familiar de una enfermedad o de correlación de un carácter
cuantitativo, los genetistas intentan separar las contribuciones relativas del
genotipo y del ambiente al fenotipo usando varios métodos. Uno de ellos
consiste en comparar las mediciones de λr o las correlaciones de los rasgos
cuantitativos entre familiares que tengan grados de parentesco distintos con
el probando. Por ejemplo, si los genes predisponen a una enfermedad, sería
de esperar que λr fuese mayor para los gemelos MC, que fuese algo menor
para los familiares de primer grado, como hermanos o parejas de progenitorhijo, y que siguiese decreciendo a medida que la cantidad de alelos
compartidos disminuye entre los parientes más lejanos en una familia (v. fig.
7-3).
Para ilustrar este método, analizaremos el labio leporino con o sin paladar
hendido, LL(P), una de las malformaciones congénitas más frecuentes, que
afecta a 1,4 de cada 1.000 recién nacidos en todo el mundo. El LL(P) se origina
por un fallo de la fusión de los tejidos embrionarios que constituirán el labio
superior y el paladar duro alrededor del día 35 de gestación. Es un trastorno
multifactorial con una herencia compleja; por razones que no se comprenden
por completo, alrededor del 60-80% de los afectados por LL(P) son varones. A
pesar de la similitud de sus nombres, el LL(P) suele tener una etiología
diferente al paladar hendido aislado (es decir, sin labio leporino).
El LL(P) es una entidad heterogénea e incluye formas en la que la
hendidura sólo es una característica del síndrome que asocia otras anomalías,
denominado LL(P) sindrómico, así como formas que no se asocian a otros
defectos congénitos, que se denominan LL(P) no sindrómico. El LL(P)
sindrómico puede heredarse como un trastorno monogénico mendeliano o
puede estar causado por trastornos cromosómicos (sobre todo la trisomía 13 y
el síndrome de deleción 13 y 4p−) (v. cap. 6), o por la exposición a teratógenos
(embriopatía por rubéola, talidomida o anticomiciales) (v. cap. 14). El LL(P)
DrBurgos
329
no sindrómico también puede heredarse como un trastorno monogénico,
pero es más frecuente que aparezca de forma esporádica y evidencia cierto
grado de agregación familiar pero sin una herencia de clara pauta
mendeliana.
El riesgo de LL(P) en un niño aumenta en función del número de familiares
que tenga el niño con LL(P) y con el mayor grado de parentesco de éstos con
el niño (tabla 8-3). La explicación más simple para ello es que cuanto más
estrecha sea la relación de parentesco con el probando y cuantos más
probandos haya en la familia, más probable será que se compartan alelos de
susceptibilidad a la enfermedad con los probandos; por tanto, se incrementa
el riesgo de padecer la enfermedad.
Tabla 8-3
Riesgo de labio leporino con o sin paladar hendido en un niño
dependiendo del número de progenitores y otros parientes afectados
LL(P), labio leporino con o sin paladar hendido.
Otro método es comparar la razón de riesgo relativo de la enfermedad en
los parientes biológicos del probando con la de los familiares sin parentesco
biológico (hijos adoptivos, cónyuges) que viven en el mismo hogar. Volviendo
a la EM, por ejemplo, el valor de λr es de 190 para gemelos MC y de 20-40
para familiares biológicos de primer grado (padres, hijos y hermanos). Por el
contrario, su valor es 1 en los hermanos adoptados de un individuo afectado, lo
que sugiere que la mayor parte de la agregación familiar en la EM es de
origen genético en lugar de proceder de un ambiente compartido. Se puede
realizar un análisis similar para rasgos cuantitativos, como la presión arterial:
no existe correlación entre la presión arterial de un niño y la de sus hermanos
adoptados, a diferencia de la correlación positiva entre la presión arterial de
los hermanos biológicos, que viven en el mismo hogar.
Distinción entre influencias genéticas y
ambientales utilizando estudios con gemelos
De todos los métodos utilizados para distinguir entre las influencias genéticas
y ambientales, los genetistas se han basado sobre todo en los estudios con
DrBurgos
330
gemelos.
Origen de los gemelos
Los gemelos MC y DC son unos «experimentos de la naturaleza» que
proporcionan una oportunidad excelente para evaluar por separado las
influencias ambientales y genéticas sobre los fenotipos en los seres humanos.
Los gemelos MC surgen de la división de un único cigoto fertilizado en dos
cigotos independientes, en una fase temprana de la embriogénesis (v. cap.
14). Constituyen aproximadamente el 0,3% de todos los nacimientos, sin
diferencias significativas entre los distintos grupos étnicos. Cuando el cigoto
se divide en dos, los gemelos MC tienen idénticos genotipos en todos los
locus, por lo que suele pensarse que presentan genotipos y patrones de
expresión génica idénticos.
Por el contrario, los gemelos DC se producen por la fecundación
simultánea de dos óvulos por dos espermatozoides. Desde el punto de vista
genético, los gemelos DC son hermanos que comparten un útero y, como
todos los hermanos, tienen en común, como promedio, el 50% de los alelos en
todos los loci. Los gemelos DC son del mismo sexo la mitad de las veces y del
sexo opuesto la otra mitad. A diferencia de los gemelos MC, la frecuencia de
los gemelos DC varía hasta cinco veces comparando unas poblaciones con
otras, ya que oscila entre una frecuencia de tan sólo el 0,2% en asiáticos hasta
más del 1% de los nacimientos en determinadas regiones de África y en
afroamericanos.
La diferencia llamativa entre gemelos MC y DC en cuanto a su constitución
genética se aprecia con más facilidad comparando el patrón de la
denominada huella dactilar de DNA en gemelos (fig. 8-4). Este método de
huella dactilar de DNA se genera analizando simultáneamente muchos
fragmentos de DNA de diversas longitudes que comparten una secuencia
particular de DNA (minisatélite) y que se localizan por todo el genoma. Los
gemelos MC muestran un patrón indistinguible, mientras que en los gemelos
DC se observan muchas diferencias, tanto si son del mismo sexo como si no.
DrBurgos
331
FIGURA 8-4 Huellas dactilares de DNA de gemelos obtenidas mediante la
detección de los polimorfismos del número variable de repeticiones en tándem,
DrBurgos
332
una clase de polimorfismo que tiene muchos alelos en loci situados por todo el
genoma debido a la variación del número de copias repetidas en tándem (v. cap.
4). Cada par de columnas contiene DNA de una pareja de gemelos. Los gemelos
del primer y tercer conjunto tienen huellas dactilares de DNA idénticas, lo que
indica que son gemelos idénticos (MC). Los gemelos del grupo del centro tienen
huellas de DNA claramente diferentes, lo que confirma que son gemelos fraternos
(DC).
Concordancia de la enfermedad en gemelos monocigóticos y
dicigóticos
Cuando los gemelos presentan la misma enfermedad, se dice que son
concordantes para ese trastorno. A la inversa, cuando sólo un miembro de un
par de gemelos está afectado y el otro no, los parientes son discordantes para
ese trastorno. El examen de la frecuencia de concordancia para una
determinada enfermedad en los gemelos MC constituye un método eficaz
para determinar si el genotipo por sí solo es suficiente para producir esa
enfermedad. Las diferencias entre una enfermedad que sea mendeliana
respecto a una que presente una herencia compleja son muy evidentes. Si se
utiliza la anemia de células falciformes (Caso 42) como ejemplo de una
enfermedad mendeliana, si un gemelo MC tiene dicha anemia, el otro
también la tendrá siempre. Sin embargo, en un ejemplo de enfermedad
multifactorial, cuando un gemelo MC tiene diabetes mellitus tipo 1 (antes
denominada diabetes insulinodependiente o juvenil) (Caso 26), sólo
alrededor del 40% de los otros gemelos la tendrán. Una concordancia para la
enfermedad menor del 100% en gemelos MC indica con fuerza que los factores no
genéticos desempeñan un papel importante en la enfermedad. Esos factores pueden
incluir influencias ambientales, como la exposición a infecciones o la dieta, así
como otros efectos, como las mutaciones somáticas, las consecuencias del
envejecimiento o los cambios epigenéticos en la expresión génica en un
gemelo en comparación con el otro.
Los gemelos MC y los DC del mismo sexo comparten un ambiente
intrauterino común y el sexo, y suelen criarse en el mismo hogar con los
mismos progenitores. Por tanto, la comparación de la concordancia para una
enfermedad entre gemelos MC y DC de un mismo sexo muestra con qué
frecuencia se presenta la enfermedad en parientes que tienen el mismo
entorno prenatal y a menudo el mismo entorno posnatal y que poseen los
mismos alelos en todos los locus (gemelos MC) en comparación con los que
sólo comparten el 50% de los alelos (gemelos DC). Una concordancia mayor en
gemelos MC que en DC aporta una evidencia sólida de que existe un componente
genético en la enfermedad, como se observa en la tabla 8-4 para diversos
trastornos.
Tabla 8-4
Tasas de concordancia en gemelos monocigóticos y dicigóticos para
diversas enfermedades multifactoriales
DrBurgos
333
Datos de Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE: Emery and Rimoin’s principles and practice of medical
genetics, 3.ª ed., Edimburgo, 1997, Churchill Livingstone; King RA, Rotter JI, Motulsky AG: The genetic
basis of common diseases, Oxford, Inglaterra, 1992, Oxford University Press; y Tsuang MT: Recent
advances in genetic research on schizophrenia. J Biomed Sci 5:28-30.
DC, dicigótico; MC, monocigótico.
*
Redondeado al porcentaje más cercano.
Estimación de la heredabilidad a partir de estudios de gemelos
Los estudios de gemelos, que pueden utilizarse para evaluar por separado el
papel de los genes y del ambiente en los rasgos cualitativos de las
enfermedades, también sirven para estimar la heredabilidad de los rasgos
cuantitativos utilizando la correlación entre los valores de un parámetro
fisiológico en gemelos MC y DC. Suponiendo que los alelos que afectan al
rasgo tengan un efecto aditivo (lo que es demasiado simplista y
probablemente incorrecto en muchos o todos los casos), los gemelos MC (que
comparten el 100% de sus alelos) tienen el doble de alelos compartidos en
comparación con los gemelos DC, que comparten el 50% de sus alelos en
promedio. Por tanto, el valor H2, explicado anteriormente en este capítulo,
puede estimarse multiplicando por dos la diferencia del coeficiente de
correlación r para un rasgo cuantitativo entre gemelos MC (rMC) y r entre
gemelos DC del mismo sexo (rDC) (lo que se puede calcular con la fórmula de
Falconer):
Cuando la variabilidad de un rasgo está determinada sobre todo por el
ambiente, la correlación en las parejas de gemelos DC será similar a la
verificada en las parejas de gemelos MC; la diferencia en el valor de r será
escasa entre gemelos MC y DC. Por tanto, rMC − rDC = ≈0, y H2 se aproximará a
0. Sin embargo, en el otro extremo, cuando la variabilidad está determinada
exclusivamente por la dotación genética, el coeficiente de correlación r entre
pares de gemelos MC se aproximará a 1, mientras que r entre gemelos DC
DrBurgos
334
será la mitad de ese valor. En tal caso, rMC − rDC = ≈½ y, por tanto H2 será
aproximadamente 2 × (½) = 1.
Gemelos criados por separado
Aunque es un hecho infrecuente, en ocasiones unos gemelos monocigóticos
son separados al nacer por razones sociales y se ubican en hogares diferentes,
lo que proporciona la oportunidad de observar a individuos con genotipos
idénticos al 100% o al 50% criados en ambientes diferentes. Esos estudios se
han utilizado fundamentalmente en la investigación de los trastornos
psiquiátricos, las drogodependencias y los trastornos de la alimentación, en
los que se piensa que las influencias ambientales en la familia desempeñan un
papel marcado en el desarrollo de la enfermedad. Por ejemplo, en un estudio
sobre la obesidad, el índice de masa corporal (IMC; peso/altura2 expresado
en kg/m2) se midió en gemelos MC y DC criados en el mismo hogar en
comparación con otros criados por separado (tabla 8-5). Aunque el IMC
promedio entre gemelos MC o DC era similar, con independencia de si se
habían criado juntos o por separado, la correlación por parejas para el IMC
entre un par de gemelos era mucho mayor para los gemelos MC que para los
DC. También es interesante observar que la mayor correlación entre gemelos
MC frente a DC era independiente de si los gemelos se criaban juntos o por
separado, lo que sugiere que el genotipo tenía un impacto muy significativo
sobre el peso en adultos y, por consiguiente, sobre el riesgo de padecer
obesidad y sus complicaciones.
Tabla 8-5
Correlación del IMC por pares entre gemelos MC y DC criados juntos y
separados
Datos de Stunkard A J, Harris JR, Pedersen NL, McClearn GE: The body-mass index of twins who have
been reared apart. N Engl J Med 322:1483-1487, 1990.
DC, dicigótico; IMC, índice de masa corporal; MC, mocigótico.
*
Media ± 1 DE.
Limitaciones de las estimaciones de agregación
DrBurgos
335
familiar y heredabilidad a partir de los estudios de
familias y gemelos
Fuentes potenciales de sesgo
A la hora de medir e interpretar λh surgen varias dificultades. Una de ellas se
debe a que los estudios de agregación familiar están sujetos a varias formas
de sesgo. El sesgo de detección se produce cuando las familias con más de un
hermano afectado son más propensas a llamar la atención de un investigador,
lo que aumenta el riesgo de recurrencia en hermanos λh. El sesgo de detección
también es un problema en los estudios con gemelos. Muchos estudios se
basan en pedir a un gemelo que tiene una enfermedad particular que reclute
al otro gemelo para participar en un estudio (detección voluntaria), en lugar
de partir de su inclusión por ser gemelos a partir de un registro gemelar y
sólo después determinar su estado de salud (detección poblacional). La
detección voluntaria puede llevar a resultados sesgados porque los gemelos,
y sobre todo los MC, que suelen tener estrechos lazos emocionales, aceptan
participar con más probabilidad si son concordantes para la enfermedad, lo
que incrementa artificialmente la tasa de concordancia.
De forma similar, debido a que los estudios de casos y controles de la
historia familiar suelen basarse, por motivos prácticos, en la realización de la
historia a partir del probando en lugar de explorar a todos los familiares
directamente, puede producirse un sesgo de recuerdo, en el que un probando
puede tener más probabilidades que los controles de saber si había familiares
con una enfermedad igual o similar. Estos sesgos incrementarían el nivel de
agregación familiar.
Otras dificultades surgen a la hora de medir e interpretar la heredabilidad.
El mismo rasgo puede dar lugar a diferentes valores de heredabilidad en
distintas poblaciones debido a las diferentes frecuencias alélicas o a diversas
condiciones ambientales. Por ejemplo, las mediciones de heredabilidad de la
altura serían más bajas cuando se determinan en una población que sufrió
una epidemia de hambre que impidiese el crecimiento en la infancia, en
comparación con la misma población después de que dispusiese de alimentos
en abundancia. Por tanto, la heredabilidad de un rasgo, no debe considerarse
como un parámetro intrínseco y universalmente aplicable del «peso genético»
que tiene el rasgo, porque depende de la población y del ambiente en el que
se realiza la estimación. Aunque las estimaciones de heredabilidad todavía se
hacen en la investigación genética, la mayoría de los genetistas consideran
que son sólo estimaciones en bruto del papel causal de la variación genética
en la variación fenotípica
Posibles diferencias genéticas o epigenéticas
A pesar de las posibilidades evidentes que brindan los estudios de gemelos,
no hay que pensar que este tipo de estudios son experimentos perfectamente
controlados donde se comparan individuos que comparten la mitad o la
DrBurgos
336
totalidad de su variación genética y que están expuestos al mismo o a
diferentes ambientes. En los estudios de gemelos MC, se asume que los
gemelos son genéticamente idénticos. Aunque esto es cierto en su mayor
parte, los patrones de expresión genotípica y génica pueden diferir entre
gemelos MC debido a cambios genéticos o epigenéticos que se producen
después de la escisión que dio lugar a los embriones gemelos MC. Los
gemelos monocigóticos pueden diferir de varias formas en sus genotipos o
patrones de expresión génica. El genotipo puede diferir debido a
reordenamientos somáticos y/o a mutaciones somáticas raras que se
producen después de la escisión (v. cap. 3). Los cambios epigenéticos pueden
producirse en respuesta a factores ambientales o estocásticos, lo que da lugar
a diferencias en la expresión génica entre los gemelos MC. (Las gemelas MC
tienen una fuente adicional de variabilidad, debido a la naturaleza estocástica
de los patrones de inactivación del cromosoma X en diversos tejidos, como se
describe en el capítulo 6.)
Otras limitaciones
Otro problema puede surgir cuando se asume que la exposición ambiental de
los gemelos MC y DC ha sido constante cuando se han criado juntos, pero no
cuando los gemelos se crían por separado. Las exposiciones ambientales,
incluso el ambiente intrauterino, pueden variar para los gemelos criados en la
misma familia. Por ejemplo, los gemelos MC con frecuencia comparten la
placenta, y puede haber una disparidad entre ellos en cuanto al aporte de
sangre, el desarrollo intrauterino y el peso al nacer. Para las enfermedades de
inicio tardío, como son las enfermedades neurodegenerativas de la edad
adulta, el supuesto de que los gemelos MC y DC han estado expuestos a
ambientes semejantes a lo largo de su vida adulta es cada vez menos válido,
por lo que una diferencia en la concordancia proporciona una prueba menos
sólida de la existencia de factores genéticos en la causalidad de la
enfermedad. Por el contrario, se asume que al determinar la concordancia de
la enfermedad en gemelos MC que se han criado por separado se está
midiendo el efecto de distintos ambientes sobre el mismo fenotipo. Sin
embargo, el ambiente de los gemelos que se han criado por separado puede
no ser tan distinto en realidad de lo que podría suponerse. Por tanto, ningún
estudio con gemelos es una evaluación perfectamente controlada de la influencia
genética frente a la ambiental.
Por último, hay que tener cuidado cuando se generaliza a partir de los
estudios de gemelos. El caso más extremo se produciría cuando el fenotipo
que se está estudiando no siempre es genético, es decir, que pueden existir
fenocopias no genéticas. Si el genotipo por sí solo causa la enfermedad en la
mitad de los pares de gemelos (concordancia entre gemelos MC del 100%) en
la muestra del estudio y una fenocopia no genética afecta sólo a uno de los
gemelos de la otra mitad de pares de gemelos en la muestra (0% de
concordancia en gemelos MC), los estudios en gemelos mostrarán un nivel
intermedio de concordancia del 50% que en realidad no se corresponde con
DrBurgos
337
ninguna de las formas de la enfermedad.
DrBurgos
338
Ejemplos de enfermedades multifactoriales
frecuentes con contribución genética
En esta sección y la siguiente, volveremos a plantear ejemplos de varias
enfermedades frecuentes que ilustran los conceptos generales de los
trastornos multifactoriales y su herencia compleja, como se resume a
continuación (v. cuadro).
Malformaciones congénitas multifactoriales
Muchas malformaciones congénitas, que aparecen como defectos aislados y
no formando parte de un síndrome, son multifactoriales y presentan una
herencia compleja (tabla 8-6). Entre ellas, las cardiopatías congénitas son
unas de las más frecuentes y sirven para ilustrar el estado actual de los
conocimientos sobre otras categorías de malformaciones congénitas.
Tabla 8-6
Algunas malformaciones congénitas comunes con herencia
multifactorial
Malformación
Incidencia aproximada en la población (por 1.000)
Labio leporino con o sin paladar hendido 0,4-1,7
Paladar hendido
0,4
Luxación congénita de cadera
2*
Cardiopatías congénitas
4-8
Defecto del septo ventricular
1.7
Persistencia del conducto arterioso
0.5
Defecto del septo auricular
1,0
Estenosis aórtica
0,5
Defectos del tubo neural
2-10
Espina bífida y anencefalia
Variable
Estenosis pilórica
1†, 5*
Datos de Carter CO: Genetics of common single malformations. Br Med Bull 32:21-26, 1976; Nora JJ:
Multifactorial inheritance hypothesis for the etiology of congenital heart diseases: the genetic environmental
interaction. Circulation 38:604-617, 1968; y Lin AE, Garver KL: Genetic counseling for congenital heart
defects. J Pediatr 113:1105-1109, 1988.
*
Por 1.000 hombres.
†
Por 1.000 mujeres.
Las cardiopatías congénitas presentan una frecuencia de 4-8 casos por cada
1.000 nacimientos. Forman un grupo heterogéneo, causadas en ocasiones por
mecanismos monogénicos o cromosómicos y en otras por exposición a
teratógenos, como la infección por rubéola o la diabetes materna. En general,
no se conoce la causa y se piensa que la mayoría de los casos tiene un origen
Ca
r a cte r ística s de la he r e ncia de la s e nf e r m e da de s
multifactorial.
com ple ja s
• La variación genética contribuye a las enfermedades de herencia compleja,
DrBurgos
339
pero éstas no son trastornos monogénicos y no evidencian una pauta de
herencia mendeliana simple.
• Las enfermedades de herencia compleja presentan a menudo agregación
familiar porque los parientes de un individuo afectado tienen más
probabilidad de tener los alelos que predisponen a la enfermedad en
común con la persona afectada que con individuos no emparentados.
• Las enfermedades con herencia compleja son más frecuentes en los
parientes cercanos del probando y menos frecuentes en los parientes más
lejanos, que comparten con él menos alelos de predisposición. En los
gemelos monocigóticos, es de esperar una concordancia mayor que entre
los gemelos dicigóticos.
• Sin embargo, las parejas de parientes que comparten genotipos que
predisponen a la enfermedad en loci relevantes pueden ser discordantes
para el fenotipo (evidencian falta de penetrancia), debido al papel crucial
de los factores no genéticos en la causalidad de la enfermedad. Los
ejemplos más extremos de falta de penetrancia, a pesar de poseer genotipos
idénticos, son los gemelos monocigóticos discordantes.
Existen muchos tipos de cardiopatías congénitas, con diferentes incidencias
poblacionales y riesgos empíricos. Sin embargo, se sabe que cuando los
defectos cardíacos son recurrentes en una familia, los niños afectados no
tienen necesariamente el mismo defecto anatómico, aunque las lesiones
recurrentes suelen poseer un mecanismo embrionario similar (v. cap. 14). Si
utilizamos estos mecanismos como base para una clasificación, se pueden
distinguir cinco grupos principales de cardiopatías congénitas:
• Lesiones que afectan al flujo.
• Defectos de migración celular.
• Defectos de muerte celular.
• Anomalías de la matriz extracelular.
• Defectos del crecimiento dirigido.
El subtipo de las cardiopatías congénitas denominadas lesiones que afectan al
flujo ilustra la agregación familiar y el riesgo elevado de recurrencia en
familiares de un individuo afectado, dos características de un rasgo complejo
(tabla 8-7). Este subtipo constituye alrededor del 50% de las cardiopatías
congénitas e incluye el síndrome del corazón izquierdo hipoplásico, la
coartación de la aorta, la comunicación interauricular del tipo secundum, la
estenosis de la válvula pulmonar, un tipo común de comunicación
interventricular y otras formas (fig. 8-5). Hasta el 25% de todos los pacientes
con lesiones que afectan al flujo, sobre todo los que presentan tetralogía de
Fallot, pueden tener una deleción en la región cromosómica 22q11,
encontrada en el síndrome velocardiofacial (v. cap. 6).
Tabla 8-7
Incidencia poblacional y riesgo de recurrencia de varias lesiones que
afectan al flujo
DrBurgos
340
FIGURA 8-5 Diagrama de varias lesiones que afectan al flujo observadas en las
cardiopatías congénitas. La sangre del lado izquierdo de la circulación se muestra
en rojo; la del lado derecho, en azul. La mezcla anormal de sangre oxigenada y
desoxigenada aparece en morado. AD, aurícula derecha; AI, aurícula izquierda;
AO, aorta; AP, arteria pulmonar; VD, ventrículo derecho.
Algunas cardiopatías congénitas aisladas se heredan como rasgos
multifactoriales. Hasta que no sepamos más, las cifras de la tabla 8-7 pueden
utilizarse como estimaciones de los riesgos de recurrencia de lesiones que
afectan al flujo en parientes de primer grado. Sin embargo, se produce un
rápido descenso del riesgo (hasta niveles no mucho mayores que los de la
población general) en los parientes de segundo y tercer grado de los pacientes
índice con lesiones que afectan al flujo. De forma análoga, podemos asegurar
a los parientes de pacientes con cardiopatías congénitas diferentes a los
defectos que afectan al flujo que su riesgo no es superior al de la población
general. Para mayor tranquilidad, hay muchas cardiopatías congénitas que
DrBurgos
341
pueden detectarse antes del nacimiento por medio de la ecografía (v. cap. 17).
Trastornos neuropsiquiátricos
Las enfermedades mentales son unas de las afecciones humanas más
comunes y complejas, y afectan al 4% de la población en todo el mundo. Su
coste anual en atención médica y servicios sociales sobrepasa los 150 mil
millones de dólares sólo en EE.UU. Entre las enfermedades mentales más
graves están la esquizofrenia y el trastorno bipolar (enfermedad
maniacodepresiva).
La esquizofrenia afecta al 1% de la población mundial. Es una enfermedad
mental devastadora, que suele presentarse al final de la adolescencia o al
principio de la edad adulta y que se caracteriza por anomalías del
pensamiento, de las emociones y de las relaciones sociales, y que a menudo se
asocia con alucinaciones y alteraciones del estado de ánimo. Tanto los
estudios de gemelos como los de agregación familiar apoyan la contribución
genética a la esquizofrenia. Se estima que la concordancia en MC para esa
enfermedad es del 40-60%; la concordancia en DC es del 10-16%. La tasa de
riesgo de recurrencia es elevada en los parientes de primer y segundo grado
de los pacientes esquizofrénicos (tabla 8-8).
Tabla 8-8
Razones del riesgo de recurrencia y del riesgo relativo en familiares de
esquizofrénicos
Parentesco con el individuo afectado de esquizofrenia Riesgo de recurrencia (%) λr
Hijo de dos progenitores esquizofrénicos
46
23
Hijo
9-16
11,5
Hermano
8-14
11
Sobrino/a
1-4
2,5
Tío/a
2
2
Primo hermano
2-6
4
Nieto
2-8
5
A pesar de que existe una evidencia considerable a favor de la contribución
genética a la esquizofrenia, sólo se ha identificado un subgrupo de los genes y
alelos que predisponen a la enfermedad hasta el momento. Una excepción
destacada es el pequeño porcentaje (<2%) de los casos de esquizofrenia que se
observan en individuos con deleciones intersticiales de cromosomas
particulares, como la deleción de 22q11, responsable del síndrome
velocardiofacial. Se calcula que el 25% de los pacientes con la deleción 22q11
desarrollan esquizofrenia, incluso en ausencia de muchos o de la mayoría de
los demás signos físicos de ese síndrome. Se desconoce el mecanismo por el
cual una deleción de 3 Mb del DNA en 22q11 (v. fig. 6-5) causa la enfermedad
mental en los pacientes con ese síndrome. Se han utilizado las micromatrices
cromosómicas para analizar el genoma completo en busca de otras deleciones
y duplicaciones, muchas de las cuales son demasiado pequeñas para poder
detectarse mediante métodos citogenéticos estándar, como se comentó en el
DrBurgos
342
capítulo 5. Estos estudios han puesto de manifiesto la existencia de muchas
deleciones y duplicaciones (variantes del número de copias [CNV] en el
genoma tanto en individuos normales como en individuos con diversos
trastornos psiquiátricos y del neurodesarrollo (v. cap. 6). En particular, las
deleciones intersticiales pequeñas (1-1,5 Mb) en 1q21.1, 15q11.2 y 15q13.3 se
han implicado de forma repetida en un reducido porcentaje de pacientes con
esquizofrenia. Sin embargo, en la inmensa mayoría de pacientes con
esquizofrenia, las lesiones genéticas se desconocen, por lo que el
asesoramiento genético se basa en cifras de riesgo empíricas (v. tabla 8-8).
El trastorno bipolar es sobre todo una enfermedad del estado de ánimo, en
la que se alternan episodios caracterizados por un estado de ánimo elevado,
grandiosidad, comportamiento peligroso de alto riesgo y autoestima
exacerbada (manía) con períodos de depresión, disminución del interés en
actividades normalmente agradables, sentimientos de inutilidad y
pensamiento suicida. La prevalencia del trastorno bipolar es del 0,8%,
aproximadamente la misma que la de la esquizofrenia, con una edad de inicio
similar. La gravedad de esta afección se pone en evidencia por la alta tasa de
suicidio (10-15%) en los pacientes afectados.
Los estudios de gemelos y de agregación familiar apoyan fuertemente la
contribución genética al trastorno bipolar. La concordancia en gemelos MC es
del 40-60%, y en gemelos DC, del 4-8%. El riesgo de la enfermedad también es
elevado en los parientes de los individuos afectados (tabla 8-9). Un aspecto
llamativo del trastorno bipolar en las familias es que la enfermedad tiene una
expresividad variable: algunos miembros de una misma familia muestran el
trastorno bipolar clásico, otros tienen sólo depresión (trastorno unipolar) y a
otros se les diagnostica un síndrome psiquiátrico que afecta tanto al
pensamiento como al estado de ánimo (trastorno esquizoafectivo). Se sabe
incluso menos sobre los genes y los alelos que predisponen al trastorno
bipolar que a la esquizofrenia; en particular, aunque se ha identificado un
incremento de las deleciones o duplicaciones de novo en la psicosis bipolar, no
se han identificado CNV recurrentes que afecten a regiones particulares del
genoma. Por tanto, el asesoramiento genético se basa en las cifras empíricas
de riesgo (v. tabla 8-9).
Tabla 8-9
Razones del riesgo de recurrencia y del riesgo relativo en familiares de
personas con trastorno bipolar
Parentesco con el individuo afectado de trastorno bipolar Riesgo de recurrencia (%)* λr
Hijo de dos progenitores con trastorno bipolar
50-70
75
Hijo
27
34
Hermano
20-30
31
Pariente de segundo grado
5
6
*
Recurrencia de trastorno bipolar, unipolar o esquizoafectivo.
DrBurgos
343
Enfermedad de las arterias coronarias
La enfermedad de las arterias coronarias (EAC) provoca la muerte de
alrededor de 500.000 personas al año en Estados Unidos y es una de las
causas más frecuentes de morbilidad y mortalidad en el mundo desarrollado.
La EAC debida a la aterosclerosis es la principal causa de los casi 1.500.000
casos de infarto de miocardio (IM) y de las más de 200.000 muertes por IM
que ocurren anualmente. En conjunto, la EAC cuesta más de 143 mil millones
de dólares al año en atención sanitaria en EE.UU., sin incluir la pérdida de
productividad. Por razones que se desconocen, los varones presentan un
riesgo superior de EAC tanto en la población general como en las familias
afectadas.
Los estudios de familias han demostrado en repetidas ocasiones el papel de
la herencia en la EAC, sobre todo cuando ocurre en individuos relativamente
jóvenes. El patrón de aumento del riesgo sugiere que cuando el probando es
una mujer o una persona joven, es probable que exista una mayor
contribución genética al IM en la familia, lo que aumenta el riesgo de
enfermedad en los parientes del probando. Por ejemplo, el riesgo de
recurrencia (tabla 8-10) en parientes masculinos de primer grado de un
probando de sexo femenino es siete veces mayor que el de la población
general, comparado con un aumento del riesgo de 2,5 veces en las mujeres
parientes de un caso índice masculino. Cuando el probando es joven (<55
años) y mujer, el riesgo de EAC es más de 11 veces mayor que el de la
población general. Tener varios parientes afectados a una edad joven también
aumenta el riesgo sustancialmente. Los estudios en gemelos también apoyan
el papel de las variantes genéticas en la EAC (tabla 8-11).
Tabla 8-10
Riesgo de enfermedad de las arterias coronarias en familiares de un
probando
Datos de Silberberg JS: Risk associated with various definitions of family history of coronary heart disease.
Am J Epidemiol 147:1133-1139, 1998.
EAC, enfermedad de las arterias coronarias.
*
Respecto al riesgo de la población general.
Tabla 8-11
Tasas de concordancia en gemelos y riesgos relativos para el infarto de
DrBurgos
344
miocardio cuando el probando tuvo un infarto de miocardio mortal a
una edad temprana*
Datos de Marenberg ME: Genetic susceptibility to death from coronary heart disease in a study of twins. N
Engl J Med 330:1041-1046, 1994.
DC, dicigótico; MC, monocigótico.
*
Un infarto de miocardio a una edad temprana es el que se produce en menores de 55 años en hombres y
en menores de 65 años en mujeres.
†
Respecto al riesgo en la población general.
Se conocen algunos trastornos mendelianos que dan lugar a EAC. La
hipercolesterolemia familiar (Caso 16), un defecto autosómico dominante
del receptor de lipoproteína de baja densidad (LDL) comentado en el capítulo
12, es uno de los más frecuentes, pero sólo es responsable de alrededor del 5%
de los supervivientes de IM. La mayoría de los casos de EAC muestran una
herencia multifactorial, con factores de predisposición genéticos y no
genéticos. Hay muchas etapas distintas en la evolución de las lesiones
ateroscleróticas en las arterias coronarias. Lo que empieza como una pequeña
estría lipídica en la íntima de la arteria evoluciona a una placa fibrosa que
contiene músculo liso, lípidos y tejido fibroso. Esas placas de la íntima se
vascularizan y pueden sangrar, ulcerarse y calcificarse, causando, entonces,
un importante estrechamiento vascular, al tiempo que se crea un terreno
propicio para la trombosis, lo que causa una oclusión repentina y completa, y
el IM. Debido a las numerosas etapas en la evolución de las lesiones
ateroscleróticas en la arteria coronaria, no resulta sorprendente que muchas
diferencias genéticas que afectan a los diversos procesos patológicos
implicados pudieran predisponer o proteger de la EAC (fig. 8-6; v. también el
cuadro). Otros factores de riesgo para la EAC incluyen varios trastornos
multifactoriales con componente genético, como la hipertensión, la obesidad
y la diabetes mellitus. Las alteraciones metabólicas y fisiológicas que esos
trastornos implican también contribuyen a aumentar el riesgo de EAC. Por
último, la dieta, la actividad física, la inflamación sistémica y el tabaquismo
son factores ambientales que también influyen en gran medida en el riesgo de
EAC. Debido a la multiplicidad de procesos diferentes, alteraciones
metabólicas y factores ambientales que contribuyen al desarrollo de la EAC,
es fácil imaginar que la susceptibilidad genética a la EAC sea una condición
multifactorial compleja (v. cuadro).
DrBurgos
345
FIGURA 8-6 Secciones de una arteria coronaria donde se muestran los
pasos que dan lugar a la enfermedad de la misma.
Los factores genéticos y ambientales que intervienen en cualquiera o en todos los
pasos de esta vía pueden contribuir al desarrollo de esta enfermedad común y
compleja. Véase Créditos de figuras.
Ge ne s y pr oductos gé nicos im plica dos e n la pr ogr e sión
de l pr oce so de la e nf e r m e da d a r te r ia l cor ona r ia
Se ha sugerido y, en algunos casos, implicado a un gran número de genes y
de productos génicos en el desarrollo de una o más etapas de la enfermedad
arterial coronaria. Entre ellos se incluyen genes implicados en:
• El trasporte y metabolismo de lípidos séricos –colesterol, apolipoproteína E,
apolipoproteína C-III, el receptor de LDL y la lipoproteína (a)–, así como el
valor del colesterol total. La elevación del colesterol-LDL y la disminución
del colesterol-HDL (lipoproteína de alta densidad) incrementan el riesgo de
enfermedad arterial coronaria y son en sí mismas rasgos con herencia
cuantitativa, con una heredabilidad alta, del 40-60% y el 45-75%,
respectivamente.
• La vasoactividad, como la enzima convertidora de la angiotensina.
• La coagulación sanguínea, la adhesión plaquetaria y la fibrinólisis, como el
inhibidor de la activación del plasminógeno 1 y las glucoproteínas de la
superficie plaquetaria Ib y IIIa.
• Las vías inmunitarias e inflamatorias.
• Los componentes de la pared arterial.
A menudo, la EAC es un hallazgo casual en la historia familiar de pacientes
con otras enfermedades genéticas. En vista de su elevado riesgo de
recurrencia, los médicos y los consejeros genéticos deben sopesar si los
parientes de primer grado de los pacientes con EAC han de ser evaluados con
más detenimiento y recibir asesoramiento genético y tratamiento, incluso
cuando la EAC no sea el principal problema genético por el cual el paciente o
su familiar han acudido a la consulta. Esa evaluación está claramente
indicada cuando el probando es joven, sobre todo si es una mujer.
DrBurgos
346
Ejemplos de rasgos multifactoriales con
factores genéticos y ambientales
específicos conocidos
Hasta aquí, hemos descrito algunos de los métodos epidemiológicos basados
en estudios de familias y de gemelos que se utilizan para evaluar el grado en
el que puede haber una contribución genética a un rasgo complejo. Sin
embargo, es importante saber que los estudios de agregación familiar, la
concordancia de la enfermedad o la heredabilidad no especifican cuántos loci
hay, qué loci y alelos están implicados o cómo un determinado genotipo y un
conjunto de influencias ambientales interactúan para ocasionar una
enfermedad o para determinar el valor de un parámetro fisiológico en
concreto. En la mayoría de los casos, todo lo que podemos demostrar es que
existe una contribución génica y estimar su magnitud. No obstante, hay
varias enfermedades multifactoriales con una herencia compleja en las que
hemos empezado a identificar los factores genéticos y, en algunos casos,
ambientales responsables del incremento de la susceptibilidad a la
enfermedad. En la siguiente sección de este capítulo se proporcionan varios
ejemplos que ilustran niveles crecientes de complejidad.
Genes modificadores en los trastornos
mendelianos
Como se comenta en el capítulo 7, la variación alélica en un único locus
puede explicar la variación del fenotipo en muchos trastornos monogénicos.
Sin embargo, incluso en los trastornos mendelianos bien caracterizados en los
que se sabe que su causa consiste en defectos monogénicos, la variación en
otro loci génico puede influir en algún aspecto del fenotipo, lo que mostraría
características de herencia compleja.
En la fibrosis quística (CF, de cystic fibrosis) (Caso 12), por ejemplo, la
presencia o ausencia en un paciente de una insuficiencia pancreática que
requiera sustitución enzimática puede explicarse en gran medida en función
de los alelos que estén mutados en el gen CFTR (v. cap. 12). Sin embargo, la
correlación es imperfecta para otros fenotipos. Por ejemplo, la variación del
grado de enfermedad pulmonar observada en pacientes con CF permanece
inexplicada incluso después de la corrección para la heterogeneidad alélica.
Se ha propuesto que los genotipos situados en otros loci genéticos podrían
actuar como modificadores genéticos, es decir, genes cuyos alelos ejercen un
efecto sobre la gravedad de la enfermedad pulmonar observada en pacientes
con fibrosis quística. Por ejemplo, la reducción del volumen espiratorio
forzado en el primer segundo (FEV1), calculado como porcentaje del valor
esperado para los pacientes con CF (un porcentaje de FEV1 específico de la
DrBurgos
347
CF), es un rasgo cuantitativo que suele utilizarse para la determinación del
deterioro de la función pulmonar en pacientes con CF. La comparación del
porcentaje de FEV1 específico de la CF en gemelos MC y DC afectados
proporciona una estimación de la heredabilidad de la gravedad de la
enfermedad pulmonar en pacientes con CF de alrededor del 50%. Este valor
es independiente del alelo o alelos de CFTR específicos (porque ambos tipos
de gemelos tendrán las mismas mutaciones de CFTR).
Se conocen dos loci específicos que albergan los alelos responsables de la
modificación de la gravedad de la enfermedad pulmonar en la CF: MBL2, un
gen que codifica la proteína sérica denominada lectina fijadora de manosa, y
el locus TGFB1, que codifica la citocina factor de crecimiento transformante β
(TGFβ). La lectina fijadora de manosa es una proteína plasmática del sistema
inmunitario innato que se une a muchos organismos patógenos y ayuda a
destruirlos por medio de la fagocitosis y activación del complemento. En las
poblaciones europeas, existen varios alelos frecuentes en el locus MBL2 que
ocasionan una reducción plasmática de la lectina. Un nivel menor de lectina
fijadora de manosa se asocia a un peor pronóstico, lo que puede deberse a
que los niveles más bajos de lectina causan dificultades para controlar los
patógenos respiratorios, en particular Pseudomonas. Los alelos del locus
TGFB1 que ocasionan una producción más elevada de TGFβ también se
asocian a un peor pronóstico, quizá porque el TGFβ promueve la formación
de cicatrices y fibrosis en el pulmón después de la inflamación. Por
consiguiente, tanto MBL2 como TGFB1 son genes modificadores, cuyas
variantes (aunque no causen CF) pueden modificar el fenotipo clínico
asociado con los alelos causantes de la enfermedad en el locus CFTR.
Herencia digénica
El siguiente nivel de complejidad es un trastorno determinado por el efecto
aditivo de los genotipos en dos o más loci). Un ejemplo claro de este fenotipo
de enfermedad se ha encontrado en algunas familias de pacientes con una
forma de degeneración retiniana denominada retinitis pigmentosa (RP) (fig.
8-7). Los individuos afectados de esas familias son heterocigotos para alelos
mutantes en dos loci diferentes (heterocigotos dobles). Un locus codifica la
proteína periferina de la membrana fotorreceptora y el otro codifica una
proteína relacionada de la membrana fotorreceptora, denominada Rom1. Los
heterocigotos sólo para una u otra de estas mutaciones en las familias no
desarrollan la enfermedad. Por tanto, la RP en esta familia está causada por la
forma más sencilla de herencia multigénica, la debida al efecto de alelos
mutantes en dos loci sin que ningún factor ambiental conocido influya sobre
la presencia de la enfermedad o su gravedad. Es probable que las proteínas
codificadas por estos dos genes tengan una función fisiológica solapada,
porque ambas se localizan en las pilas de discos membranosos encontradas
en los fotorreceptores de la retina. El efecto aditivo de la presencia de una
anomalía en ambas proteínas con una función solapada es lo que produce la
DrBurgos
348
enfermedad
FIGURA 8-7
Árbol genealógico de una familia con retinitis pigmentosa
debida a una herencia digénica.
Los símbolos en color azul oscuro son los individuos afectados. Debajo de cada
símbolo se escribe el genotipo de cada individuo para el locus de la periferina
(primera línea) y el locus ROM1 (segunda línea). El alelo normal es 1 y el alelo
mutante es mut. Los símbolos en color azul claro son individuos no afectados, a
pesar de ser portadores de una mutación en uno u otro de los genes. Véase
Créditos de figuras.
Un modelo multigénico también se ha observado en algunas familias con
síndrome de Bardet-Biedl, una malformación congénita rara que se
caracteriza por obesidad, grados variables de discapacidad intelectual,
degeneración retiniana, polidactilia y malformaciones genitourinarias. Se han
encontrado catorce genes diferentes cuyas mutaciones causan el síndrome.
Aunque la herencia es claramente autosómica recesiva en la mayoría de las
familias, algunas parecen presentar una herencia digénica, en la que la
enfermedad se produce sólo cuando un individuo es homocigótico para
mutaciones en uno de estos 14 loci y es heterocigoto para una mutación en
otro de los loci.
Interacciones genes-ambiente en la trombosis
venosa
Otro ejemplo de interacción entre dos genes que predisponen a una
enfermedad se observa en el grupo de trastornos denominados estados de
hipercoagulabilidad, en los que se forman coágulos arteriales o venosos de
forma inapropiada y causan complicaciones de trombofilia que ponen en
riesgo la vida (Caso 46). Sin embargo, en el caso de la hipercoagulabilidad
entra en juego un tercer factor, una influencia ambiental que aumenta todavía
más el riesgo de enfermedad en presencia de los factores genéticos
predisponentes.
Uno de esos trastornos es la trombosis venosa cerebral idiopática, en la
que se forman coágulos en el sistema venoso del cerebro. Eso ocasiona una
DrBurgos
349
oclusión catastrófica de las venas cerebrales, sin que concurran factores
desencadenantes como una infección o un tumor. Afecta a adultos jóvenes y,
pese a ser bastante rara (<1/100.000 en la población), conlleva una elevada
mortalidad (5-30%). Se sabe que tres factores relativamente comunes (dos
genéticos y uno ambiental) que causan un funcionamiento anormal del
sistema de coagulación también aumentan por separado el riesgo de
trombosis venosa cerebral (fig. 8-8):
• Una variante frecuente de cambio de sentido en el factor de coagulación V.
• Una variante en la región no traducida (UTR) 3’ del gen del factor de
coagulación protrombina.
• El uso de anticonceptivos orales.
FIGURA 8-8
La cascada de la coagulación relevante para las variantes del
factor V Leiden y la protrombina.
Cuando el factor X es activado, tanto por la vía intrínseca como por la extrínseca,
el factor V induce la producción, a partir de la protrombina, de trombina, una
proteína coagulante que a su vez escinde el fibrinógeno para originar la fibrina
necesaria para la formación del coágulo. Los anticonceptivos orales (ACO)
aumentan los valores de protrombina, factor X y otros factores de la coagulación
en la sangre. El estado de hipercoagulabilidad puede explicarse por la interacción
sinérgica de factores genéticos y ambientales que aumentan los valores del factor
V, la protrombina, el factor X y otros para inducir la coagulación. Las formas
activadas de las proteínas de la coagulación se indican con la letra a. Las flechas
continuas representan las vías; las discontinuas representan los estimuladores.
Un alelo polimórfico del factor V (el factor V Leiden, FVL) que tiene una
sustitución de la arginina por la glutamina en la posición 506 (Arg506Gln),
presenta una frecuencia alélica de alrededor del 2,5% en la población de raza
blanca, pero es raro en otros grupos poblacionales. Esa alteración afecta a un
DrBurgos
350
sitio de escisión utilizado para degradar el factor V, lo que aumenta la
estabilidad de la proteína y alarga la duración de su efecto procoagulante. Los
portadores heterocigotos de FVL constituyen aproximadamente el 5% de la
población de raza blanca y tienen un riesgo de trombosis venosa cerebral que,
si bien todavía se considera bajo, es siete veces superior al de la población
general, mientras que en los homocigotos ese riesgo es 80 veces superior.
El segundo factor de riesgo genético es la mutación del gen de la
protrombina que cambia una G por una A en la posición 20210 en la región
UTR 3’ del gen (protrombina g.20210G > A). Alrededor del 2,4% de los
individuos de raza blanca son heterocigotos para esa mutación, que es rara en
otros grupos étnicos. Ese cambio parece aumentar el nivel del mRNA de la
protrombina, lo que ocasiona una elevación de la traducción y de los niveles
de la proteína. Los heterocigotos para el alelo 20210G > A de la protrombina
incrementan entre tres y seis veces el riesgo de trombosis venosa cerebral.
Por último, el uso de anticonceptivos orales que contengan estrógenos
sintéticos aumenta el riesgo de trombosis entre 14 y 22 veces, con
independencia del genotipo existente en el factor V y en los loci de la
protrombina, probablemente al incrementar los niveles de muchos factores de
coagulación en la sangre. Utilizar anticonceptivos orales siendo heterocigoto
para el FVL ocasiona sólo un modesto aumento del riesgo comparado con el
de cada factor por separado, pero cuando una persona heterocigota para la
protrombina 20210G > A toma esos anticonceptivos, su riesgo relativo de
trombosis venosa cerebral se incrementa entre 30 y 150 veces.
Existe un gran interés también por el papel desempeñado por alelos FVL y
protrombina 20210G > A en la trombosis venosa profunda (TVP) de las
extremidades inferiores, una enfermedad que ocurre en aproximadamente 1
de cada 1.000 individuos al año, lo que es bastante más frecuente que la
trombosis venosa cerebral idiopática. La mortalidad por TVP (debida sobre
todo a embolia pulmonar) puede ser de hasta el 10%, en función de la edad y
de la presencia de otras patologías clínicas. Se sabe que muchos factores
ambientales aumentan el riesgo de TVP, como los traumatismos, la cirugía
(sobre todo la ortopédica), las enfermedades malignas, los periodos
prolongados de inmovilización, los anticonceptivos orales y la edad
avanzada.
El alelo FVL multiplica por 7 el riesgo relativo de un primer episodio de
TVP en heterocigotos; las heterocigotas que utilizan anticonceptivos orales
ven su riesgo multiplicado por 30 en comparación con el grupo control. Los
heterocigotos para el alelo de la protrombina 20210G > A también tienen un
riesgo relativo 2-3 veces mayor de TVP. En especial, los dobles heterocigotos
para los alelos FVL y protrombina 20210G > A tienen un riesgo relativo 20
veces mayor, lo que se observa en un pequeño porcentaje de la población.
Por tanto, cada uno de estos tres factores (dos genéticos y uno ambiental)
por sí mismos aumentan el riesgo de un estado de hipercoagulabilidad
anormal; si se tienen dos o los tres factores simultáneamente, el riesgo
aumenta aún más, hasta el punto de que en el futuro puede que esté indicado
DrBurgos
351
llevar a cabo programas para la detección selectiva de la trombofilia en
poblaciones seleccionadas de pacientes.
Elementos codificantes y no codificantes
múltiples en la enfermedad de Hirschsprung
En la patogenia de una anomalía del desarrollo del sistema nervioso entérico
del intestino denominada enfermedad de Hirschsprung (HSCR), se han
descrito una serie de factores genéticos que interactúan de una forma más
compleja (Caso 22). En la HSCR, se produce una ausencia completa de
algunas o todas las células ganglionares intrínsecas de los plexos mientérico y
submucoso del colon. Un colon aganglionar no tiene peristaltismo, lo que
conlleva un estreñimiento grave, síntomas de obstrucción intestinal y una
dilatación general del colon (megacolon) proximal al segmento aganglionar.
El trastorno afecta a uno de cada 5.000 recién nacidos con antepasados
europeos, pero es el doble de frecuente en lactantes asiáticos. La HSCR
aparece como una malformación congénita aislada en el 70% de los casos,
como parte de un síndrome cromosómico en el 12% de las ocasiones y como
un elemento de una constelación amplia de anomalías congénitas en el resto
de los casos. En los pacientes en quienes la HSCR es una malformación
congénita aislada, el 80% tiene sólo un único segmento aganglionar corto
(short) del colon a nivel del recto (HSCR-S), mientras que el 20% tiene
aganglionosis de un segmento largo del recto, todo el colon o, en ocasiones,
todo el colon y también el íleon (HSCR-L).
La HSCR-L familiar suele caracterizarse por patrones de herencia que
sugieren un tipo dominante o recesivo, pero siempre con una penetrancia
reducida. La HSCR-L se debe en la mayoría de los casos a mutaciones de
cambio de sentido o sin sentido con pérdida de la función del gen RET, que
codifica la proteína RET, un receptor tirosina cinasa. Una pequeña minoría de
familias tiene mutaciones en genes que codifican ligandos que se unen a RET,
pero con una penetrancia incluso menor que las familias con mutaciones en
RET.
La HSCR-S es el tipo más frecuente de HSCR y presenta muchas de las
características de un trastorno con una genética compleja. La razón de riesgo
relativo para los hermanos, λh, es muy elevada (alrededor de 200), pero los
gemelos MC no presentan una concordancia perfecta y las familias no
muestran ningún patrón de herencia mendeliana evidente del trastorno.
Cuando se analizó todo el genoma de pares de hermanos concordantes para
la HSCR-S para comprobar qué loci y qué grupos de alelos en dichos loci
tenía cada hermano en común con un hermano o hermana afectada, se
observó que los alelos en tres loci (incluido RET) se compartían de forma
significativa, lo que sugiere la existencia de interacciones entre genes y/o una
herencia multigénica; de hecho, se observó que la mayoría de los pares de
hermanos concordantes compartían alelos en los tres loci. Aunque los loci
distintos a RET aún están por identificar, en la figura 8-9 se muestra el rango
DrBurgos
352
de interacciones necesarias para justificar la mayor parte de la penetrancia de
la HSCR incluso en esta pequeña cohorte de pacientes.
FIGURA 8-9 Representación de los alelos compartidos entre pares de hermanos
concordantes para la enfermedad de Hirschsprung, dividida según el número de
loci en los que los hermanos comparten alelos. Los tres loci se sitúan en 10q11.2
(locus RET), 3p21 y 19q12. Véase Créditos de figuras.
En la actualidad, se han descrito mutaciones en la HSCR en más de 12 loci,
siendo las mutaciones de RET las más frecuentes con gran diferencia. Los
datos actuales sugieren que el gen RET está implicado en casi todos los
pacientes con HSCR y, en particular, han señalado a dos variantes
reguladoras no codificantes que interactúan entre sí cerca del gen RET, una
en un potente potenciador intestinal con un sitio de unión para el importante
factor de transcripción SOX10 y la otra en un sitio no codificante aún más
alejado, a unas 125 kb hacia arriba del sitio de inicio de la transcripción de
RET. Por tanto, la HSCR-S es una enfermedad multifactorial que se produce
por mutaciones en el locus RET o cerca de él y que alteran el proceso de
desarrollo del sistema nervioso entérico (que normalmente está sometido a
un control estrecho), combinadas con mutaciones en varios loci adicionales,
tanto conocidos como todavía sin identificar. Los métodos genómicos
actuales como los que se describen en el capítulo 10 sugieren la posible
existencia de muchas docenas de genes adicionales implicadas.
La identificación de variantes frecuentes con poca penetrancia de
elementos no codificantes ilustra que las variantes génicas responsables de la
modificación de la expresión de un rasgo multifactorial pueden ejercer sus
efectos sobre la expresión génica de un modo sutil y, por consiguiente, sobre
la penetrancia de la enfermedad y su expresividad. También resulta
aleccionador comprobar que los mecanismos genéticos subyacentes en esta
malformación congénita relativamente bien definida hayan resultado ser tan
sorprendentemente complejos; sin embargo, es probable que sean mucho más
sencillos que los mecanismos implicados en las enfermedades complejas más
frecuentes como la diabetes.
DrBurgos
353
Diabetes mellitus tipo 1
Una enfermedad compleja frecuente en la que se está dilucidando parte de la
arquitectura genética subyacente es la diabetes mellitus. Existen dos formas
principales de diabetes mellitus: el tipo 1 (DT1) (también denominada
insulinodependiente, DMID) (Caso 26) y el tipo 2 (DT2) (también
denominada no insulinodependiente, DMNID) (Caso 35), que suponen
alrededor del 10% y del 88% de los casos, respectivamente. Se observa
agregación familiar en ambos tipos, pero en una misma familia suele estar
presente únicamente el tipo 1 o el 2. Se diferencian por la edad típica de
inicio, por la concordancia en gemelos MC y por la asociación con variantes
genéticas particulares en loci específicos. En este apartado nos centraremos en
la DT1 para ilustrar las características principales de la herencia compleja en
la diabetes
La DT1 tiene una incidencia en la población de raza blanca de alrededor de
1/500 (0,2%), y es menor en poblaciones africanas y asiáticas. Suele
manifestarse en la infancia o la adolescencia. Se produce por una destrucción
autoinmunitaria de las células β del páncreas, que normalmente producen
insulina. Una gran mayoría de los niños que tendrán DT1 desarrollan en la
infancia múltiples autoanticuerpos contra varias proteínas endógenas además
de la insulina, mucho tiempo antes de presentar la enfermedad.
Existe una evidencia sólida de la implicación de factores genéticos en la
DT1: la concordancia en los gemelos MC es de alrededor del 40%, muy
superior a la de los gemelos DC, del 5%. El riesgo de esa enfermedad a lo
largo de la vida en los hermanos de un probando afectado es de alrededor del
7%, lo que resulta en una estimación de λh de ≈35. Sin embargo, cuanto más
precoz es la edad de inicio de la DT1 en el probando, mayor es el valor de λh.
Complejo principal de histocompatibilidad
El factor genético principal en la DT1 es el locus del complejo principal de
histocompatibilidad (MHC, major histocompatibility complex), que abarca
alrededor de 3 Mb en el cromosoma 6 y que es el locus más polimórfico del
genoma humano, con más de 200 genes (muchos de ellos implicados en
funciones inmunitarias) y con muchos más de 2.000 alelos conocidos en
poblaciones de todo el mundo (fig. 8-10). Basándose en diferencias
estructurales y funcionales, hay dos subclases principales, los genes de la
clase I y de la clase II, que corresponden a los genes del antígeno leucocítico
humano (HLA), descubiertos inicialmente por su importancia en el trasplante
tisular entre individuos no emparentados. Los genes HLA de clase I (HLA-A,
HLA-B, HLA-C) y de clase II (HLA-DR, HLA-DQ, HLA-DP) codifican
proteínas de superficie que desempeñan un papel crucial en la presentación
de antígenos a los linfocitos, que no pueden reconocer y responder a un
antígeno a menos que se encuentre formando un complejo con una molécula
HLA en la superficie de una célula presentadora de antígeno. En el MHC, los
genes HLA de clase I y de clase II son los loci más polimórficos con gran
DrBurgos
354
diferencia (v. fig. 8-10).
DrBurgos
355
DrBurgos
356
FIGURA 8-10
Panorama genómico del complejo principal de
histocompatibilidad (MHC).
Se muestra el MHC clásico en el brazo corto del cromosoma 6, incluyendo la
región de clase I (amarillo) y la región de clase II (azul), ambas con una cantidad
abundante de genes del antígeno leucocítico humano (HLA). Se muestra la
variación a nivel de secuencia para los polimorfismos de un único nucleótido
(SNP) observados con una frecuencia de al menos el 1%. Se observan unos
niveles llamativamente altos de polimorfismos en las regiones que contienen los
genes del HLA clásico, donde la variación presenta abundantes exones
codificantes implicados en la determinación del lugar de unión al antígeno. Otros
genes (rosa) de la región HLA muestran unos niveles menores de polimorfismo.
dbSNP, frecuencia del alelo menor en la base de datos Single Nucleotide
Polymorphism. Véase Créditos de figuras.
Los primeros estudios que mostraron una asociación entre la DT1 y los
alelos designados HLA-DR3 y HLA-DR4 se basaron en un método serológico
utilizado en esa época para diferenciar los distintos alelos HLA, que consistía
en las reacciones inmunológicas que ocurrían en un tubo de ensayo. Ese
método ha quedado superado por la determinación directa de la secuencia
del DNA correspondiente a los distintos alelos. La secuenciación del MHC en
un gran número de individuos ha revelado que los «alelos» determinados
serológicamente asociados con la DT1 no son alelos únicos en absoluto (v.
cuadro). Tanto DR3 como DR4 pueden subdividirse en una docena o más de
alelos situados en un locus que hoy se denomina HLA-DRB1.
Ale los y ha plotipos de l a ntíge no le ucocítico hum a no
El sistema del antígeno leucocítico humano (HLA) puede resultar confuso al
principio, porque la nomenclatura usada para definir y describir los
diferentes alelos HLA ha sufrido un cambio radical a medida que se ha
generalizado la secuenciación del DNA del complejo principal de
histocompatibilidad (MHC). En el sistema tradicional de nomenclatura del
HLA, los diferentes alelos se distinguían entre sí serológicamente. Sin
embargo, a medida que se fueron identificando y secuenciando los genes
responsables de la codificación de los genes de las cadenas de las clases I y II
del MHC (v. fig. 8-10), se demostró que los alelos HLA que se definían
inicialmente como únicos desde el punto de vista serológico consistían, en
realidad, en múltiples alelos determinados por diferentes variantes de
secuencias de DNA, incluso en el mismo alelo serológico. Las 100 especies
serológicas de los loci HLA-A, B, C, DR, DQ y DP abarcan en la actualidad
más de 1.300 alelos, definidos por la secuencia de DNA. Por ejemplo, en lo
que antes se definía como un único alelo B27 mediante las pruebas
serológicas, ahora se define como HLA-B*2701, HLA-B*2702, etc. mediante
genotipificación basada en el DNA.
El grupo de alelos HLA en los diferentes loci clase I y II de un determinado
cromosoma forman en conjunto un haplotipo. En un grupo étnico cualquiera,
algunos alelos y haplotipos HLA se observan con frecuencia, mientras que
DrBurgos
357
otros son raros o nunca se observan. Las diferencias en cuanto a la
distribución y frecuencia de los alelos y haplotipos en el MHC se deben a
factores complejos genéticos, ambientales e históricos que intervienen en cada
una de las distintas poblaciones. Los elevados niveles de polimorfismo en los
loci HLA y sus haplotipos resultantes han sido extraordinariamente útiles
para identificar las asociaciones entre variantes particulares y enfermedades
específicas (v. cap. 10), muchas de las cuales (como sería de prever) son
enfermedades autoinmunitarias, que se asocian con una respuesta
inmunitaria anormal dirigida aparentemente contra uno o más autoantígenos
derivados del polimorfismo de los genes de la respuesta inmunitaria.
Además, ahora está claro que la asociación entre determinados alelos de
DRB1 y la DT1 se debe en parte a los alelos de otros loci de clase II, DQA1 y
DQB1, situados a una distancia de unos 80 kb del DRB1 y que forman una
combinación particular de alelos entre sí (es decir, un haplotipo) que se
hereda como una unidad (debido a un desequilibrio de ligamiento; v. cap.
10). DQB1 y DQA1 codifican las cadenas α y β de la proteína DQ de clase II.
Algunas combinaciones de alelos en estos tres loci forman un haplotipo que
aumenta el riesgo de DT1 más de 11 veces por encima del de la población
general, mientras que otras combinaciones reducen el riesgo 50 veces. El alelo
DQB1*0303 contenido en este haplotipo protector codifica el aminoácido
ácido aspártico en la posición 57 del producto DQB1, mientras que otros
aminoácidos en dicha posición (alanina, valina o serina) confieren
susceptibilidad. De hecho, alrededor del 90% de los pacientes con DT1 son
homocigotos para alelos DQB1 que no codifican un ácido aspártico en la
posición 57. Es probable que las diferencias en cuanto a la unión al antígeno,
determinadas por el aminoácido presente en la posición 57, contribuyan
directamente a la respuesta autoinmunitaria que destruye las células
productoras de insulina del páncreas. Sin embargo, otros loci y alelos del
MHC también son importantes, como puede comprobarse por el hecho de
que algunos pacientes con DT1 presentan un ácido aspártico en esta posición.
Otros genes distintos a los loci clase II del complejo principal de
histocompatibilidad en la diabetes tipo 1
El haplotipo MHC, por sí solo, es responsable únicamente de una parte de la
contribución genética al riesgo de DT1 en los hermanos de un probando. Los
estudios de familias con DT1 (tabla 8-12) sugieren que, incluso cuando los
hermanos comparten los mismos haplotipos clase II del MHC, el riesgo de
padecer la enfermedad es sólo de alrededor del 17%, muy por debajo de la
tasa de concordancia en gemelos MC, que es cercana al 40%. Por tanto, debe
haber otros genes, en algún otro sitio del genoma, que predisponen a
desarrollar DT1, si aceptamos que los gemelos MC y los hermanos tienen
exposiciones ambientales similares. De hecho, los estudios genéticos de
asociación (que se describirán en el cap. 10) indican que la variación en casi 50
loci diferentes en el genoma puede aumentar la susceptibilidad a la DT1,
aunque la mayoría tienen efectos muy pequeños sobre el aumento de la
DrBurgos
358
susceptibilidad.
Tabla 8-12
Riesgo empírico para el asesoramiento genético en la diabetes de tipo 1
Parentesco con el individuo afectado
Riesgo de desarrollo de diabetes tipo 1 (%)
Ninguno
0,2
Gemelos MC
40
Hermanos
7
Hermanos sin haplotipos DR en común
1
Hermanos con 1 haplotipo DR en común 5
Hermanos con 2 haplotipos DR en común 17*
Hijos
Hijos de madre afectada
Hijos de padre afectado
4
3
5
MC, monocigótico.
*
20-25% para haplotipos específicos compartidos.
No obstante, se debe subrayar que los factores genéticos por sí solos no
causan la DT1, puesto que la concordancia en gemelos MC es de sólo el 40%
aproximadamente, y no del 100%. Hasta que se obtenga un cuadro más
completo de los factores genéticos y no genéticos causantes de la DT1, la
determinación del riesgo utilizada en el asesoramiento genético usando el
haplotipo HLA debe seguir siendo empírica (v. tabla 8-12).
Enfermedad de Alzheimer
La enfermedad de Alzheimer (EA) (Caso 4) es una afección
neurodegenerativa mortal que afecta al 1-2% de la población de Estados
Unidos. Es la causa más común de demencia en las personas mayores y es la
responsable de más de la mitad de todos los casos de demencia. Al igual que
en otras demencias, los pacientes experimentan una pérdida crónica y
progresiva de la memoria y de otras funciones intelectuales, que se asocia a la
muerte de ciertos tipos de neuronas corticales. Los factores de riesgo más
significativos para la EA son la edad, el sexo y la historia familiar. Una vez
alcanzados los 65 años, el riesgo de demencia, y de EA en particular, se
incrementa de forma sustancial con la edad y el sexo femenino (tabla 8-13).
Tabla 8-13
Riesgo acumulativo según la edad y el sexo para la enfermedad de
Alzheimer y demencia
DrBurgos
359
Datos de Seshadri S, Wolf PA, Beiser A, y cols.: Lifetime risk of dementia and Alzheimer’s disease. The
impact of mortality on risk estimates in the Framingham Study. Neurology 49:1498-1504, 1997.
EA, enfermedad de Alzheimer.
El diagnóstico definitivo de la enfermedad de Alzheimer sólo puede
efectuarse post mortem, basándose en el hallazgo neuropatológico de las
características agregaciones de proteínas (placas β-amiloides y ovillos
neurofibrilares; v. cap. 12). El principal componente de esas placas es un
pequeño péptido (de entre 39 y 42 aminoácidos), el Aβ, derivado de la
escisión de una proteína neuronal normal, la precursora de la proteína
amiloide. La estructura secundaria del péptido Aβ confiere a las placas las
características de tinción de las proteínas amiloides.
Existen tres formas raras autosómicas dominantes de la enfermedad (v.
cap. 12), en las que la edad de inicio se sitúa entre la tercera y la quinta
década, y una forma común de la EA con inicio después de los 60 años (inicio
tardío). Esta forma no tiene un patrón claro de herencia mendeliana, pero
presenta agregación familiar y una elevada razón de riesgo relativo (λh = ≈4),
típica de los trastornos con herencia compleja. Los estudios de gemelos han
producido resultados heterogéneos, pero sugieren una concordancia en
gemelos MC de alrededor del 50% y en gemelos DC de alrededor del 18%.
El alelo ɛ4 de la apolipoproteína E
El principal locus con alelos que presentan una asociación significativa con la
EA de inicio tardío es el locus APOE, que codifica la apolipoproteína E, una
proteína componente de la partícula de LDL que está implicada en la
eliminación de LDL al interactuar con receptores de alta afinidad en el
hígado. La apolipoproteína E también es un componente de las placas de
amiloide de la EA y se sabe que se une al péptido Aβ. El gen APOE posee tres
alelos, ɛ2, ɛ3 y ɛ4, resultantes del cambio de cisteína a arginina en dos
residuos de la proteína (v. cap. 12).
Cuando se compararon los genotipos en el locus APOE de pacientes con
EA y de controles, se encontró que el genotipo con al menos un alelo ɛ4 era
entre dos y tres veces más frecuente en los pacientes que en los controles,
tanto en la población general de EE.UU. como de Japón (tabla 8-14), mientras
que mostró una asociación mucho menor en la población hispana y
afroamericana. Resulta todavía más llamativo que el riesgo para la EA parece
incrementarse cuando los dos alelos APOE son ɛ4, a través de un efecto sobre
la edad de inicio de la enfermedad; ésta es más baja en los pacientes con dos
DrBurgos
360
alelos ɛ4 que en los que sólo tienen uno. En un estudio de pacientes con EA y
controles no afectados, los pacientes homocigotos para ɛ4/ɛ4 tuvieron la edad
de inicio de la enfermedad más temprana, seguidos de los heterocigotos ɛ4/
ɛ3, y por último, de los demás genotipos, con una edad de inicio
significativamente menos temprana (fig. 8-11).
Tabla 8-14
Asociación del alelo apolipoproteína E ɛ4 con la enfermedad de
Alzheimer*
*
Frecuencia de los genotipos con y sin el alelo ɛ4 en los pacientes con enfermedad de Alzheimer (EA) y en
los controles de Estados Unidos y Japón.
FIGURA 8-11 Probabilidad de desarrollar la enfermedad de Alzheimer en
función de la edad para distintos genotipos APOE para cada sexo. En un extremo
está el homocigoto ɛ4/ɛ4, que tiene ≈40% de probabilidad de permanecer libre de
la enfermedad a la edad de 85 años, mientras que un homocigoto ɛ3/ɛ3 tiene ≈7090% de probabilidad de no padecer la enfermedad a la edad de 85 años,
dependiendo del sexo. También se muestra el riesgo de la población general para
comparar. Véase Créditos de figuras.
En la población general, el riesgo de desarrollar EA a los 80 años está cerca
del 10%. El alelo ɛ4 es un claro factor de predisposición que incrementa el
riesgo de desarrollarla EA, al modificar la edad de inicio a la baja, de modo
que los heterocigotos ɛ3/ɛ4 tienen un riesgo del 40% de desarrollar la
enfermedad, y los homocigotos ɛ4/ɛ4 tienen un riesgo del 60% a los 85 años. A
pesar de este riesgo aumentado, otros factores genéticos y ambientales deben
desempeñar un papel importante, puesto que una proporción significativa de
DrBurgos
361
individuos ɛ3/ɛ4 y ɛ4/ɛ4 viven hasta una edad muy avanzada sin evidencia de
EA. También se han publicado casos de asociación entre la presencia del alelo
ɛ4 y enfermedad neurodegenerativa tras sufrir un traumatismo
craneoencefálico (como se observa en boxeadores y jugadores de fútbol
americano profesionales, así como en soldados que han sufrido lesiones por
onda expansiva), lo que indica que al menos un factor ambiental (el
traumatismo craneal) puede interactuar con el alelo ɛ4 en la patogenia de la
EA.
La variante ɛ4 de APOE representa un ejemplo primario de un alelo de
predisposición: predispone de forma importante a un rasgo complejo, pero
no predestina a ningún individuo portador del alelo a desarrollar la
enfermedad. Otros genes y factores ambientales están claramente implicados;
aunque varios de ellos parecen tener un efecto significativo, la mayoría sigue
sin identificar. Por lo general, el análisis para determinar la presencia del
alelo APOE ɛ4 en personas asintomáticas sigue siendo desaconsejable, ya que
no todos los portadores de ese alelo, tanto homocigotos como heterocigotos,
desarrollarán la EA, ni existe en la actualidad ninguna intervención que afecte
a la probabilidad de desarrollarla o no (v. cap. 18).
DrBurgos
362
El desafío de las enfermedades
multifactoriales con herencia compleja
El mayor desafío de futuro al que se enfrentan la genética médica y la
medicina genómica consiste en desvelar las complejas interacciones entre las
variantes en múltiples loci y los factores ambientales relevantes que pueden
explicar la susceptibilidad a las enfermedades multifactoriales frecuentes.
Esta área de investigación es el elemento central de la epidemiología
genética poblacional (descrita con más detalle en el cap. 10). Ese campo se
está desarrollando con rapidez, y está claro que la base genética de muchas
de las enfermedades más complejas de los seres humanos se dilucidará en los
próximos años. Con el tiempo, estos conocimientos permitirán desarrollar
nuevas medidas preventivas y terapéuticas para los trastornos frecuentes que
provocan una morbilidad y mortalidad tan significativas en la población
DrBurgos
363
Bibliografía general
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Scott W, Ritchie M. Genetic analysis of complex disease. ed 3 Hoboken, NJ: John Wiley and Sons; 2014.
DrBurgos
364
Bibliografía específica
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Trowsdale J, Knight JC. Major histocompatibility complex genomics and human disease. Annu Rev
Genomics Hum Genet. 2013;14:301–323.
P r oble m a s
1. Una determinada malformación presenta un riesgo de recurrencia en
hermanos e hijos de las personas afectadas del 10%; en sobrinos, del 5%, y
en primos hermanos, del 2,5%.
a. ¿Es más probable que sea un rasgo autosómico dominante de
penetrancia reducida o un rasgo multifactorial? Explíquelo.
b. ¿Qué otro dato podría apoyar su conclusión?
2. A menudo, una diferencia grande entre los sexos en la afectación de una
enfermedad indica herencia ligada al X. ¿Cómo determinaría usted que la
estenosis pilórica tiene una herencia multifactorial y no ligada al X?
3. Un grupo de niños y niñas afectados por una malformación congénita
tienen todos padres normales. ¿Cómo determinaría que esa malformación
tiene una probabilidad mayor de ser multifactorial que autosómica
recesiva?
DrBurgos
365
CAPÍTULO 9
DrBurgos
366
Variación genética en las poblaciones
En los capítulos anteriores, hemos analizado la naturaleza de las variaciones
y mutaciones genéticas y genómicas, así como la herencia de diferentes alelos
en las familias. En ellos, se han comentado las disparidades de las frecuencias
de alelos diferentes en distintas poblaciones, que se evalúan mediante el
estudio de los diversos polimorfismos de un único nucleótido (SNP), indels, o
variantes del número de copias (CNV) en los genomas de muchos miles de
individuos estudiados en todo el mundo (v. cap. 4) o se infieren evaluando a
los individuos con fenotipos y trastornos genéticos específicos en poblaciones
de todo el mundo (v. caps. 7 y 8). En este capítulo, se analizará con mayor
detalle la genética de poblaciones y los principios que influyen en la
frecuencia de los genotipos y fenotipos en esas poblaciones.
La genética de poblaciones es el estudio cuantitativo de la distribución de
las variaciones genéticas en las poblaciones y de la manera en que las
frecuencias de los genes y los genotipos se mantienen o cambian con el
tiempo en el seno de una población y entre poblaciones distintas. La genética
de las poblaciones se ocupa de los factores genéticos, como las mutaciones y
la reproducción, y de los factores ambientales y sociales, como la selección y
la migración, que determinan conjuntamente la frecuencia y la distribución
de los alelos y los genotipos en las familias y las comunidades. La descripción
matemática del comportamiento de los alelos en las poblaciones es un
elemento importante de muchas especialidades, como la antropología, la
biología de la evolución y la genética humana. En la actualidad, los genetistas
utilizan los principios y métodos de la genética de poblaciones para estudiar
muchas cuestiones no resueltas de la historia y la estructura génica de las
poblaciones humanas, el flujo de alelos entre diferentes poblaciones y
generaciones y, lo que es importante, los mejores métodos para identificar la
susceptibilidad genética de enfermedades comunes, como se comentó en el
capítulo 8. En la práctica de la genética médica, la genética poblacional
proporciona los conocimientos sobre varios genes causantes de enfermedades
que son frecuentes en distintas poblaciones. Esa información es necesaria
para el diagnóstico clínico y el asesoramiento genético, e incluye la
determinación de las frecuencias alélicas necesarias para el cálculo preciso del
riesgo.
En este capítulo, describiremos el equilibrio de Hardy-Weinberg, que es el
concepto central de la genética de poblaciones. Examinaremos sus premisas y
los factores que pueden causar una desviación real o aparente del equilibrio
en poblaciones reales frente a las ideales. Por último, se abordará el modo a
través del cual las diferencias en la frecuencia de variantes alélicas o de genes
que ocasionan enfermedades surgen entre los miembros de diferentes grupos
más o menos aislados genéticamente.
DrBurgos
367
Genotipos y fenotipos en las poblaciones
Frecuencias alélicas y genotípicas en las
poblaciones
Para ilustrar la relación entre las frecuencias alélicas y genotípicas en las
poblaciones, podemos utilizar un ejemplo importante correspondiente a un
rasgo autosómico común, determinado por un solo par de alelos. Tomemos el
gen CCR5, que codifica un receptor de citocina de la membrana celular, que
sirve como punto de entrada para ciertas cepas del virus de la
inmunodeficiencia humana (VIH), que causa el síndrome de
inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Una deleción de 32 pb en ese gen da
lugar a un alelo (∆CCR5) que codifica una proteína no funcional debido al
cambio de marco de lectura y a su terminación prematura. Los individuos
homocigotos para el alelo ∆CCR5 no expresan el receptor en la superficie de
sus células inmunitarias y, como consecuencia, son resistentes a la infección
por el VIH. La pérdida de función de CCR5 parece ser un rasgo benigno, y su
única consecuencia fenotípica conocida es la resistencia a las infecciones por
el VIH. El análisis de una muestra de 788 individuos de Europa ilustra la
distribución de los individuos que eran homocigotos para el alelo CCR5
normal, homocigotos para el alelo ∆CCR5 o heterocigotos (tabla 9-1).
Tabla 9-1
Frecuencias genotípicas del alelo CCR5 normal y del alelo ∆CCR5
delecionado
Datos de Martinson JJ, Chapman NH, Rees DC, y cols.: Global distribution of the CCR5 gene 32-basepair
deletion. Nat Genet 16:100-103, 1997.
Basándonos en las frecuencias genotípicas observadas, podemos
determinar de forma directa las frecuencias alélicas simplemente contando
los alelos. En ese contexto, cuando nos referimos a la frecuencia poblacional
de un alelo, estamos considerando un conjunto de genes hipotético, que sería
el conjunto de todos los alelos en un determinado locus de toda la población.
Para los loci autosómicos, el tamaño del conjunto de genes de un locus es el
doble del número de individuos de la población, porque cada genotipo
autosómico consiste en dos alelos, es decir, un individuo ∆CCR5/∆CCR5 tiene
dos alelos ∆CCR5, mientras que un individuo CCR5/∆CCR5 tiene uno de
DrBurgos
368
cada. Así, en este ejemplo la frecuencia observada del alelo CCR5 es:
De manera análoga, puede calcularse la frecuencia del alelo ∆CCR5, que es
0,094, sumando el número de alelos ∆CCR5 que están presentes [(2 × 7) + (1 ×
134)] = 148 de un total de 1.576 alelos en esta muestra, lo que ofrece una
frecuencia alélica de ∆CCR5 de 148/1.576 = 0,094. Una alternativa más sencilla
es restar la frecuencia del alelo normal CCR5, 0,906, de 1, porque la frecuencia
de los dos alelos ha de ser 1, de modo que la frecuencia alélica de ∆CCR5 es
de 0,094.
Ley de Hardy-Weinberg
Como acabamos de ver con el ejemplo del CCR5, podemos utilizar una
muestra de individuos, con genotipos conocidos, de una población para
inferir la estimación de las frecuencias alélicas simplemente contando los
alelos en los individuos con cada genotipo. ¿Es posible la estimación inversa?
¿Podemos calcular la proporción de la población con distintos genotipos una
vez que conocemos las frecuencias alélicas? Inferir las frecuencias genotípicas
a partir de las alélicas no es tan sencillo como contar, porque en realidad no
conocemos de antemano cómo se distribuyen los alelos entre los homocigotos
y los heterocigotos. Sin embargo, si una población cumple determinados
postulados (v. después), existe una ecuación matemática sencilla para el
cálculo de las frecuencias genotípicas a partir de las frecuencias alélicas. Esta
ecuación se denomina ley de Hardy-Weinberg. Esa ley, que constituye la
piedra angular de la genética de poblaciones, debe su nombre a Godfrey
Hardy, un matemático inglés, y a Wilhelm Weinberg, un médico alemán, que
la formularon de manera independiente en 1908.
La ley de Hardy-Weinberg tiene dos componentes fundamentales. El
primero es que, en determinadas condiciones ideales (v. cuadro), existe una
relación simple entre las frecuencias alélicas y las genotípicas en una
población. Supongamos que p es la frecuencia del alelo A y q es la del alelo a
en el conjunto genético. Ahora asumamos que los alelos se combinan al azar
para formar genotipos, es decir, que los emparejamientos en la población
ocurren completamente al azar con respecto a los genotipos en ese locus. La
probabilidad de que dos alelos A se emparejen para producir el genotipo AA
será p2. La probabilidad de que dos alelos a se unan para dar lugar al genotipo
aa es q2. Y la probabilidad de tener un alelo A y un a en un par, para dar el
genotipo Aa, es 2pq (el factor 2 proviene de que el alelo A puede heredarse de
la madre y el a del padre, o viceversa). La ley de Hardy-Weinberg postula que la
frecuencia de los tres genotipos, AA, Aa y aa, viene dada por los términos de la
fórmula binomial (p + q)2 = p2 + 2pq + q2. Esta ley se aplica a todos los loci
DrBurgos
369
autosómicos y al cromosoma X en las mujeres, pero no a los loci ligados al X
en los varones, que sólo tienen un cromosoma X.
Le y de Ha r dy-We inbe r g
La ley de Hardy-Weinberg se basa en estos supuestos:
• La población estudiada es grande y los emparejamientos se efectúan al azar
con respecto al locus en cuestión.
• Las frecuencias alélicas permanecen constantes a lo largo del tiempo, por lo
siguiente:
• La tasa de mutación de novo es inapreciable.
• Los individuos con cualquier genotipo tienen la misma capacidad de
emparejarse y transmitir sus genes, es decir, no existe una selección
contra un genotipo determinado.
• No ha existido una inmigración significativa de individuos provenientes
de una población con frecuencias alélicas muy distintas de la población
endógena.
Una población que parece cumplir razonablemente estas suposiciones se
considera que está en equilibrio de Hardy-Weinberg.
La ley puede adaptarse para genes con más de dos alelos. Por ejemplo, si
un locus tiene tres alelos, con frecuencias p, q y r, la distribución genotípica
puede determinarse a partir de la fórmula (p + q + r)2. En general, las
frecuencias genotípicas para cualquier número conocido de alelos an con las
frecuencias alélicas p1, p2, … pn pueden obtenerse a partir de los términos de la
fórmula (p1 + p2 + … pn)2.
Un segundo componente de la ley de Hardy-Weinberg es que si las
frecuencias alélicas no cambian de generación en generación, la proporción
de los genotipos tampoco cambiará, es decir, las frecuencias de los genotipos
permanecerán constantes, en equilibrio, de generación en generación, si las
frecuencias alélicas p y q permanecen constantes. Más concretamente, cuando los
emparejamientos se dan al azar en una población que está en equilibrio y
donde los genotipos AA, Aa y aa están presentes en las proporciones p2 :
2pq:q2, entonces las frecuencias genotípicas en la generación siguiente
mantendrán las mismas proporciones relativas de p2 : 2pq:q2. La demostración
de este equilibrio aparece en la tabla 9-2. Es importante resaltar que el
equilibrio de Hardy-Weinberg no especifica ningún valor determinado para p
y q. Cualquiera que sea la frecuencia alélica en una población, las frecuencias
genotípicas serán p2 : 2pq : q2, y esas frecuencias genotípicas relativas
permanecerán constantes de generación en generación, siempre y cuando las
frecuencias alélicas también se mantengan constantes y se cumplan las otras
condiciones indicadas en el cuadro.
Tabla 9-2
Frecuencias de los tipos de emparejamiento y descendencia para una
DrBurgos
370
población en equilibrio de Hardy-Weinberg con los genotipos
parentales en la proporción p2 : 2pq : q2
Suma de descendencia AA = p4 + p3q + p3q + p2q2 = p2(p2 + 2pq + q2) = p2(p + q)2 = p2. (Recuerde que p + q
= 1.)
Suma de descendencia Aa = p3q + p3q + p2q2 + p2q2 + 2p2q2 + pq3 + pq3 = 2pq(p2 + 2pq + q2) = 2pq(p + q)2
= 2pq.
Suma de descendencia aa = p2q2 +pq3 + pq3 + q4 = q2(p2 + 2pq + q2) = q2(p + q)2 = q2.
Aplicando la fórmula de Hardy-Weinberg al ejemplo del gen CCR5 que
hemos visto anteriormente, con una frecuencia relativa de los dos alelos en la
población de 0,906 (para el alelo natural CCR5) y de 0,094 (para ∆CCR5), la
ley de Hardy-Weinberg postula que las proporciones relativas de las tres
combinaciones de alelos (genotipos) son: p2 = 0,906 × 0,906 = 0,821 (para un
individuo que tenga dos alelos de tipo natural CCR5), q2 = 0,094 × 0,094 = 0,009
(por dos alelos ∆CCR5), y 2pq= (0,906 × 0,094) + (0,094 × 0,906) = 0,170 (por un
alelo CCR5 y un ∆CCR5). Cuando esas frecuencias genotípicas, calculadas con
la ley de HardyWeinberg, se aplican a una población de 788 individuos, el
número de personas que es previsible encontrar con los tres diferentes
genotipos (647:134:7) es, de hecho, idéntico al realmente observado en la tabla
9-1. Mientras se cumplan las premisas de la ley de Hardy-Weinberg en la
población, es de esperar que esas frecuencias genotípicas (0,821:0,170:0,009) se
mantengan constantes generación tras generación en esa población.
La ley de Hardy-Weinberg en enfermedades
autosómicas recesivas
La aplicación práctica más importante de la ley de HardyWeinberg en
genética médica es el asesoramiento genético en casos de trastornos
autosómicos recesivos. En una enfermedad del tipo de la fenilcetonuria
(PKU), hay cientos de distintos alelos mutantes con frecuencias que varían
entre distintos grupos de la población definidos por la geografía y/o la
etnicidad (v. cap. 12). Los individuos afectados pueden ser homocigotos para
el mismo alelo mutante pero, con más frecuencia, son heterocigotos
compuestos para diferentes alelos mutantes (v. cap. 7). Sin embargo, para
DrBurgos
371
muchas enfermedades, conviene tener en cuenta todos los alelos causantes de
la enfermedad en conjunto y tratarlos como si fueran un único alelo mutante
de frecuencia q, incluso cuando la heterogeneidad alélica se correlaciona con
la enfermedad. De forma similar, la frecuencia combinada de todos los alelos
de tipo natural o normal, p, se calcula como 1 − q.
Supongamos que quisiéramos conocer la frecuencia de todos los alelos
PKU causantes de la enfermedad en una población para usarlos con vistas a
ofrecer asesoramiento genético (por ejemplo, para informar a las parejas de su
riesgo de tener un hijo con PKU). Si tuviéramos que intentar determinar la
frecuencia de los alelos PKU causantes de la enfermedad directamente a
partir de las frecuencias genotípicas, como lo hicimos en el ejemplo anterior
del alelo ∆CCR5, necesitaríamos conocer la frecuencia de heterocigotos en la
población, frecuencia que no puede medirse directamente porque la PKU es
recesiva; los heterocigotos son portadores silentes asintomáticos (v. cap. 7), y
su frecuencia en la población (es decir, 2pq) no se puede determinar de forma
fiable directamente a partir del fenotipo.
Sin embargo, la frecuencia de homocigotos/heterocigotos compuestos
afectados para los alelos causantes de la enfermedad en la población (es decir,
q2) se puede determinar directamente, contando el número de bebés nacidos
con PKU durante un período determinado de tiempo e identificados
mediante programas de cribado neonatal (v. cap. 18), dividido entre el
número total de bebés sometidos a cribado durante ese mismo período de
tiempo. A continuación, usando la ley de Hardy-Weinberg, se puede calcular
la frecuencia del alelo mutante (q) a partir simplemente de la frecuencia
observada de homocigotos/heterocigotos compuestos (q2), lo que proporciona
una estimación (2pq) de la frecuencia de heterocigotos para utilizarla al
proporcionar asesoramiento genético.
Para ilustrar mejor este nuevo ejemplo, consideremos una población de
Irlanda, donde la frecuencia de la PKU es de alrededor de 1/4.500. Si
agrupamos todos los alelos que causan la enfermedad y los tratamos como un
único alelo con frecuencia q, la frecuencia de individuos afectados q2 = 1/4.500.
A partir de este dato, se calcula q = 0,015 y, por tanto, 2pq = 0,029. Por
consiguiente, la frecuencia de portadores para todos los alelos que causan la
enfermedad tomados en conjunto en la población irlandesa es de alrededor
del 3%. Un individuo que sea portador conocido de la PKU debido al
nacimiento de un niño afectado en la familia tendrá una posibilidad de
alrededor del 3% de encontrar una nueva pareja de origen irlandés que
también sea portadora, y esta estimación podría utilizarse para proporcionar
asesoramiento genético. Sin embargo, se debe tener en cuenta que esta
estimación se aplica sólo a la población en cuestión; si la nueva pareja no
fuese de Irlanda, sino de Finlandia, donde la frecuencia de la PKU es mucho
menor (≈1/200.000), su probabilidad de ser portador sería sólo del 0,6%.
En este ejemplo, se han agrupado todos los alelos causantes de PKU para
estimar q. Sin embargo, en otros trastornos, como las hemoglobinopatías que
se analizarán en el capítulo 11, los diferentes alelos mutantes pueden causar
DrBurgos
372
enfermedades muy diferentes, por lo que no tendría sentido agrupar todos
los alelos mutantes juntos, ni siquiera cuando esté implicado el mismo locus.
En lugar de ello, la frecuencia de los alelos que dan lugar a fenotipos
diferentes (como la anemia falciforme y la β-talasemia en el caso de distintos
alelos mutantes en el locus de la β-globina) se calcula por separado.
La ley de Hardy-Weinberg en las enfermedades
ligadas al X
Recordemos del capítulo 7 que, para los genes ligados al X, existen tres
genotipos femeninos, pero sólo dos genotipos posibles para los varones. Para
ilustrar las frecuencias génicas y genotípicas cuando el gen en cuestión es
ligado al X, utilizamos el rasgo denominado daltonismo para el rojo y verde
ligado al cromosoma X, que está causado por una mutación en la serie de
genes de los pigmentos visuales del cromosoma X. Usamos ese tipo de
daltonismo como ejemplo porque, hasta donde sabemos, no se trata de un
rasgo perjudicial (excepto por las posibles dificultades con los semáforos), y
esas personas no sufren una selección. Como veremos más adelante, el efecto
de la selección complica las estimaciones de las frecuencias génicas.
En este ejemplo, empleamos el símbolo cb para todos los alelos mutantes
del daltonismo a los colores, y el símbolo + para el alelo normal, con
frecuencias q y p, respectivamente (tabla 9-3). Las frecuencias de los dos alelos
pueden calcularse de forma directa a partir de la incidencia de los fenotipos
correspondientes en varones, sencillamente contando los alelos. Como las
mujeres tienen dos cromosomas X, sus genotipos se distribuyen como los
genotipos autosómicos, pero dado que los alelos del daltonismo son
recesivos, las homocigotas normales y las heterocigotas no suelen
diferenciarse. Como se aprecia en la tabla 9-3, la frecuencia del daltonismo es
mucho más baja en las mujeres que en los varones. Menos del 1% de las
mujeres tienen daltonismo, pero casi el 15% son portadoras de un alelo
mutante para esa enfermedad y tienen una probabilidad del 50% de que cada
hijo varón presente daltonismo.
Tabla 9-3
Genes ligados al X y frecuencias genotípicas (daltonismo)
DrBurgos
373
Factores que alteran el equilibrio de HardyWeinberg
La ley de Hardy-Weinberg y su uso supone que se cumplan diversos
supuestos (v. cuadro previo), pero no todos ellos pueden cumplirse (o
suponerse de forma razonable que se cumplen) para todas las poblaciones. El
primero es que la población estudiada sea grande y que los emparejamientos
entre sus miembros se produzcan al azar. Sin embargo, en una población
muy pequeña los acontecimientos al azar pueden alterar de manera radical
una frecuencia alélica, que se apartará del primer supuesto. Éste tampoco se
cumple cuando la población contiene subgrupos cuyos miembros eligen
casarse entre ellos de forma dirigida en vez de con un miembro escogido al
azar de la población general. El segundo supuesto es que las frecuencias
alélicas no cambian significativamente con el tiempo. Ello requiere que no
exista inmigración ni emigración de grupos con frecuencias alélicas en el
locus de interés radicalmente diferentes de las frecuencias alélicas de la
población general. De modo análogo, la selección a favor o en contra de
determinados alelos, o la adición de nuevos alelos al conjunto génico debido a
mutaciones, también contradicen los supuestos de la ley de Hardy-Weinberg.
En la práctica, algunas más que otras de estas infracciones a la ley alteran
su aplicación a las poblaciones humanas. Como se muestra en las secciones
siguientes, el no cumplimiento del supuesto de los emparejamientos al azar
puede producir grandes desviaciones de la frecuencia de individuos
homocigotos para un rasgo autosómico recesivo en comparación con el que
podríamos esperar a partir de las frecuencias alélicas de la población. Por otro
lado, los cambios en las frecuencias alélicas debido a mutación, selección o
migración suelen causar desviaciones menos importantes o sutiles del
equilibrio de Hardy-Weinberg. Por último, cuando no se cumple dicho
equilibrio para un determinado alelo que causa enfermedad, puede ser
interesante investigar por qué el alelo y sus genotipos asociados no están en
equilibrio, ya que esto puede proporcionar pistas sobre la patogenia de la
enfermedad o señalar a acontecimientos históricos que afectaron a la
frecuencia de los alelos en distintos grupos de población a lo largo del
tiempo.
Excepciones a las reglas de existencia de
poblaciones grandes y de emparejamientos
aleatorios
Como ya se ha comentado previamente, el principio del emparejamiento
aleatorio dice que, para cualquier locus, un individuo con un determinado
genotipo tiene una probabilidad puramente aleatoria de emparejarse con otro
DrBurgos
374
individuo de cualquier otro genotipo, y que esas proporciones sólo están
determinadas por las frecuencias relativas de los diferentes genotipos en la
población. Sin embargo, la elección de la pareja puede no ser al azar. En las
poblaciones humanas el emparejamiento no aleatorio puede ocurrir debido a
tres fenómenos distintos, pero relacionados entre sí: la estratificación, el
emparejamiento dirigido y la consanguinidad.
Estratificación
La estratificación describe una población que contiene subgrupos que han
mantenido (por diversas razones históricas, culturales o religiosas) una
relativa separación genética durante la época moderna. En todo el mundo
existen numerosas poblaciones estratificadas; por ejemplo, la población de
Estados Unidos está estratificada en muchos subgrupos, como los de
ascendencia del norte o del sur de Europa, los afroamericanos y varios grupos
de nativos americanos, asiáticos e hispanos. Las poblaciones estratificadas
también existen en otras partes del mundo, ya sea en la actualidad o en el
pasado reciente, como los musulmanes suníes y chiíes, los judíos ortodoxos,
los canadienses francófonos o las distintas castas de India. Cuando la
selección de la pareja en una población se restringe por cualquier motivo a los
miembros de un subgrupo en concreto y ese subgrupo tiene una variante
alélica con una frecuencia mayor que la de la población general, el resultado
será un exceso aparente de homocigotos en la población general mayor del
que sería de esperar por las frecuencias alélicas en el conjunto de la población
si los emparejamientos ocurrieran verdaderamente al azar.
Para ilustrar este aspecto, supongamos que una población contiene un
grupo minoritario que constituye el 10% de ésta, y que en ese grupo un alelo
mutante de una enfermedad autosómica recesiva tiene una frecuencia de qmin
= 0,05 y que el alelo normal tiene una frecuencia de pmin = 0,95. En la mayoría
restante que representa el 90% de la población, el alelo mutante está casi
ausente (es decir, qmay es ≈0 y pmay = 1). Un ejemplo de esa situación es,
precisamente, la población afroamericana de EE.UU. y el alelo mutante es el
locus de la β-globina, responsable de la anemia falciforme (Caso 42). La
frecuencia global del alelo de la enfermedad en la población total, qpob, es, por
tanto, 0,1 × 0,05 = 0,005 y, simplemente, aplicando la ley de Hardy-Weinberg,
encontraríamos una frecuencia de la enfermedad en el conjunto de la
población de q2pob = (0,005)2 = 2,5 × 10−5, si los emparejamientos fueran
perfectamente aleatorios entre toda la población. No obstante, si los
individuos pertenecientes al grupo minoritario se emparejan de forma
exclusiva con otros miembros de ese grupo (una situación extrema que no se
produce en realidad), la frecuencia de individuos afectados en el grupo
minoritario sería (q2min) = (0,05)2 = 0,0025. Como el grupo minoritario es un
décimo de la población total, la frecuencia de la enfermedad en la población
total es 0,0025/10 = 2,5 × 10−4, diez veces mayor del valor calculado de q2pob =
2,5 × 10−5 al aplicar la ley de Hardy-Weinberg a la población en su conjunto,
DrBurgos
375
sin tener en cuenta la estratificación.
Por otra parte, la estratificación no influye en la frecuencia de las
enfermedades autosómicas dominantes y ejerce sólo un pequeño efecto sobre
la frecuencia de las enfermedades ligadas al X, al incrementar el reducido
número de mujeres homocigotas para el alelo mutante.
Emparejamiento dirigido
El emparejamiento dirigido consiste en la elección de una pareja debido a que
ésta posee algunos rasgos particulares. Suele ser positivo, es decir, las
personas tienden a escoger parejas que se les parezcan (p. ej., en el idioma
materno, la inteligencia, la estatura, el color de la piel, el talento musical o la
capacidad atlética). En la medida en que la característica compartida por los
progenitores es genéticamente determinada, el efecto genético global del
emparejamiento dirigido positivo es un incremento de la proporción de
genotipos homocigotos a expensas del heterocigoto.
Un aspecto clínicamente importante del emparejamiento dirigido positivo
es la tendencia a elegir parejas con problemas médicos similares, como la
sordera y la ceguera congénitas o la estatura excepcionalmente baja. En ese
caso, no se aplica lo esperado por el equilibrio de Hardy-Weinberg, porque el
genotipo de la pareja en el locus de la enfermedad no está determinado por
las frecuencias alélicas encontradas en la población general. Tomemos por
ejemplo la acondroplasia (Caso 2), una forma autosómica dominante de
displasia esquelética con una incidencia en la población de 1/15.000-1/40.000
nacidos vivos. Los hijos homocigotos para la mutación de la acondroplasia
presentan una forma grave de displasia esquelética, que es mortal y que
apenas se detecta, a menos que ambos progenitores tengan acondroplasia y,
por tanto, sean heterocigotos para la mutación. Sería muy improbable que
esto se produjera por azar, salvo por emparejamiento dirigido entre personas
con acondroplasia.
Cuando una pareja tiene un trastorno autosómico recesivo causado por la
misma mutación o por mutaciones alélicas en el mismo gen, todos sus hijos
también presentarán la enfermedad. Sin embargo, hay que destacar que no
todos los casos de ceguera, sordera o baja estatura tienen la misma base
genética. Se han descrito muchas familias en las que, por ejemplo, dos
progenitores con albinismo han tenido hijos con pigmentación normal, o dos
con sordera han tenido hijos con audición normal, debido a la heterogeneidad
del locus (discutida en el cap. 7). Sin embargo, incluso cuando existe
heterogeneidad de locus con emparejamiento dirigido, la probabilidad de que
dos individuos sean portadores de mutaciones en el mismo locus causante de
enfermedad es superior a la que existiría si hubiera realmente un
emparejamiento aleatorio, por lo que el riesgo de enfermedad en los hijos
también es mayor. Aunque el efecto poblacional a largo plazo de este tipo de
emparejamiento dirigido positivo sobre las frecuencias génicas de la
enfermedad es insignificante, una determinada familia puede encontrarse con
un riesgo genético muy elevado que no sería predecible sólo por la aplicación
DrBurgos
376
estricta de la ley de Hardy-Weinberg.
Consanguinidad y endogamia
La consanguinidad, al igual que la estratificación y el emparejamiento
dirigido positivo, ocasiona un aumento en la frecuencia de las enfermedades
autosómicas recesivas al incrementar la frecuencia del emparejamiento entre
portadores de trastornos autosómicos recesivos. A diferencia de los trastornos
encontrados en las poblaciones estratificadas, en las que cada subgrupo tiene
probabilidad de presentar una alta frecuencia de unos pocos alelos, los
trastornos recesivos observados en los hijos de parientes con lazos de
parentesco pueden ser muy raros en la población general, porque los
emparejamientos consanguíneos permiten que un alelo infrecuente heredado
de un antepasado heterocigoto común se convierta en homocigoto. Un
fenómeno similar se observa en los aislamientos genéticos, unas pequeñas
poblaciones derivadas de un número limitado de antepasados comunes que
tendían a emparejarse sólo entre sí mismos. El emparejamiento entre dos
individuos aparentemente «no emparentados» en un aislamiento genético
puede tener el mismo riesgo para presentar ciertas enfermedades recesivas
que el observado en los matrimonios consanguíneos, porque ambos
individuos son portadores debido a la herencia a partir de antepasados
comunes del aislamiento, fenómeno denominado endogamia.
Por ejemplo, entre los judíos asquenazíes de Estados Unidos, los alelos
mutantes para la enfermedad de Tay-Sachs (gangliosidosis GM2) (Caso 43),
descrita en detalle en el capítulo 12, son relativamente más frecuentes que en
otros grupos étnicos. La frecuencia de esa enfermedad es 100 veces más alta
en los judíos asquenazíes (1/3.600) que en la mayoría de las demás
poblaciones (1/360.000). Por tanto, la frecuencia de portadores de TaySachs
entre los judíos asquenazíes es aproximadamente de 1/30 (q2 = 1/3.600, q= 1/60,
2pq= ≈1/30), mientras que la frecuencia de portadores en individuos no
asquenazíes es de alrededor de 1/300.
Excepciones al mantenimiento de frecuencias
alélicas constantes
Efecto de la mutación
Hemos demostrado que el emparejamiento no aleatorio puede modificar de
manera sustancial la frecuencia relativa predicha por la ley de HardyWeinberg con respecto a varios genotipos, incluso en el período de una única
generación. Por el contrario, los cambios de la frecuencia alélica debidos a la
selección o la mutación suelen ser lentos, con pequeños incrementos, y causan
una desviación del equilibrio de Hardy-Weinberg mucho menor, al menos
para las enfermedades recesivas.
Las tasas de mutaciones nuevas (v. cap. 4) suelen ser muy inferiores a la
frecuencia de heterocigotos para las enfermedades autosómicas recesivas; por
DrBurgos
377
tanto, la adición de nuevos alelos mutantes al conjunto génico tiene poco
efecto a corto plazo sobre las frecuencias alélicas de esas enfermedades.
Además, la mayoría de los alelos recesivos perniciosos se encuentran ocultos
en los heterocigotos asintomáticos, por lo que no están sujetos a selección. En
consecuencia, resulta improbable que la selección ejerza efectos importantes a
corto plazo sobre la frecuencia de esos alelos recesivos. Por tanto, en
principio, el equilibrio de Hardy-Weinberg puede aplicarse incluso a los
alelos que causan enfermedades autosómicas recesivas graves.
Hay que destacar, sin embargo, que para las enfermedades de herencia
dominante o ligada al X, la mutación y la selección modifican las frecuencias
alélicas de lo que se esperaría según el equilibrio de Hardy-Weinberg, al
reducir o incrementar de manera sustancial determinados genotipos.
Selección y eficacia biológica
La base molecular y genómica de la mutación se describió previamente en el
capítulo 4. Aquí examinaremos el concepto de eficacia biológica (fitness), el
principal factor a determinar si una mutación se elimina de inmediato, se
estabiliza en la población o incluso llega a ser, con el tiempo, el alelo
predominante en el locus en cuestión. La frecuencia de un alelo en una
población en cualquier momento dado representa un balance entre la tasa de
aparición de alelos mediante mutación y los efectos de la selección. Si la tasa
de mutación o la eficacia de la selección se alteran, es de esperar que la
frecuencia alélica varíe.
La transmisión de un alelo a la siguiente generación depende de su eficacia
biológica, f, que es una medida del número de hijos de las personas afectadas
que sobreviven hasta la edad reproductiva, comparado con un grupo control
adecuado. Cuando un alelo mutante tiene exactamente la misma
probabilidad de estar representado en la siguiente generación que un alelo
normal, f = 1. Cuando un alelo causa muerte o esterilidad, la selección actúa
contra él de forma radical, y f= 0. Los valores entre 0 y 1 indican la
transmisión de la mutación, pero con una tasa menor que la de los individuos
que no son portadores del alelo mutante.
Un parámetro relacionado es el coeficiente de selección, s, que es una
medida de la pérdida de eficacia biológica y se define como 1 – f, es decir, la
proporción de alelos mutantes que no se transmiten y que, por tanto, se
pierden debido a la selección. Desde el punto de vista genético, una mutación
que impide la reproducción de un adulto es tan «letal» como la que produce
un aborto precoz del embrión, porque en ambos casos la mutación no se
transmite a la siguiente generación. Por tanto, la eficacia biológica es el
resultado del efecto conjunto de la supervivencia y la fertilidad. Cuando una
enfermedad genética limita la reproducción de un modo tan intenso que la
eficacia biológica es cero (es decir, s= 1), se define como genéticamente letal.
En sentido biológico, la eficacia biológica no tiene connotaciones de
superioridad, excepto en un único aspecto: la capacidad comparativa de
aportar alelos a la generación siguiente.
DrBurgos
378
Selección en enfermedades recesivas
La selección en contra de mutaciones recesivas perjudiciales tiene un efecto
mucho menor sobre la frecuencia poblacional de los alelos mutantes que la
selección en contra de mutaciones dominantes, porque sólo una pequeña
proporción de esos genes están presentes en homocigotos y, por tanto, se
encuentran expuestos a las fuerzas de selección. Aunque hubiera una
selección total en contra de los homocigotos (f= 0), como en muchas
condiciones autosómicas recesivas, harían falta muchas generaciones hasta
que se redujera de forma apreciable la frecuencia génica, porque la mayoría
de los alelos mutantes se encuentran en heterocigotos con eficacia biológica
normal. Por ejemplo, como ya hemos visto previamente en este capítulo, la
frecuencia de los alelos mutantes que producen la enfermedad de Tay-Sachs,
q, puede ser de hasta el 1,5% en poblaciones de judíos asquenazíes. Dado este
valor de q, se puede estimar que alrededor del 3% de individuos de estas
poblaciones (2 × p × q) son heterocigotos y portadores de un alelo mutante,
mientras que sólo un individuo de cada 3.600 (q2) es homocigoto, con dos
alelos mutantes. Por tanto, la proporción de todos los alelos mutantes
observados en homocigotos en esta población es:
Por tanto, menos del 2% de todos los alelos mutantes de la población se
encuentran en homocigotos afectados, por tanto, sólo éstos están expuestos a
la selección, en ausencia de un tratamiento eficaz.
Reducir o eliminar la selección contra un trastorno autosómico recesivo
mediante un tratamiento médico eficaz (p. ej., como en la PKU [v. cap. 12])
incrementaría de un modo igualmente lento la frecuencia génica a lo largo de
muchas generaciones. Por tanto, siempre y cuando los emparejamientos sean
aleatorios, podemos considerar que los genotipos de las enfermedades autosómicas
recesivas están en el equilibrio de Hardy-Weinberg, a pesar de la selección en contra
de los homocigotos para el alelo recesivo. Por tanto, la relación matemática entre
el genotipo y las frecuencias alélicas que describe la ley de Hardy- Weinberg
se mantiene a efectos prácticos en las enfermedades recesivas.
Selección en las enfermedades dominantes
A diferencia de los alelos mutantes recesivos, los alelos mutantes dominantes
están expuestos directamente a la selección. Por tanto, los efectos de la
selección y la mutación son más evidentes y pueden medirse con más
facilidad en los rasgos dominantes. Un alelo dominante genéticamente letal,
si tiene penetrancia completa, estará expuesto a la selección en los
heterocigotos, lo que elimina todos los alelos responsables de la enfermedad
en una sola generación. Se sabe o se supone que varias enfermedades
DrBurgos
379
humanas son rasgos autosómicos dominantes con una eficacia biológica nula
o cercana a cero, por lo que siempre surgen de mutaciones nuevas y no de
mutaciones autosómicas dominantes heredadas (tabla 9-4), aspecto que es
muy importante para el asesoramiento genético. Se conocen los genes y los
alelos mutantes específicos de algunas, y los estudios familiares evidencian
nuevas mutaciones en los individuos afectados que no han sido heredadas de
los progenitores. En otros trastornos se desconocen los genes, pero se observa
un efecto de la edad paterna (v. cap. 4), lo que sugiere (aunque no prueba)
que una mutación de novo en la línea germinal del padre sea una posible
causa del trastorno. La implicación para el asesoramiento genético es que los
progenitores de un hijo con un trastorno autosómico dominante, pero
genéticamente letal, tendrán por lo general un riesgo muy bajo de recurrencia
en embarazos posteriores, puesto que la enfermedad, en general necesitaría
que se produjera otra mutación independiente para recurrir. Sin embargo, se
debe tener en cuenta la posibilidad de mosaicismo en la línea germinal, como
se comentó en el cap. 7 (v. fig. 7.18).
Tabla 9-4
Ejemplos de trastornos que se presentan como casos esporádicos
debido a nuevas mutaciones con eficacia biológica nula
Trastorno
Atelosteogénesis
Síndrome de Cornelia de
Lange
Osteogénesis imperfecta, tipo
II
Displasia tanatofórica
Descripción
Forma letal precoz de displasia esquelética con miembros cortos
Discapacidad intelectual, micromelia, sinofridia y otras anomalías; puede deberse a una mutación del gen
NIPBL
Tipo letal perinatal, con un defecto del colágeno tipo I (COL1A1, COL1A2) (v. cap. 12)
Forma letal precoz de displasia esquelética debida a mutaciones de novo en el gen FGFR3 (v. fig. 7-6C)
Equilibrio entre mutación y selección en las enfermedades
dominantes
Cuando una enfermedad dominante es nociva pero no letal, las personas
afectadas pueden reproducirse pero, aun así, contribuir por debajo de la
media a la generación siguiente; es decir, su eficacia biológica, f, estará
reducida. Esa mutación se perderá a través de la selección en una tasa
proporcional a la disminución de la eficacia biológica de los heterocigotos. La
frecuencia de los alelos mutantes responsables de la enfermedad en la
población representa, por tanto, un equilibrio entre la pérdida de los alelos
mutantes por efecto de la selección y la ganancia obtenida mediante
mutaciones recurrentes. Se alcanzará una frecuencia alélica estable en el nivel
en el que se equilibran dos fuerzas opuestas: una (la selección), que retira los
alelos mutantes del conjunto genético, y otra (mutaciones de novo), que vuelve
a añadirle nuevos alelos mutantes. La tasa de mutaciones por generación, µ,
en el locus de una enfermedad, ha de ser suficiente para dar cuenta de esa
fracción de la totalidad de los alelos mutantes (frecuencia alélica q) que se
pierden por selección en cada generación. Así,
DrBurgos
380
Esta relación se ilustra en la acondroplasia, donde la eficacia biológica de
los pacientes afectados no es cero, pero tienen sólo alrededor de una quinta
parte del número de hijos de las personas con estatura normal en la
población. Por tanto, su eficacia biológica media, f, es 0,20, y el coeficiente de
selección, s, es 1 − f, es decir, 0,80. Por tanto, sólo se transmite el 20% de los
alelos acondroplásicos de una generación a la siguiente. Dado que la
frecuencia de la acondroplasia parece estable de generación en generación, las
nuevas mutaciones deben ser las responsables de reemplazar el 80% de los
alelos mutantes que se pierden en la población a través de la selección.
Si la eficacia biológica de las personas afectadas se incrementa de repente
(p. ej., debido a los avances médicos), sería predecible que la incidencia
observada de la enfermedad en la población aumentase y alcanzase un nuevo
equilibrio. El retinoblastoma (Caso 39) y otros tumores embrionarios de
herencia dominante y aparición durante la infancia son ejemplos de
trastornos que en la actualidad tienen un pronóstico mucho mejor, con lo que
se prevé que la frecuencia de la enfermedad en la población ascienda. La
frecuencia alélica, la tasa de mutación y la eficacia biológica están
relacionadas. Por tanto, si conocemos dos de esos tres datos, podemos estimar
el tercero.
Equilibrio entre mutación y selección en las mutaciones
recesivas ligadas al X
En los fenotipos ligados al X de interés médico que son recesivos, o casi, la
selección se produce en los varones hemicigotos y no en las mujeres
heterocigotas, a excepción de la pequeña proporción de mujeres que
manifiestan heterocigosis con baja eficacia biológica (v. cap. 7). Sin embargo,
en esta breve discusión partiremos del supuesto de que las mujeres
heterocigotas tienen una eficacia biológica normal.
Dado que los varones tienen un cromosoma X y las mujeres dos, el total de
alelos ligados al X en el conjunto genético del conjunto de la población está
repartido en cualquier momento dado, y un tercio de los alelos mutantes
estará presente en los varones y dos tercios en las mujeres. Como vimos en el
caso de las mutaciones autosómicas dominantes, los alelos mutantes perdidos
por medio de la selección deben ser reemplazados por la recurrencia de
nuevas mutaciones para que la incidencia observada de la enfermedad pueda
mantenerse. Si la incidencia de una enfermedad grave ligada al X no se está
modificando, pero la selección está actuando únicamente contra los varones
hemicigóticos, la tasa de mutación, µ, debe igualar el coeficiente de selección,
s (es decir, la proporción de alelos mutantes que no son transmitidos a la
generación siguiente), multiplicado por q, la frecuencia alélica, ajustada por
un factor de 3, ya que la selección está operando sólo sobre el tercio de los alelos
mutantes de la población, es decir, los que están presentes en los varones en cualquier
momento. Así,
DrBurgos
381
En una enfermedad genéticamente letal ligada al X, s= 1 y un tercio de
todas las copias del gen mutante responsable se pierden en cada generación
y, en un equilibrio estable, deben reemplazarse por mutaciones de novo. Por
tanto, en estos trastornos se espera que un tercio de las personas que tienen
esa enfermedad sean portadoras de una mutación nueva, y que sus madres
genéticamente normales presenten un riesgo bajo de tener más hijos con el
mismo trastorno (suponiendo de nuevo que no exista mosaicismo de la línea
germinal). Los dos tercios restantes de las madres de individuos con un
trastorno letal ligado al X serían portadoras, con un riesgo del 50% de tener
otro hijo varón afectado. Sin embargo, la predicción de que dos tercios de las
madres de individuos con un trastorno letal ligado al X sean portadoras de
una mutación causante de enfermedad se basa en la suposición de que las
tasas de mutación en varones y mujeres son idénticas. Puede demostrarse que
si la tasa de mutación en varones es mucho mayor que en mujeres, la
probabilidad de que exista una mutación nueva en el óvulo es muy baja, y la
mayoría de las madres de niños afectados serán portadoras, que habrán
heredado la mutación como una mutación nueva de sus padres no afectados
y después la habrán transmitido a sus hijos afectados. Las diferencias de las
tasas de mutaciones causantes de enfermedad en los gametos masculinos y
femeninos tienen implicaciones para el asesoramiento genético que se
describirán en el capítulo 16.
En los trastornos menos graves, como la hemofilia A (Caso 21), la
proporción de individuos afectados a causa de mutaciones nuevas es inferior
a un tercio (en la actualidad, alrededor del 15%). Como el tratamiento de la
hemofilia mejora con rapidez, se espera que la frecuencia total de alelos
mutantes aumente también con rapidez y alcance un nuevo equilibrio.
Suponiendo (como parece razonable) que la tasa de mutación en ese locus no
varía a lo largo del tiempo, la proporción de hemofílicos a causa de mutaciones
nuevas descenderá, aunque la incidencia global de la enfermedad aumentará.
Ese cambio tendría implicaciones significativas para el asesoramiento
genético con respecto a ese trastorno (v. cap. 16).
Deriva genética
Los fenómenos aleatorios pueden tener un efecto mucho mayor sobre las
frecuencias alélicas en una población pequeña que en una grande. Por
ejemplo, cuando ocurre una nueva mutación en una población pequeña, su
frecuencia está representada por una única copia entre todas las copias de ese
gen existentes en la población. Los efectos del ambiente o de otros factores
aleatorios que son independientes del genotipo (es decir, fenómenos que se
producen por razones no relacionadas con el hecho de que un individuo sea portador
del alelo mutante) pueden ocasionar cambios significativos en la frecuencia del
alelo causante de enfermedad cuando la población es pequeña. Estos eventos
aleatorios alteran el equilibrio de Hardy-Weinberg y hacen que la frecuencia
DrBurgos
382
alélica cambie de una generación a la siguiente. Este fenómeno, denominado
deriva genética, puede explicar cómo varían las frecuencias alélicas por
efecto del azar. A partir de ahí, durante unas cuantas generaciones puede
existir una fluctuación considerable de la frecuencia génica, aunque el tamaño
del nuevo grupo de la población permanezca reducido. Esto se mantiene
hasta que las frecuencias alélicas alcanzan un nuevo equilibrio a medida que
la población aumenta de tamaño. A diferencia del flujo génico (v. sección
siguiente), en el que las frecuencias génicas se modifican por la mezcla de
poblaciones previamente independientes, el mecanismo de la deriva génica es
simplemente el impacto del azar sobre poblaciones pequeñas.
Efecto fundador
Una forma especial de deriva genética se denomina efecto fundador. Cuando
una pequeña subpoblación se separa de una población mayor, las frecuencias
génicas en la pequeña población pueden diferir de la originaria porque el
nuevo grupo contiene una muestra aleatoria y de pequeño tamaño del grupo
inicial y, por azar, puede no tener sus mismas frecuencias génicas. Si resulta
que uno de los fundadores de un nuevo grupo es portador de un alelo
relativamente raro, este alelo tendrá una frecuencia muy superior a la que
tenía en el grupo de mayor tamaño del que se ha derivado el nuevo grupo.
Migración y flujo génico
La migración puede cambiar la frecuencia alélica mediante el proceso de
flujo génico, que se define como la lenta difusión de genes a través de una
barrera. El flujo génico suele implicar una gran población y un cambio
gradual de las frecuencias génicas. Los genes de las poblaciones emigrantes,
con sus propias frecuencias alélicas características, se diluyen de forma
gradual en el conjunto génico de la población a la que han emigrado, proceso
que se denomina mezcla genética. El término migración se utiliza aquí en el
sentido amplio de atravesar una barrera reproductiva, que puede ser racial,
étnica o cultural, y no necesariamente geográfica, y no implica el
desplazamiento físico de una región a otra. Algunos ejemplos de mezcla
reflejan acontecimientos bien conocidos y documentados de la historia de la
humanidad (p. ej., la diáspora africana entre los siglos xv y xix), mientras que
otros sólo pueden inferirse a partir del estudio genómico de la variación en
muestras antiguas de DNA (v. cuadro).
Volviendo al ejemplo del alelo con deleción de 32 pb en el gen del receptor
de citocina CCR5, ∆CCR5, la frecuencia de este alelo se ha estudiado en
muchas poblaciones de todo el mundo. La frecuencia más elevada del alelo
∆CCR5, superior al 18%, se encuentra en Europa noroccidental y desciende
siguiendo un gradiente hacia Europa oriental y meridional, para disminuir a
un pequeño porcentaje en Oriente Medio y el subcontinente indio. El alelo
∆CCR5 es virtualmente inexistente en África y Extremo Oriente. La mejor
interpretación de la distribución geográfica actual del alelo ∆CCR5 es que la
mutación se originó en el norte de Europa y después sufrió selección positiva
DrBurgos
383
y flujo génico a lo largo de largas distancias (fig. 9-1).
FIGURA 9-1 Frecuencia de los alelos ∆CCR5 en varias regiones
geográficas de Europa, Oriente Medio y el subcontinente indio.
Se muestran las diversas frecuencias alélicas según la leyenda de colores que
aparece a la derecha. Los puntos negros indican las localizaciones donde se
midieron las frecuencias alélicas; el resto de las frecuencias se interpolaron a
continuación en las regiones entre los lugares donde se realizó la medición
directa. Las áreas en gris son regiones donde había datos insuficientes para
estimar las frecuencias alélicas. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
384
Diferencias étnicas en la frecuencia de
varias enfermedades genéticas
En la exposición anterior de la ley de Hardy-Weinberg se mencionó que, en
equilibrio, las frecuencias genotípicas están determinadas por las frecuencias
alélicas y permanecen estables de una generación a otra, siempre que las
frecuencias alélicas en una población grande, aislada y con emparejamientos
aleatorios entre los individuos se mantengan constantes. Sin embargo, hay un
problema que interesa a los genetistas humanos y al que la ley de HardyWeinberg no ofrece respuesta: ¿por qué, para empezar, las frecuencias
alélicas difieren en las distintas poblaciones? En especial, ¿por qué algunos
alelos mutantes claramente nocivos son más frecuentes en determinados
grupos de la población y no en otros? Abordaremos esas cuestiones en el
resto de este capítulo.
M igr a cione s a ntigua s y f lujo gé nico
Un ejemplo fascinante de flujo génico durante la prehistoria humana procede
de la secuenciación de muestras de DNA obtenidas de los huesos de tres
neandertales que murieron hace unos 38.000 años en Europa. Los
antepasados comunes más recientes de los neandertales y del Homo sapiens
vivieron en África hace más de 200.000 años, mucho antes de la migración de
los neandertales fuera de África para asentarse en Europa y Oriente Medio.
Un análisis de la secuencia del DNA neandertal reveló que alrededor del 14% del DNA de los europeos y asiáticos modernos, pero no de los africanos,
coincide con el DNA neandertal. Varias técnicas estadísticas indican que la
introducción de DNA neandertal se produjo probablemente hace alrededor
de 50.000 años, mucho después de la migración de los humanos modernos
fuera de África a Europa y más allá, lo que explica por qué los rastros del
genoma neandertal no están presentes en los africanos modernos.
Es posible que el análisis de los genomas neandertales individuales y su
comparación con los genomas de poblaciones humanas modernas
proporcione pistas sobre las diferencias características entre estos grupos, así
como acerca de la frecuencia de los posibles genes o alelos causantes de
enfermedades que eran más o menos frecuentes en estas antiguas
poblaciones en comparación con distintas poblaciones humanas modernas.
Las diferencias en las frecuencias de alelos que causan enfermedades
genéticas presentan un interés particular para los genetistas médicos y
asesores genéticos, porque pueden causar diferentes riesgos de padecer una
enfermedad en grupos específicos de la población. Entre los ejemplos bien
conocidos, pueden citarse la enfermedad de Tay-Sachs en personas con
antepasados judíos asquenazíes, la anemia falciforme en afroamericanos y la
DrBurgos
385
enfermedad hemolítica del recién nacido y la PKU en poblaciones de raza
blanca (tabla 9-5).
Tabla 9-5
Incidencia, frecuencia génica y frecuencia de heterocigotos para
algunos trastornos autosómicos en diferentes poblaciones
Sistema Rh
Un ejemplo de diferencias significativas en las frecuencias alélicas que tiene
relevancia clínica corresponde al grupo sanguíneo Rh. Este grupo sanguíneo
tiene gran importancia clínica por su papel en la enfermedad hemolítica del
recién nacido y en las incompatibilidades transfusionales. En pocas palabras,
la población se divide en individuos Rh-positivos, que expresan en los
eritrocitos el antígeno Rh D, un polipéptido codificado por el gen RHD, e
individuos Rh-negativos, que no expresan este antígeno. Por lo tanto, el
estatus Rh-negativo se hereda como un rasgo autosómico recesivo en el que el
fenotipo Rh-negativo se manifiesta en individuos homocigotos o
heterocigotos compuestos para alelos no funcionales del gen RHD. La
frecuencia de individuos Rh-negativos varía en gran medida en los diferentes
grupos étnicos (v. tabla 9-5).
Enfermedad hemolítica del recién nacido causada por
incompatibilidad Rh
DrBurgos
386
La principal importancia del sistema Rh radica en que las personas Rhnegativas pueden formar con rapidez anticuerpos anti-Rh tras la exposición a
eritrocitos Rh-positivos. Durante la gestación, normalmente cruzan la barrera
placentaria pequeñas cantidades de sangre fetal, que alcanzan el torrente
sanguíneo materno. Cuando la madre es Rh-negativa y el feto Rh-positivo, la
madre forma anticuerpos que vuelven a la circulación fetal y dañan los
eritrocitos fetales, causando la enfermedad hemolítica del recién nacido, de
consecuencias graves si no se trata.
En las embarazadas Rh-negativas, puede minimizarse su riesgo de
inmunización por los eritrocitos fetales Rh-positivos con una inyección de
inmunoglobulina Rh entre las semanas 28 a 32 de gestación, y otra después
del parto. La inmunoglobulina Rh elimina todas las células fetales Rhpositivas de la circulación materna antes de que la mujer se sensibilice a ellas.
También se emplea la inmunoglobulina después de un aborto espontáneo o
provocado, o de procedimientos invasivos, como la obtención de muestras de
las vellosidades coriónicas o la amniocentesis, si algunas células Rh-positivas
han alcanzado la circulación materna. El descubrimiento del sistema Rh y su
papel en la enfermedad hemolítica del recién nacido ha supuesto una
importante contribución de la genética a la medicina. La enfermedad
hemolítica del recién nacido causada por incompatibilidad Rh se consideraba
antes la enfermedad genética humana más frecuente en personas con
ascendencia europea, mientras que en la actualidad es relativamente rara,
pero sólo gracias a que los obstetras mantienen la vigilancia, identifican a las
pacientes de riesgo y les administran sistemáticamente la inmunoglobulina
anti-Rh para evitar la sensibilización.
Diferencias étnicas en las frecuencias de varias
enfermedades
Se cree que varios factores que ya se han comentado en este capítulo explican
cómo se desarrollan las diferencias de alelos y frecuencias alélicas entre los
grupos étnicos. Uno de ellos es la falta de flujo de genes debido al aislamiento
genético, de modo que una mutación en un grupo no tendría la oportunidad
de propagarse a otros grupos a través de emparejamientos. Otros factores son
la deriva genética, que incluye la distribución no aleatoria de alelos entre los
individuos que fundaron determinadas subpoblaciones (efecto fundador), y
la ventaja heterocigótica bajo condiciones ambientales que favorecen la
eficacia reproductiva de los portadores de mutaciones nocivas. En la
siguiente sección se presentan ejemplos específicos de estos factores. Sin
embargo, en muchos casos, no tenemos una explicación clara de cómo
surgieron estas diferencias.
Efecto fundador
Un ejemplo extremo de la diferencia en cuanto a la incidencia de una
DrBurgos
387
enfermedad genética entre distintos grupos étnicos es la elevada incidencia
de la enfermedad de Huntington (Caso 24) en los habitantes indígenas de la
región del lago Maracaibo, en Venezuela, debida a la introducción de una
mutación causante de la misma en este aislamiento genético. Hay otros
muchos ejemplos del efecto fundador que implican a otros alelos causantes
de enfermedad en aislamientos genéticos en todo el mundo, como la
población franco-canadiense de Canadá, que presenta frecuencias elevadas de
ciertos trastornos que son infrecuentes en otras zonas. Por ejemplo, la
tirosinemia tipo 1 hereditaria es un trastorno autosómico recesivo causante
de insuficiencia hepática y disfunción tubular renal por una deficiencia de
fumarilacetoacetasa, una enzima del catabolismo de la tirosina. Esa
enfermedad tiene una frecuencia de 1/685 en la región de Saguenay-LacSaint-Jean de Québec, pero sólo de alrededor de 1/100.000 en otras
poblaciones. Como era de esperar de un efecto fundador, el 100% de los
alelos mutantes de los pacientes de Saguenay-Lac-Saint-Jean se deben a la
misma mutación.
Por tanto, uno de los resultados del efecto fundador y de la deriva genética
es que cada población puede ser caracterizada por sus propios alelos
mutantes particulares, así como por un aumento o disminución de
determinadas enfermedades. La relativa movilidad de la mayoría de las
poblaciones actuales, en comparación con sus antepasados de sólo unas pocas
generaciones atrás, puede reducir el efecto de la deriva genética en el futuro,
al tiempo que aumenta el del flujo génico.
Selección positiva de los heterocigotos (ventaja heterocigótica)
Aunque ciertos alelos mutantes pueden ser nocivos en los homocigotos, es
posible que existan condiciones ambientales en las que los heterocigotos para
alguna enfermedad tengan una mayor eficacia biológica no sólo cuando se
comparan con los homocigotos para el alelo mutante, sino incluso con los
homocigotos para el alelo normal. Esa situación se denomina ventaja
heterocigótica. Incluso una ligera ventaja de los heterocigotos puede llevar a
un incremento de la frecuencia de un alelo que es gravemente dañino en
homocigotos, porque los heterocigotos sobrepasan en gran número a los
homocigotos en la población. La situación en que las fuerzas de selección
actúan tanto para mantener un alelo dañino como para retirarlo del conjunto
genético se denomina polimorfismo equilibrado.
Paludismo y hemoglobinopatías
Un ejemplo bien conocido de la ventaja heterocigótica es la resistencia al
paludismo de los heterocigotos para la mutación de la anemia falciforme
(Caso 42). El alelo de la anemia falciforme en el gen de la β-globina alcanza su
frecuencia más elevada en ciertas regiones del oeste de África, donde los
heterocigotos están mejor adaptados que los dos tipos de homocigotos, pues
son relativamente más resistentes al paludismo. En las regiones donde el
paludismo es endémico, los homocigotos normales son susceptibles al
DrBurgos
388
paludismo, por lo que muchos de ellos se infectan y sufren una afectación
grave e incluso fatal, que produce una disminución de su eficacia biológica.
Los homocigotos para la anemia falciforme presentan una desventaja todavía
más importante y una eficacia biológica relativa baja cercana a cero, debido a
la gravedad de su enfermedad hematológica, lo que se describe con más
detalle en el capítulo 11. Los eritrocitos de los heterocigotos para la anemia
falciforme son inhóspitos para el parásito del paludismo, y no se deforman en
condiciones ambientales normales. Por tanto, los heterocigotos tienen una
eficacia biológica relativamente mayor que los homocigotos para el alelo
normal de la β-globina y presentan una tasa más elevada de reproducción.
Por tanto, con el tiempo el alelo mutante de la anemia falciforme ha
alcanzado la elevada frecuencia de 0,15 en algunas regiones del oeste de
África donde el paludismo es endémico, frecuencia mucho más alta de la que
se produciría sólo por el efecto de mutaciones recurrentes.
La ventaja heterocigótica en la anemia falciforme demuestra que, cuando se
quebranta uno de los supuestos fundamentales del equilibrio de la ley de
Hardy-Weinberg –que la selección no altera de manera significativa las
frecuencias alélicas–, la relación matemática entre las frecuencias alélicas y
genotípicas se alejan de lo esperado por la ley de HardyWeinberg (v. cuadro).
Sería de esperar que los cambios en las presiones selectivas condujeran a
una rápida modificación de la frecuencia relativa del alelo de la anemia
falciforme. En la actualidad, de hecho, se están llevando a cabo importantes
esfuerzos para erradicar el mosquito responsable de la transmisión de la
enfermedad en las áreas palúdicas; además muchos heterocigotos para la
anemia falciforme viven en regiones no palúdicas. Existen evidencias de que,
en la población afroamericana de EE.UU., la frecuencia del gen de la anemia
falciforme puede ya estar bajando de los elevados niveles que presentaba
hace varias generaciones en la población africana originaria, si bien es posible
que otros factores, como la mezcla de alelos de poblaciones no africanas en el
conjunto genético afroamericano, estén desempeñando un papel. Se piensa
también que otros alelos nocivos, como los responsables de la talasemia
(Caso 44) y la deficiencia de glucosa-6-fosfato deshidrogenasa (Caso 19), se
mantienen con su elevada frecuencia actual en determinadas poblaciones
debido a la protección que ofrecen contra el paludismo.
Se le cción e quilibr a da y le y de Ha r dy-We inbe r g
Consideremos dos alelos del gen de la β-globina, uno normal, A, y otro
mutante, S, que dan lugar a tres genotipos: A/A (normal), A/S (portador
heterocigoto) y S/S (enfermo de anemia falciforme). En un estudio de 12.387
individuos adultos de una población del oeste de África, los tres genotipos se
detectaron en las siguientes proporciones de 9.365 A/A:2.993 A/S:29 S/S.
Si contamos los alelos A y S existentes en los tres genotipos, podemos
determinar las frecuencias alélicas, que son p = 0,877 para el alelo A y q =
0,123 para el alelo S. De acuerdo con el equilibrio de Hardy-Weinberg, la
razón de genotipos vendría determinada por p2:2pq:q2 y debería ser 9.527
DrBurgos
389
A/A:2.672 A/S:188 S/S. En esta población del oeste de África, el número
observado de individuos A/S supera al previsto suponiendo el equilibrio de
Hardy-Weinberg, mientras que el número observado de homocigotos S/S
está muy por debajo de lo previsto, lo que refleja una selección equilibrada
en este locus. Este ejemplo del alelo de la anemia falciforme ilustra cómo las
fuerzas de la selección, actuando tanto negativamente sobre el genotipo S/S,
relativamente raro, como también positivamente sobre el genotipo A/S,
mucho más frecuente, provocan una desviación del equilibrio de HardyWeinberg en la población.
Selección equilibrada en otras enfermedades
infecciosas
Los efectos de la selección equilibrada en el paludismo también son evidentes
en otras enfermedades infecciosas. Por ejemplo, muchos africanos y
afroamericanos que presentan la glomeruloesclerosis focal y segmentaria
(una nefropatía grave) son homocigotos para ciertos alelos variantes en la
región codificante del gen APOL1, que codifica la apolipoproteína L1, un
factor sérico que destruye al parásito Trypanosoma brucei causante de
tripanosomiasis (enfermedad del sueño). Las mismas variantes que
multiplican por diez el riesgo de nefropatía grave en los homocigotos
respecto al resto de la población protegen a los heterocigotos portadores de
estas variantes contra las cepas de tripanosomas (T. brucei rhodesiense) que han
desarrollado resistencia a la apolipoproteína L1 de tipo natural. Como
resultado, la frecuencia de portadores heterocigotos para estos alelos
variantes puede llegar hasta alrededor del 45% en algunas partes de África
donde la tripanosomiasis rhodesiense es endémica.
Deriva génica contra ventaja heterocigota
No siempre resulta fácil determinar si la deriva génica o la ventaja
heterocigota es la responsable por la frecuencia aumentada de algunos alelos
nocivos en determinadas poblaciones, porque implica la integración de los
datos genéticos modernos y de la salud pública con los registros históricos de
migraciones de población y de enfermedades antiguas. Es posible que la
presión selectiva ambiental responsable de la ventaja heterocigótica haya
estado actuando en el pasado y no se la pueda identificar en los tiempos
modernos. Como se observa en la figura 9-1, el gradiente de noroeste a
sudeste que presenta la frecuencia del alelo ∆CCR5 refleja importantes
diferencias en la frecuencia de este alelo en los distintos grupos étnicos. La
frecuencia más alta del alelo ∆CCR5 es de 0,21 en los judíos asquenazíes, y es
casi igual de alta en Islandia y en Gran Bretaña. La variación moderada de las
frecuencias alélicas en Europa es más compatible con la acción de la deriva
genética sobre un polimorfismo neutro.
Sin embargo, la elevación global de las frecuencias alélicas en Europa
DrBurgos
390
(respecto a poblaciones no europeas) es más sugestiva de una selección
positiva en respuesta a algún agente infeccioso. Aunque la pandemia actual
del SIDA es demasiado reciente para haber afectado a las frecuencias génicas
mediante selección, es posible que un factor de selección diferente (quizás
otra enfermedad infecciosa, como la viruela o la peste bubónica) haya elevado
la frecuencia del alelo ∆CCR5 en las poblaciones del norte de Europa durante
un período de intensa selección hace muchas generaciones. Por tanto, los
genetistas siguen debatiendo si la deriva génica o la ventaja heterocigótica (o
ambas) explican de forma adecuada las frecuencias inusualmente elevadas
que algunos alelos perjudiciales adquieren en ciertas poblaciones.
DrBurgos
391
Genética y ancestros
Marcadores informativos de ancestros
Aunque los alrededor de 20.000 genes codificantes, así como su ubicación y
orden en los cromosomas son casi idénticos en todas las personas, vimos en el
capítulo 4 que los seres humanos en su conjunto tienen decenas de millones
de alelos diferentes, que van desde los cambios en un único par de bases
(SNP) a grandes variantes genómicas (CNV o indels) de cientos de kilobases
de tamaño, que explican el gran polimorfismo existente entre los individuos.
Muchos de los alelos encontrados en una población están presentes en todas
las poblaciones humanas, con frecuencias similares en todo el mundo.
Sin embargo, tras un período de crecimiento explosivo de la población, la
especie humana presente en la actualidad, con más de siete mil millones de
miembros, procede de subpoblaciones mucho más pequeñas, que, hasta hace
muy poco, existían como subpoblaciones o grupos étnicos separados, con
diferentes orígenes geográficos e historias poblacionales que dieron lugar a
emparejamientos restringidos entre los subgrupos. En los seres humanos que
vivían en estos pequeños asentamientos aislados surgieron diferentes alelos a
partir de mutaciones aleatorias; sería previsible que la mayoría de ellos no
confiriesen ninguna ventaja o desventaja selectiva, de modo que fuesen
neutros desde el punto de vista selectivo. Para los genetistas de poblaciones y
antropólogos, los marcadores genéticos selectivamente neutros proporcionan
un medio de rastrear la historia humana. Las interacciones de la deriva
genética, la selección debida a factores ambientales y el flujo génico
provocado por la migración y los matrimonios mixtos tienen diferentes
efectos en los loci de todo el genoma: pueden igualar las frecuencias alélicas
en muchas subpoblaciones, pueden causar grandes diferencias en la
frecuencia entre las poblaciones o pueden hacer que ciertos alelos se
restrinjan a una única población.
Los alelos que muestran grandes diferencias de frecuencia alélica entre las
poblaciones originarias de diferentes partes del mundo se denominan
marcadores informativos de ancestralidad (AIM por sus siglas en inglés, de
ancestry informative markers). Se han identificado grupos de AIM cuyas
frecuencias difieren entre las poblaciones derivadas de orígenes geográficos
muy distantes (p. ej., de Europa, África, Extremo Oriente, Oriente Medio,
americanos nativos y habitantes de las islas del Pacífico). Por tanto, son
marcadores útiles para trazar patrones migratorios humanos, para
documentar la mezcla histórica entre dos o más poblaciones y para
determinar el grado de diversidad genética entre subgrupos de población
identificables. Se han empleado estudios de cientos de miles de AIM de todo
el genoma para distinguir y determinar las relaciones a nivel del genoma
completo entre muchos grupos de población diferentes, incluidas las
comunidades de judíos en Europa, África, Asia y América; docenas de
DrBurgos
392
poblaciones nativas americanas distintas de Sudamérica, Norteamérica y
Siberia; y muchas castas y grupos tribales de India. En la figura 9-2 se ilustra
este tipo de análisis para establecer que los hispanos constituyen un grupo
genéticamente muy heterogéneo, con antepasados de muchas partes del
mundo.
FIGURA 9-2 Ancestralidad mixta de un grupo de estadounidenses que se
autoidentificaron como afroamericanos (AA), europeoamericanos (EA) e
hispanoamericanos (HA) utilizando marcadores informativos de
ancestralidad.
Cada línea vertical representa un individuo (los números son el total acumulado
en cientos) y los sujetos se muestran según la contribución ancestral
predominante a sus genomas. Los distintos colores indican el origen a partir de un
origen geográfico diferente, deducido en función de los AIM, según la siguiente
leyenda: África (azul), Europa (rojo), Oriente Medio (morado), Asia central
(amarillo), Lejano Oriente (cian), Oceanía (naranja) y América (verde). La mayoría
de los afroamericanos tienen genomas de origen predominantemente africano
(azul), y la mayoría de los europeoamericanos tienen genomas de origen
predominantemente europeo (rojo), aunque existe un rango de contribución
ancestral entre los distintos sujetos. Por el contrario, los hispanoamericanos son
un grupo más heterogéneo, y la mayoría de los individuos tienen genomas con
contribuciones significativas de 4-5 orígenes diferentes. Véase Créditos de figuras.
Aunque hay millones de variantes con diferentes frecuencias alélicas que
pueden distinguir a diversos grupos de población, la genotipificación de tan
sólo unos centenares o alrededor de mil SNP en un individuo bastan para
identificar la proporción de su genoma aportada por los antepasados de estas
diferentes poblaciones continentales y para inferir, por lo tanto, el origen
geográfico probable de los antepasados de ese individuo. Por ejemplo, la
figura 9-3 muestra los resultados de varios cientos de personas de Puerto
Rico, en los que se puede demostrar que sus genomas individuales proceden
de una herencia africana y europea en diversas proporciones, con una
herencia genética nativa americana mucho menor. En la actualidad, decenas
de compañías ofrecen servicios de determinación de la ancestralidad a los
consumidores. Aunque no se ha llegado a un acuerdo sobre la utilidad
DrBurgos
393
científica, médica o antropológica de la información para la mayoría de las
personas, la disponibilidad de pruebas de ancestralidad ha atraído una gran
atención de quienes están interesados en sus historias familiares o herencia
diaspórica.
FIGURA 9-3
Contribuciones ancestrales en una población puertorriqueña
mixta.
Representación tridimensional de la similitud de los genomas de 192
puertorriqueños respecto a genomas de control africano occidental, europeo y
nativo americano, utilizando un método de medición estadístico denominado
análisis de componentes principales (CP). Los CP mostrados en los tres ejes
corresponden a grupos de marcadores informativos de ancestralidad que
distinguen las poblaciones en cuestión. Los genomas africano occidental, europeo
y nativo americano se agrupan en tres localizaciones distintas mediante el análisis
de CP. El análisis demuestra que los genomas puertorriqueños son heterogéneos;
algunos individuos tienen genomas de origen predominantemente europeo y otros
tienen una contribución mucho mayor de África occidental, mientras que la
contribución americana es mucho menor. Véase Créditos de figuras.
Genética de poblaciones y raza
La genética de poblaciones usa métodos cuantitativos para explicar cómo y
por qué surgieron las diferencias en la frecuencia de enfermedades genéticas
y en los alelos responsables de las mismas entre diferentes individuos y
grupos étnicos. Sin embargo, lo que la genética de poblaciones no hace es
proporcionar una base biológica para el concepto de «raza».
En cierto sentido, las distinciones raciales son a la vez «reales» y
ampliamente utilizadas (aunque de forma errónea); son constructos sociales
que pueden tener un profundo impacto en la salud de las personas sometidas
a categorización racial en su vida diaria. Los médicos deben prestar atención
DrBurgos
394
al entorno social en el que están inmersos sus pacientes, y el impacto de la
categorización racial sobre la salud y el bienestar de dichos pacientes debe
tenerse en cuenta para comprender y responder a las necesidades de éstos (v.
cuadro).
Sin embargo, desde el punto de vista científico, la raza es una ficción. Las
categorías raciales se establecen utilizando criterios mal definidos que
subdividen la humanidad utilizando el aspecto físico (es decir, el color de
piel, la textura del pelo y las estructuras faciales), combinado con
características sociales basadas en los orígenes geográficos, históricos,
culturales, religiosos y lingüísticos de la comunidad en la que un individuo
ha nacido y se ha criado. Aunque algunas de estas características distintivas
tienen una base en las diferencias en los alelos que portan las personas de
diferente ancestralidad, otras probablemente tienen poca o ninguna base
genética. La categorización racial se ha utilizado ampliamente en el pasado en
medicina como base para realizar una serie de suposiciones relativas a la
dotación genética de un individuo. Conocer las frecuencias de alelos
relevantes para la salud y la enfermedad en diferentes poblaciones de todo el
mundo es útil para alertar a un médico sobre un aumento de la probabilidad
de tener una enfermedad en función de la ancestralidad genética de un
individuo. Sin embargo, con la expansión de la medicina genética
individualizada, es de esperar que cada vez un número mayor de las
variantes que contribuyen a causar enfermedades se evalúen directamente en
lugar de utilizar la etnia o la «raza» como un sustituto de un genotipo preciso.
Ance str a lida d y sa lud
La importancia de la ancestralidad genética para la práctica de la medicina
refleja el papel que las variantes alélicas con diferentes frecuencias en
distintas poblaciones tienen sobre diversas funciones clínicamente
relevantes. Aunque esta área de estudio está todavía en sus primeras etapas,
ya está claro que incluir la evaluación de la ancestralidad genética puede
proporcionar información útil para mejorar las predicciones pronósticas en
comparación con las que sólo se basan en la identidad racial o étnica
autodeclarada.
Por ejemplo, cuando se utilizan paneles de AIM para analizar los genomas
de individuos que se autoidentifican como afroamericanos, contienen DNA
cuyo origen africano oscila desde menos del 10% a más del 95%. Para los
rasgos determinados genéticamente que están influenciados por la
ancestralidad, el efecto de un polimorfismo de un único nucleótido particular
sobre la función génica dependerá de si el alelo(s) responsable(s) es de origen
africano o europeo, una determinación de origen genético que es distinta de
la propia autoidentificación como afroamericano.
A modo de ejemplo, el estudio de la función pulmonar para clasificar la
gravedad de la enfermedad en un grupo de pacientes asmáticos
afroamericanos mostró que las predicciones del grado general de deterioro
de la función pulmonar en estos pacientes eran más precisas cuando se tenía
DrBurgos
395
en cuenta la ancestralidad genética, en lugar de basarse únicamente en la
autonotificación de la raza. La clasificación de la enfermedad (es decir, si la
función pulmonar estaba en el rango «normal» o no) podía ser errónea hasta
en un 5% de los pacientes cuando se omitía la información sobre la
ancestralidad.
Además de su posible uso en el manejo clínico, la determinación de los
AIM también puede ser útil en investigación para la identificación de los
genes y variantes particulares que son responsables de enfermedades
genéticas y de otros rasgos complejos cuya incidencia difiere notablemente
entre los diferentes grupos étnicos o geográficos. En el capítulo 10 se
describen ejemplos exitosos de este potente método.
DrBurgos
396
Bibliografía general
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DrBurgos
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present-day humans. Nature. 2014;507:354–357.
P r oble m a s
1. Un polimorfismo del DNA del tipo VNTR consta de cinco alelos diferentes,
cada uno con una frecuencia del 0,20. ¿Qué proporción de individuos sería
de esperar que fueran heterocigotos en ese locus? ¿Y si los cinco alelos
tuviesen una frecuencia de 0,40, 0,30, 0,15, 0,10 y 0,05?
2. Si la frecuencia del alelo Rh negativo es de 0,26 en una población, ¿qué
fracción de los primeros embarazos sensibilizarían a la madre
(presuponiendo el equilibrio de Hardy-Weinberg)? Si no se efectuara la
profilaxis, ¿qué fracción de los segundos embarazos tendrían el riesgo de
padecer la enfermedad hemolítica del recién nacido debida a
incompatibilidad Rh?
3. En una población en equilibrio, tres genotipos presentan las siguientes
proporciones: A/A, 0,81; A/a, 0,18; a/a, 0,01.
a. ¿Cuáles son las frecuencias de A y de a?
b. ¿Cuáles serán sus frecuencias en la siguiente generación?
c. ¿Qué proporción de todos los emparejamientos en esa población son A/a×
A/a?
4. En un programa de cribado para la detección de portadores de la βtalasemia en una población italiana, se encontró que su frecuencia era de
alrededor del 4%. Calcule:
a. La frecuencia del alelo de la β-talasemia (suponiendo que sólo existe una
mutación común de la β-talasemia en esa población).
b. La proporción de emparejamientos de esa población que pueden tener
un hijo afectado.
c. La incidencia de fetos o recién nacidos afectados en esa población.
d. La incidencia de β-talasemia en los hijos con ambos progenitores
heterocigotos.
5. ¿Cuál de las siguientes poblaciones está en el equilibrio de HardyWeinberg?
DrBurgos
398
a. A/A, 0,70; A/a, 0,21; a/a, 0,09.
b. Para el polimorfismo del grupo sanguíneo MN, con dos alelos
codominantes, M y N: (i) M, 0,33; MN, 0,34; N, 0,33. (ii) 100% MN.
c. A/A, 0,32; A/a, 0,64; a/a, 0,04.
d. A/A, 0,64; A/a, 0,32; a/a, 0,04.
¿Cómo explicaría las frecuencias de las poblaciones que no están en
equilibrio?
6. Una pareja, Abby y Andrew, le consultan porque Anna, la hermana de
Abby, tiene el síndrome de Hurler (una mucopolisacaridosis) y están
preocupados por si pueden tener un hijo con ese mismo trastorno. El
síndrome de Hurler es una enfermedad autosómica recesiva, y su
incidencia es de alrededor del 1/90.000 en su comunidad.
a. Si Abby y Andrew no son parientes consanguíneos, ¿cuál es el riesgo de
que su primer hijo tenga el síndrome de Hurler?
b. Si son primos hermanos, ¿cuál es el riesgo?
c. ¿Qué contestaría a esas dos preguntas si la enfermedad en cuestión fuera
la fibrosis quística en lugar del síndrome de Hurler?
7. En una determinada población, tres trastornos neurológicos graves —la
distrofia muscular facioescapulohumeral, autosómica dominante; la ataxia
de Friedreich, autosómica recesiva; la distrofia muscular de Duchenne,
ligada al X— tienen la misma frecuencia poblacional de aproximadamente
1/25.000.
a. ¿Cuáles son la frecuencia génica y la de heterocigotos para cada una de
ellas?
b. Suponga que todas pueden ser tratadas, de modo que se reduce de
manera sustancial la selección en su contra y los individuos afectados
pueden tener descendencia. ¿Cuál sería el efecto sobre la frecuencia
génica en cada caso? ¿Por qué?
8. Como hemos visto en este capítulo, la tirosinemia tipo I, autosómica
recesiva, tiene una incidencia observada de 1/685 individuos en una
población de la provincia de Québec, pero de alrededor de 1/100.000 fuera
de allí. ¿Cuál es la frecuencia del alelo mutante de la tirosinemia en esos
dos grupos? Sugiera dos explicaciones posibles para la diferencia en la
frecuencia del alelo entre la población de Québec y en las demás
poblaciones.
DrBurgos
399
CAPÍTULO 10
DrBurgos
400
Identificación de la base genética de
las enfermedades humanas
Este capítulo proporciona una visión general del modo en que los genetistas
estudian las familias y las poblaciones para identificar las contribuciones
genéticas a las enfermedades. Tanto si una enfermedad se hereda con un
patrón mendeliano reconocible (como se ilustra en el cap. 7) como si sólo
presenta una frecuencia más alta en los parientes de un individuo afectado
(como se analizó en el cap. 8), son las diferentes variantes genéticas y
genómicas que portan los familiares afectados o las personas afectadas en la
población las que ocasionan de forma directa la enfermedad o las que
influyen en su susceptibilidad a la enfermedad. La investigación del genoma
ha dotado a los genetistas de un catálogo de genes humanos conocidos, de su
localización y estructura, así como de una lista que no deja de crecer de
decenas de millones de variantes de la secuencia del DNA encontradas en los
individuos de las diferentes poblaciones. Como vimos en capítulos previos,
algunas de esas variantes son comunes, otras son raras e incluso otras tienen
distintas frecuencias en los diferentes grupos étnicos. Mientras que
determinadas variantes tienen consecuencias funcionales claras, otras son con
seguridad neutras. En la mayoría de ellas se desconoce su significado para la
salud y la enfermedad humanas.
En el capítulo 4, tratamos del efecto de las mutaciones, que alteran uno o
más genes o loci para dar lugar a alelos variantes y polimorfismos. En los
capítulos 7 y 8 hemos examinado el papel de los factores genéticos en la
patogenia de varias enfermedades mendelianas o complejas. En este capítulo,
revisaremos el modo en que los genetistas descubren los genes particulares
implicados en las enfermedades y las variantes que contienen que subyacen o
contribuyen a las enfermedades humanas, centrándonos en tres métodos.
• El primero de ellos, el análisis de ligamiento, tiene como base la familia. El
análisis de ligamiento saca partido de manera explícita a las genealogías
familiares para seguir la herencia de una enfermedad entre los miembros
de una familia y para analizar la presencia constante y repetida de una
herencia conjunta de la enfermedad con una región concreta del genoma o
incluso con una variante o variantes específicas, siempre que la enfermedad
se transmita en la familia.
• El segundo método, el análisis de asociación, tiene como base la población. El
análisis de asociación no depende de manera explícita de la genealogía,
sino que aprovecha toda la historia de una población para buscar una
frecuencia aumentada o disminuida de un alelo o de un conjunto de alelos en
particular, en una muestra de individuos afectados extraída de la población
y comparada con un grupo control de individuos no afectados de esa
DrBurgos
401
misma población. Es particularmente útil para enfermedades complejas
que no muestran un patrón de herencia mendeliana.
• El tercer método consiste en la secuenciación directa del genoma de
individuos afectados y de sus progenitores y/o de otros individuos de la
familia o de la población. Este método es especialmente útil para los
trastornos mendelianos raros en los que el análisis de ligamiento no es
posible porque simplemente no hay bastantes familias de este tipo en las
que realizar el análisis de ligamiento o porque el trastorno es
genéticamente letal que siempre se origina por nuevas mutaciones y nunca
se hereda. En estas situaciones, la secuenciación del genoma (o sólo de los
exones codificantes de cada gen, el exoma) de un individuo afectado y el
filtrado de los miles de millones resultantes (o en el caso del exoma,
decenas de millones) de bases de DNA, se ha empleado con éxito para
encontrar el gen responsable de la enfermedad. Este nuevo método utiliza
la tecnología recientemente desarrollada que ha reducido el coste de la
secuenciación del DNA un millón de veces respecto al que tenía cuando se
estaba preparando el genoma de referencia original durante el Proyecto
Genoma Humano.
La utilización de estudios de ligamiento, de asociación y de secuenciación
para el mapeo y la identificación de los genes que producen enfermedades ha
tenido un enorme impacto sobre nuestra comprensión de la patogenia y la
fisiopatología de muchas enfermedades. En su momento, el conocimiento de
las contribuciones genéticas a las enfermedades también conducirá a nuevos
métodos de prevención, manejo y tratamiento de esas patologías.
DrBurgos
402
Base genética para el análisis de
ligamiento y la asociación
Una característica fundamental de la biología humana es que cada generación
se reproduce a través de la combinación de gametos haploides que contienen
23 cromosomas, derivados de la recombinación de los cromosomas
homólogos (v. cap. 2). Para comprender plenamente los conceptos que
subyacen al análisis de ligamiento genético y a las pruebas de asociación, es
necesario un breve repaso del comportamiento de los cromosomas y de los
genes durante la meiosis, cuando se transmiten de una generación a la
siguiente. Parte de esta información ya ha sido expuesta en el material
relativo a la gametogénesis presentado en el capítulo 2, y aquí se ilustra con
nueva información obtenida a partir del Proyecto Genoma Humano y sus
aplicaciones al estudio de la variación humana.
Distribución independiente y recombinación
homóloga en la meiosis
Durante la meiosis I, los cromosomas homólogos se alinean en pares a lo
largo del huso meiótico. Los homólogos paternos y maternos intercambian
segmentos homólogos por entrecruzamiento, creando nuevos cromosomas
que forman un mosaico con porciones alternantes de cromosomas del abuelo
y la abuela (v. fig. 2-15). En la familia que se ilustra en la figura 10-1, se
muestran ejemplos de los cromosomas recombinados de la descendencia
(generación II) de la pareja de la generación I. También se muestra que el
individuo de la generación III hereda un cromosoma materno que contiene
segmentos provenientes de los cuatro cromosomas de sus abuelos maternos.
La creación de esos cromosomas mosaico subraya el concepto de la
individualidad genética humana: cada cromosoma que un hijo hereda de un
progenitor nunca es exactamente igual que ninguna de las dos copias de ese
cromosoma en el progenitor.
DrBurgos
403
FIGURA 10-1
Efectos de la recombinación en el origen de varias porciones
de un cromosoma.
Debido a los entrecruzamientos meióticos, la copia del cromosoma que el niño
(generación III) ha heredado de su madre es un mosaico de segmentos de las
copias de ese cromosoma provenientes de sus cuatro abuelos.
DrBurgos
404
Aunque dos cromosomas homólogos cualesquiera suelen parecer idénticos
al microscopio, difieren sustancialmente a nivel de la secuencia de DNA.
Como se comentó en el capítulo 4, estas diferencias en la misma posición
(locus) en un par de cromosomas homólogos son alelos. Los alelos que son
frecuentes (considerados habitualmente como los que porta alrededor del 2%
o más de la población) constituyen un polimorfismo, y el análisis de
ligamiento en familias (como se verá más adelante en el capítulo) requiere
seguir la herencia de alelos específicos a medida que se transmiten en una
familia. Las variantes alélicas de los cromosomas homólogos permiten a los
genetistas rastrear cada segmento cromosómico heredado por un niño en
concreto, para determinar si se han producido recombinaciones a lo largo de
los cromosomas homólogos y en qué lugar se han producido. Se dispone de
varias decenas de millones de marcadores genéticos para usarlos con este fin.
En la actualidad, es habitual en genética humana afirmar que casi siempre es
posible determinar de forma fiable, mediante una serie de análisis que se
describen en este capítulo, si un alelo o segmento dado del genoma en un
paciente se ha heredado de su padre o de su madre. Este avance (un producto
singular del Proyecto Genoma Humano) es una característica esencial del
análisis genético para determinar la base genética exacta de la enfermedad.
Los alelos en loci de diferentes cromosomas se distribuyen de
forma independiente
Asumamos que existen dos loci polimórficos, 1 y 2, en dos cromosomas
diferentes, con los alelos A y a en el locus 1 y los alelos B y b en el locus 2 (fig.
10-2). Supongamos que el genotipo de una mujer en esos loci es Aa y Bb, es
decir, que es heterocigota en ambos loci, y que ha heredado los alelos A y B
de su padre y los alelos a y b de su madre. Los dos cromosomas diferentes se
alinearán en la placa metafásica en la meiosis I en una de dos combinaciones
posibles con la misma probabilidad. Una vez que se hayan completado la
recombinación y la segregación cromosómicas, habrá cuatro posibles
combinaciones de alelos, AB, ab, Ab y aB en un gameto. Cada combinación
tiene la misma probabilidad de ocurrir que las demás, un fenómeno
denominado distribución independiente. Como los gametos AB sólo
contienen los alelos provenientes del padre y los gametos ab sólo los alelos
provenientes de la madre, esos gametos se denominan parentales. En
contraste, los gametos Ab y aB, que contienen cada uno un alelo proveniente
del padre y uno de la madre, se denominan gametos no parentales. En
promedio, la mitad de los gametos (50%) serán parentales (AB y ab), y la otra
mitad (50%), no parentales (Ab y aB).
DrBurgos
405
FIGURA 10-2 Distribución independiente de alelos en dos loci, 1 y 2,
cuando están situados en cromosomas diferentes.
Se presupone que los alelos A y B han sido heredados de un progenitor, y a y b,
del otro. Los dos cromosomas pueden alinearse en la placa metafásica en meiosis
I en una de dos combinaciones igualmente probables, lo que da lugar a una
distribución independiente de los alelos presentes en estos dos cromosomas.
DrBurgos
406
Los alelos en loci de un mismo cromosoma se distribuyen
independientemente si se produce al menos un
entrecruzamiento entre ellos
Supongamos ahora que un individuo es heterocigoto en dos loci 1 y 2, con los
alelos A y B provenientes del padre y los alelos a y b provenientes de la
madre, pero en este caso los loci están en el mismo cromosoma (fig. 10-3). Los
genes situados en el mismo cromosoma se denominan sinténicos
(literalmente, «en la misma hebra»), con independencia de lo cerca o lejos que
estén el uno del otro en el cromosoma.
DrBurgos
407
DrBurgos
408
FIGURA 10-3 El entrecruzamiento entre los cromosomas homólogos (líneas
horizontales negras) durante la meiosis se muestra entre las cromátidas de dos
cromosomas homólogos en la izquierda. Los entrecruzamientos dan lugar a
nuevas combinaciones de los alelos provenientes de la madre y del padre en los
cromosomas recombinantes presentes en los gametos, mostrados a la derecha.
Si no ocurre entrecruzamiento en el intervalo entre los loci 1 y 2, sólo se
encuentran las combinaciones de los alelos parentales (no recombinantes) en los
hijos, es decir, AB y ab. Si ocurren uno o dos entrecruzamientos en ese intervalo
entre los loci, la mitad de los gametos contendrán una combinación no
recombinante de alelos y la otra mitad tendrán la combinación recombinante.
Pasa lo mismo si ocurren más de dos entrecruzamientos entre los loci (no
ilustrados aquí). NR, no recombinante; R, recombinante.
¿Cómo se comportarán esos alelos durante la meiosis? Sabemos que se
producen entre uno y cuatro entrecruzamientos entre cromosomas
homólogos durante la meiosis I, cuando hay cuatro cromátidas por
cromosoma homólogo. Si no se produce entrecruzamiento en el segmento de
las cromátidas situado entre los loci 1 y 2 (y con independencia de lo que
ocurra en los segmentos fuera del intervalo entre estos loci), los cromosomas
que encontraremos en los gametos serán AB y ab, es decir, son iguales que los
cromosomas parentales originales; un cromosoma parental es, por tanto, un
cromosoma no recombinante. Si se produce al menos un entrecruzamiento
en el segmento entre los loci, las cromátidas resultantes pueden ser tanto no
recombinantes como recombinantes Ab y aB, que no son iguales a los
cromosomas parentales; y ese cromosoma es, por tanto, un cromosoma
recombinante (v. fig. 10-3). Cuando ocurre una, dos o más recombinaciones
entre dos loci en la etapa de cuatro cromátidas, se producen gametos que son
un 50% no recombinantes (parentales) y un 50% recombinantes (no
parentales), que es precisamente la misma proporción que se observa con la
distribución independiente de los alelos en los loci de cromosomas distintos.
Por tanto, si dos loci sinténicos están lo suficientemente separados en el
mismo cromosoma, para poder asegurar que va a haber al menos un
entrecruzamiento entre ellos en cada meiosis, la razón de genotipos
recombinantes y no recombinantes será, como promedio, de 1:1, exactamente
lo que ocurriría si los loci se encontraran en cromosomas separados y
tuvieran una distribución independiente.
Frecuencia de recombinación y distancia
genética
La frecuencia de recombinación como medida de la distancia
entre dos loci
Supongamos ahora que dos loci están en el mismo cromosoma pero muy
distanciados, muy próximos o en algún punto intermedio (fig. 10-4). Como
acabamos de ver, cuando los loci están muy distanciados (v. fig. 10-4A), se
producirá al menos un entrecruzamiento en el segmento cromosómico entre
los loci 1 y 2, y se producirán gametos tanto de los genotipos no
DrBurgos
409
recombinantes AB y ab como los recombinantes Ab y aB en proporciones
iguales (en promedio) en la descendencia. Por otra parte, si los dos loci están
tan juntos en el mismo cromosoma que nunca se producen entrecruzamientos
entre ellos, no existirá recombinación. Los genotipos no recombinantes (los
cromosomas parentales AB y ab de la fig. 10-4B) se transmiten siempre juntos,
y la frecuencia de los genotipos recombinantes Ab y aB será 0. Entre esas dos
situaciones extremas están los casos en que dos loci se encuentran lo
suficientemente apartados para que ocurra una recombinación entre los loci
en algunas meiosis, pero no en otras (v. fig. 10-4C). En esa situación,
observamos combinaciones de alelos no recombinantes en la descendencia
cuando no se produce entrecruzamiento y combinaciones recombinantes
cuando se produce una recombinación, pero la frecuencia de cromosomas
recombinantes en los dos loci disminuirá hasta situarse entre el 0 y el 50%. Lo
esencial es que cuanto más cerca estén dos loci menor es la frecuencia de
recombinación y menos genotipos recombinantes se observan en la descendencia.
FIGURA 10-4
Distribución de los alelos en dos loci, 1 y 2, cuando están
localizados en el mismo cromosoma.
A, Los loci están muy apartados y es probable que ocurra al menos un
entrecruzamiento entre ellos en cada meiosis. B, Los loci están tan cerca que no
se observa un entrecruzamiento entre ellos, con independencia de la presencia de
entrecruzamientos en otras zonas del cromosoma. C, Los loci están cerca en el
mismo cromosoma, pero lo suficientemente lejos como para que ocurra
entrecruzamiento entre ellos en el intervalo entre los dos loci en algunas meiosis,
aunque no en la mayoría de las demás.
La detección de recombinaciones requiere heterocigosidad y el
conocimiento de la fase
Para detectar recombinaciones entre dos loci es necesario: 1) que un
DrBurgos
410
progenitor sea heterocigoto (informativo) en ambos loci, y 2) que sepamos
qué alelo está en el locus 1 y cuál en el 2, en un mismo cromosoma. En un
individuo heterocigoto en dos loci sinténicos, uno con los alelos A y a, y el
otro con los alelos B y b, la denominada fase se define en función de qué alelo
situado en el primer locus está en el mismo cromosoma que un alelo
determinado situado en el segundo locus (fig. 10-5). El conjunto de alelos que
se encuentran en el mismo cromosoma homólogo (A y B, o a y b) están en
acoplamiento (o cis) y constituyen lo que se denomina un haplotipo (v. caps.
7 y 8). Por el contrario, los que se encuentran en cromosomas homólogos
diferentes (A y b, o a y B) están en repulsión (o trans) (v. fig. 10-5).
DrBurgos
411
FIGURA 10-5
Fases posibles de los alelos A y a y de los alelos B y b.
La figura 10-6 muestra la genealogía de una familia con varios individuos
afectados de retinitis pigmentosa (RP) autosómica dominante, una
enfermedad degenerativa de la retina que causa ceguera progresiva asociada
con pigmentación anormal de la retina. Podemos observar que el individuo I1 es heterocigoto para el locus marcador 1 (con los alelos A y a) y para el locus
marcador 2 (con los alelos B y b), como también lo es para la enfermedad (D
es el alelo dominante de la enfermedad y d es el alelo recesivo normal). Los
alelos A-D-B constituyen un haplotipo y a-d-b el otro. Debido a que sabemos
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412
que su cónyuge es homocigoto en los tres loci y que sólo puede transmitir los
alelos A, b y d, podemos determinar con facilidad qué alelos recibieron los
niños de su madre y, por tanto, podemos rastrear con facilidad la herencia de
su alelo causante de RP o de su alelo normal en ese locus, así como los alelos
situados en ambos loci marcadores en sus hijos. Una observación detallada de
la figura 10-6 permite determinar si cada hijo ha heredado un haplotipo
recombinante o no recombinante de la madre.
FIGURA 10-6 Herencia conjunta del gen de una forma autosómica
dominante de la retinitis pigmentosa (RP), con el locus marcador 2 y no con
el 1.
Sólo se muestra la contribución materna a los genotipos de los hijos. La madre (I1) está afectada por esta enfermedad dominante y es heterocigota en el locus
RP9 (Dd), al igual que en los loci 1 y 2. Es portadora de los alelos A y B en el
mismo cromosoma que el alelo mutante RP9 (D). El padre, no afectado, es
homocigoto normal (dd) en el locus RP9, del mismo modo que en los dos loci
marcadores (AA y bb). Su contribución a los hijos no se tiene más en cuenta. Dos
de los tres hijos afectados han heredado el alelo B en el locus 2 de su madre,
mientras que el individuo II-3 ha heredado el alelo b. Los cinco hijos no afectados
también han heredado el alelo b. Por tanto, siete de los ocho hijos son no
recombinantes entre el locus RP9 y el locus 2. Sin embargo, los individuos II-2, II4, II-6 y II-8 son recombinantes para RP9 y para el locus 1, lo que indica que ha
ocurrido un entrecruzamiento meiótico entre esos dos loci.
Sin embargo, si la madre (I-1) hubiera sido homocigota bb en el locus 2,
todos los hijos habrían heredado un alelo materno b, con independencia de
DrBurgos
413
haber recibido un alelo mutante D o uno normal d en el locus RP9. Dado que
ella no aportaría información del locus 2 en este supuesto, habría sido
imposible determinar si había ocurrido una recombinación. De manera
análoga, si la familia de la figura 10-6 sólo proporcionara la información de
que la persona I-1 era heterocigota, Bb, en el locus 2, y heterocigota para una
forma autosómica dominante de RP, pero la fase no se conociese, no sería
posible determinar cuáles de sus hijos eran no recombinantes entre el locus
RP9 y el locus 2 y cuáles eran recombinantes. Por tanto, para determinar
quién es o no recombinante, necesitamos saber si el alelo B o b en el locus 2
estaba en el mismo cromosoma que el alelo D mutante para RP en el
individuo I-1 (v. fig. 10-6).
Ligamiento y frecuencia de recombinación
Se emplea el término ligamiento para describir que los alelos no siguen la
distribución independiente de dos loci o, en otras palabras, la tendencia de
alelos en loci próximos de un mismo cromosoma a transmitirse juntos, como
si constituyeran una unidad, durante la meiosis. El análisis de ligamiento
depende de la determinación de la frecuencia de recombinación, como
medida de la proximidad de dos loci en un cromosoma. Una notación
habitual para la frecuencia de recombinación (como proporción, no como
porcentaje) es la letra griega theta, θ, que puede variar de 0 (ausencia total de
recombinación) a 0,5 (distribución independiente). Si dos loci están tan cerca
que θ = 0 entre ellos (como en la fig. 10-4B), se dice que están completamente
ligados; si están tan alejados que θ = 0,5 (como en la fig. 10-4A), no están
ligados y se distribuyen de forma independiente. Entre esos dos extremos
hay varios grados de ligamiento.
Mapas genéticos y mapas físicos
La distancia genética entre dos loci es un concepto teórico que se basa en
datos reales, el grado de las recombinaciones observadas, θ, entre los loci. La
distancia genética se mide en unidades denominadas centiMorgans (cM), que
se definen como la distancia genética en la que, por término medio, se
observa recombinación en el 1% de las meiosis. (El centiMorgan es 1/100 de
un «Morgan», denominado así en honor a Thomas Hunt Morgan, que fue el
primero en observar la recombinación genética en la mosca de la fruta
Drosophila.) Por tanto, una fracción de recombinación del 1% (θ = 0,01) indica
una distancia genética de aproximadamente 1cM. Como se ha descrito
previamente en este capítulo, la frecuencia de recombinación entre dos loci
aumenta proporcionalmente con la distancia entre ellos sólo hasta un cierto
punto, porque, una vez que los marcadores están lo bastante alejados para
que al menos se produzca siempre una recombinación, la frecuencia
observada de recombinación será igual al 50% (θ = 0,5), con independencia de
la distancia física entre los dos loci.
Por tanto, para medir de forma precisa la distancia genética real entre dos
loci muy alejados, hemos de emplear marcadores espaciados a pequeña
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414
distancia (1 cM o menos) uno de otro en el intervalo entre esos dos loci y
luego sumar los valores de θ entre los marcadores, ya que los valores de θ
entre los pares de marcadores muy cercanos es una buena aproximación de la
distancia genética entre ellos. Utilizando este método, se ha medido la
distancia genética de un genoma humano completo y, curiosamente, se ha
observado que difiere entre ambos sexos. Cuando se mide en la meiosis
femenina, la distancia genética del genoma humano es alrededor de un 60%
mayor (≈4.596 cM) que cuando se mide en la meiosis masculina (2.868 cM), y
esta diferencia en función del sexo coincide y es uniforme en cada autosoma.
La distancia genética promedio en función del sexo de todo el genoma
humano haploide, que se estima que contiene alrededor de 3,3 mil millones
de pares de bases de DNA, o ≈3.300 Mb (v. cap. 2), es de 3.790 cM, con un
promedio de alrededor de 1,15 cM/Mb. Se desconoce la razón para el mayor
número observado de recombinaciones por unidad de longitud de DNA en
las mujeres, aunque puede pensarse que tiene relación con la mayor
oportunidad de entrecruzamiento que proporciona el gran número de años
en que los precursores de los gametos femeninos permanecen en meiosis I
antes de la ovulación (v. cap. 2).
Las mediciones comparadas de recombinación entre los marcadores
genéticos separados por 1 Mb o más proporcionan una proporción bastante
constante entre la distancia genética y la distancia física de alrededor de 1
cM/Mb. Sin embargo, cuando la recombinación se mide a una resolución
mucho mayor, como entre marcadores espaciados menos de 100 kb, la
recombinación por unidad de longitud deja de ser uniforme y puede variar
más de cuatro órdenes de magnitud (0,01 a 100 cM/Mb). Cuando se analiza a
una escala de unas pocas decenas de kilopares de bases de DNA, la relación
lineal aparente entre la distancia física en pares de bases y la recombinación
entre los marcadores polimórficos situados a una distancia de millones de
pares de bases de DNA es, de hecho, el resultado de promediar los
denominados puntos calientes de recombinación intercalados entre las
regiones de poca o nula recombinación. Los puntos calientes ocupan sólo
alrededor del 6% de la secuencia en el genoma y todavía suponen alrededor
del 60% de toda la recombinación meiótica en el genoma humano. La base
biológica de estos puntos calientes de recombinación se desconoce. El
impacto de esta falta de uniformidad de la recombinación al analizarla con
alta resolución se comenta a continuación, al abordar el fenómeno de
desequilibrio de ligamiento.
Desequilibrio de ligamiento
Suele suceder que los alelos en dos loci no muestren ninguna fase preferida
en la población si los loci están ligados, pero a una distancia de 0,1-1 cM o
más. Por ejemplo, supongamos que los loci 1 y 2 están a 1 cM de distancia.
Supongamos, además, que el alelo A está presente en el 50% de los
cromosomas en una población y el alelo a en el otro 50% de los cromosomas,
DrBurgos
415
mientras que en el locus 2, un alelo de susceptibilidad a la enfermedad S está
presente en el 10% de los cromosomas y el alelo protector s lo está en el 90%
(fig. 10-7). Debido a que la frecuencia del haplotipo A-S, frec(A-S), es
simplemente el producto de las frecuencias de los dos alelos—frec(A) × frec(S)
= 0,5 × 0,1 = 0,05, se dice que los alelos están en equilibrio de ligamiento (v.
fig. 10-7A). Es decir, las frecuencias de los cuatro haplotipos posibles, A-S, As, a-S y a-s, se deducen directamente de las frecuencias alélicas de A, a, S y s.
FIGURA 10-7 Tablas que demuestran cómo las mismas frecuencias
alélicas pueden dar lugar a distintas frecuencias haplotípicas indicativas de
equilibrio de ligamiento, desequilibrio de ligamiento intenso o desequilibrio
de ligamiento parcial.
A, Cuando existe equilibrio de ligamiento, las frecuencias haplotípicas son las
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416
esperadas a partir del producto de las frecuencias alélicas relevantes. B, Los loci
1 y 2 se localizan muy cerca entre sí, y los alelos en estos loci muestran un
desequilibrio de ligamiento intenso. El haplotipo A-S está ausente y a-s es menos
frecuente (0,4 en lugar de 0,45) en comparación con lo que sería de esperar por
las frecuencias alélicas. C, Los alelos en los loci 1 y 2 muestran desequilibrio de
ligamiento parcial. Los haplotipos A-S y a-s están infrarrepresentados en
comparación con lo que sería previsible según las frecuencias alélicas. Obsérvese
que las frecuencias alélicas de A y a en el locus 1 y de S y s en el locus 2 son las
mismas en las tres tablas; es la forma en la que los alelos se distribuyen en
haplotipos (mostrada en las cuatro celdas centrales de la tabla) lo que difiere.
Sin embargo, al examinar los haplotipos que implican a loci que están muy
juntos, observamos que conocer las frecuencias alélicas de estos loci
individualmente no nos permite predecir las cuatro frecuencias de haplotipos.
La frecuencia de cualquiera de los haplotipos, frec(A-S), por ejemplo, puede
que no sea igual al producto de las frecuencias de los alelos individuales que
componen ese haplotipo; en este caso, frec(A-S) ≠ frec(A) × frec(S), y se dice
que los alelos están en desequilibrio de ligamiento (DL). La desviación
(«delta») entre las frecuencias esperadas y reales de los haplotipos se
denomina D y se calcula con la fórmula:
D ≠ 0 es equivalente a decir que los alelos están en DL, mientras que D = 0
significa que los alelos están en equilibrio de ligamiento.
En las figuras 10-7B y 10-7C se muestran ejemplos de DL. Supongamos que
se descubre que todos los cromosomas que portan el alelo S también tienen el
alelo a, mientras que ninguno tiene el alelo A (v. fig. 10-7B). Entonces, se dice
que el alelo S y el alelo a están en DL completo. En un segundo ejemplo,
supongamos que el haplotipo A-S está presente sólo en el 1% de los
cromosomas de la población (v. fig. 10-7C). El haplotipo A-S tiene una
frecuencia muy por debajo de lo que cabría esperar en función de las
frecuencias de los alelos A y S en la población general, y D <0, mientras que el
haplotipo a-S tiene una frecuencia mucho mayor de lo esperado y D >0. Dicho
de otro modo, los cromosomas que portan el alelo de susceptibilidad S tienen
una mayor presencia del alelo a a expensas del alelo A, en comparación con
los cromosomas que portan el alelo s protector. Hay que tener en cuenta, sin
embargo, que las frecuencias de los alelos individuales no se han modificado;
sólo difiere la forma en la que se distribuyen en los haplotipos, y esto es lo
que determina si hay DL.
El desequilibrio de ligamiento tiene causas biológicas e
históricas
¿Por qué se produce el DL? Cuando el alelo de una enfermedad entra por
primera vez en una población (por mutación o por inmigración de un
fundador portador del alelo de la enfermedad), el conjunto de alelos en loci
DrBurgos
417
polimórficos ligados (es decir, sinténicos) al locus de enfermedad constituye
un haplotipo contenedor de enfermedad, en el que se sitúa el alelo
responsable de la enfermedad (fig. 10-8). El grado de persistencia en el
tiempo de este haplotipo contenedor de enfermedad original depende en
parte de la probabilidad de que la recombinación saque el alelo de
enfermedad del haplotipo original y lo meta en cromosomas con un conjunto
diferente de alelos en esos loci ligados. La rapidez con que la recombinación
trasladará el alelo de enfermedad a un nuevo haplotipo depende de varios
factores:
• El número de generaciones y, por tanto, el número de oportunidades de
recombinación desde que la mutación apareció por primera vez.
• La frecuencia de recombinación por generación entre los loci. Cuanto
menor sea el valor de θ, mayor será la probabilidad de que el haplotipo que
contiene la enfermedad permanezca intacto.
• Los procesos de selección natural a favor o en contra de determinados
haplotipos. Si una combinación de haplotipo está sometida a selección
positiva (por lo que se transmite preferentemente) o negativa (por lo que se
transmite con menos facilidad), estará sobrerrepresentada o
infrarrepresentada en esa población.
FIGURA 10-8 A, A cada generación, la recombinación meiótica intercambia los
alelos que, al inicio, estaban presentes en los loci polimórficos de un cromosoma
en el que surgió una mutación asociada a una enfermedad () con otros alelos
presentes en el cromosoma homólogo. A lo largo de muchas generaciones, los
únicos alelos que permanecen en fase de acoplamiento con la mutación son los
situados en loci tan cercanos al locus mutante que una recombinación entre ellos
es muy rara. Esos alelos están en desequilibrio de ligamiento con la mutación y
constituyen un haplotipo asociado a la enfermedad. B, Los individuos afectados
en la generación actual (flechas) son portadores de la mutación (X) en
desequilibrio de ligamiento con el haplotipo asociado con la enfermedad
(individuos indicados en color azul). En función de la antigüedad de la mutación y
de otros factores genéticos poblacionales, por lo general un haplotipo asociado
DrBurgos
418
con una enfermedad abarca una región del DNA que va de unos pocos kb a unos
pocos cientos de kb. Véase Créditos de figuras.
Medición del desequilibrio de ligamiento
Aunque la discrepancia, D, entre las frecuencias esperadas y observadas de
los haplotipos es útil desde el punto de vista conceptual, no es una buena
manera de cuantificar el DL, porque varía no sólo con el grado de DL, sino
también con las propias frecuencias alélicas. Por tanto, para cuantificar los
diferentes grados de DL, los genetistas suelen usar una medida derivada de D
denominada D’ (v. cuadro). D’ va desde 0, valor que indica un equilibrio de
ligamiento, hasta un máximo de ±1, que indica un DL muy intenso. Como el
DL se debe no sólo a la distancia genética, sino también al intervalo de tiempo
durante el que puede ocurrir la recombinación y a los posibles efectos de la
selección a favor o en contra de haplotipos particulares, es posible que
poblaciones distintas que vivan en ambientes diferentes y con diferentes
historias puedan tener valores distintos de D’ entre el mismo par de alelos en
el mismo loci en el genoma.
y F es un factor de corrección que ayuda a explicar las frecuencias alélicas.
El valor de F depende de si la propia D es un número positivo o negativo.
Los grupos de alelos forman bloques definidos por el
desequilibrio de ligamiento
El análisis de mediciones pareadas de D’ para variantes próximas,
especialmente polimorfismos de un único nucleótido (SNP), a lo largo del
genoma muestra una compleja arquitectura genética para el DL. Los SNP
contiguos pueden agruparse en grupos o clusters de distintos tamaños, en los
que los SNP presentes en un determinado grupo muestran un alto grado de
DrBurgos
419
DL entre ellos, pero no con los SNP fuera de ese grupo (figura 10-9). Por
ejemplo, los nueve loci polimórficos en el grupo 1 (v. fig. 10-9A), cada uno de
los cuales contiene dos alelos, puede generar 29 = 512 haplotipos diferentes;
no obstante, únicamente cinco haplotipos constituyen el 98% de todos los
haplotipos presentes. Los valores absolutos de |D’| entre los SNP dentro del
grupo se sitúan muy por encima del 0,8. Los grupos de loci con alelos que
presentan un DL elevado en segmentos de tan sólo unas pocas kilobases
hasta unas cuantas docenas de kilobases se denominan bloques de DL.
FIGURA 10-9 A, Región de 145 kb del cromosoma 4, que contiene 14
polimorfismos de un único nucleótido (SNP). En el grupo 1, que contiene los SNP
DrBurgos
420
del 1 al 9, cinco de los 29 = 512 haplotipos teóricamente posibles son
responsables del 98% de todos los haplotipos en la población, lo que refleja la
existencia de un significativo desequilibrio de ligamiento (DL) entre esos loci de
los SNP. De manera análoga, en el grupo 2 sólo tres de los 24 = 16 haplotipos
teóricamente posibles en los SNP del 11 al 14 representan el 99% de todos los
haplotipos encontrados. Por el contrario, se verifica que los alelos en el SNP 10
están en equilibrio de ligamiento con los SNP en el grupo 1 y 2. B, Diagrama
esquemático, en el que cada casilla roja contiene la medida, par a par, del grado
de DL entre dos SNP (p. ej., la flecha señala a la casilla delineada en negro que
contiene el valor de D’ para los SNP 2 y 7). Cuanto más elevado es el grado de
desequilibrio de ligamiento, más oscuro es el color de la casilla, y el valor máximo
de D’ = 1,0 se alcanza cuando el desequilibrio de ligamiento es total. Se detectan
dos bloques de desequilibrio de ligamiento. El primero contiene los SNP del 1 al 9,
y el segundo, del 11 al 14. Entre los bloques, la región de 14 kb que contiene el
SNP 10 no muestra desequilibrio de ligamiento con los SNP vecinos 9 y 11, ni con
ningún otro locus de SNP. C, Gráfica de la razón entre la distancia genética y la
física (cM/Mb), que muestra un punto caliente de recombinación en la región
situada entre el SNP 10 y el grupo 2, con valores de recombinación que son 50-60
veces superiores al promedio de alrededor de 1,15 cM/Mb para el genoma. Véase
Créditos de figuras.
El tamaño de un bloque de DL que incluye alelos en un conjunto particular
de loci polimórficos no es el mismo en todas las poblaciones. Las poblaciones
africanas tienen bloques más pequeños, de un promedio de 7,3 kb por bloque
en el genoma, comparados con los 16,3 kb de los europeos. Los bloques de los
chinos y los japoneses tienen bloques de un tamaño parecido e intermedio
entre europeos y africanos, de 13,2 kb. Esas diferencias en el tamaño de los
bloques se debe, con casi seguridad, al menor número de generaciones
transcurridas desde la fundación de las poblaciones no africanas comparadas
con éstas, lo que ha limitado el tiempo durante el cual ha existido la
oportunidad para recombinaciones que rompan regiones de DL.
¿Existe una base biológica para los bloques de DL o son simplemente
fenómenos genéticos que reflejan la historia humana (y del genoma)? Parece
que la biología contribuye a la estructura de bloques de DL porque los límites
entre bloques de DL a menudo coinciden con los puntos calientes de
recombinación meiótica, descritos anteriormente (v. fig. 10-9C). Estos puntos
calientes de recombinación romperían cualquier haplotipo que los abarcase
en dos haplotipos más cortos con mayor rapidez que la media, lo que daría
lugar a un equilibrio de ligamiento entre los SNP situados a cada lado del
punto caliente. La correlación no es en absoluto exacta, y muchos límites
aparentes entre bloques de DL no se encuentran en puntos calientes de
recombinación evidentes. Esta falta de correlación perfecta no debería
resultar sorprendente, dado lo que ya suponemos sobre el DL: se afecta no
sólo por la probabilidad de un evento de recombinación (es decir, por la
localización de los puntos calientes), sino también por la edad de la
población, la frecuencia de los haplotipos presentes originariamente en los
miembros fundadores de esa población, y si se ha producido selección
positiva o negativa para haplotipos particulares.
DrBurgos
421
Mapeo de los genes humanos causantes
de enfermedades
¿Por qué mapear los genes causantes de
enfermedades?
En medicina clínica, una enfermedad se define por una serie de hallazgos
fenotípicos observados en un paciente o grupo de pacientes. Una enfermedad
se designa como «genética» y, por tanto, se infiere la existencia de un gen
responsable de causar o de contribuir a la enfermedad después de un análisis
genético detallado, aplicando los principios establecidos en los capítulos 7 y
8. Sin embargo, suponer de este modo la existencia de un gen o genes no nos
indica cuál de los 40.000-50.000 genes codificantes y no codificantes posibles
del genoma es el responsable, cuál podría ser la función de ese gen o genes, o
cómo ese gen causa o contribuye a la enfermedad.
Mapear los genes causantes de enfermedades suele ser un primer paso
crucial para la identificación del gen o genes cuyas variantes son responsables
de causar la susceptibilidad a la enfermedad o de aumentarla. Mapear un gen
es centrarse en el estudio de una región del genoma en la que realizar un
análisis sistemático de todos sus genes para encontrar las mutaciones o
variantes que contribuyen a la enfermedad. Una vez que se identifica el gen
que contiene las variantes de DNA responsables de causar una enfermedad
mendeliana o de aumentar la susceptibilidad a una enfermedad
genéticamente compleja, se puede estudiar todo el espectro de variación de
ese gen. De este modo, se puede determinar el grado de heterogeneidad
alélica, la penetrancia de diferentes alelos, si existe una correlación entre
ciertos alelos y diversos aspectos del fenotipo (correlación genotipo-fenotipo),
así como la frecuencia de las variantes causantes de enfermedades o de
predisposición a ellas, en diversas poblaciones.
Otros pacientes con enfermedades iguales o similares se pueden analizar
para ver si son portadores o no de mutaciones en el mismo gen, lo que
indicaría la existencia de heterogeneidad de locus para una enfermedad
particular. Una vez que el gen y las variantes en dicho gen se identifican en
los individuos afectados, se pueden ofrecer a los pacientes y sus familias
métodos altamente específicos de diagnóstico, como el diagnóstico prenatal y
la detección de portadores.
A continuación, las variantes asociadas con la enfermedad pueden
modelarse en otros organismos, lo que nos permite utilizar potentes
herramientas genéticas, bioquímicas y fisiológicas para comprender mejor
cómo se produce la enfermedad. Por último, una vez que se comprende la
función del gen y el modo en el que los alelos asociados con la enfermedad
afectan a esa función, podemos empezar a desarrollar tratamientos
específicos, incluido el tratamiento sustitutivo de genes, para prevenir o
DrBurgos
422
mejorar la enfermedad. De hecho, gran parte del contenido de los próximos
capítulos sobre etiología, patogenia, mecanismo y tratamiento de diversas
enfermedades empieza con el mapeo de genes. En este capítulo, se analizan los
principales métodos utilizados para descubrir los genes implicados en las
enfermedades genéticas, como se indicó al principio de este capítulo.
Mapeo de los genes humanos mediante análisis
de ligamiento
Determinación del ligamiento entre dos loci
El análisis de ligamiento es un método para mapear los genes que utiliza los
estudios de recombinación en familias para determinar si dos genes muestran
ligamiento cuando pasan de una generación a la siguiente. Se utiliza
información del patrón de herencia mendeliana conocida o sospechada
(dominante, recesiva, ligada al X) para determinar qué individuos de una
familia han heredado un cromosoma recombinante o no recombinante.
Para decidir si dos loci están ligados y, si esto es así, a qué distancia están
uno de otro, nos basamos en dos fuentes de información. En primer lugar,
utilizando los datos de la familia disponibles, se debe estimar θ, que es la
frecuencia de recombinación entre los dos loci, porque su valor nos dirá su
grado de cercanía o de lejanía. A continuación, se debe determinar si θ difiere
de manera estadísticamente significativa de 0,5, porque determinar si dos loci
están ligados es equivalente a preguntar si la fracción de recombinación entre
ellos difiere significativamente de la fracción 0,5 esperada para loci no
ligados. La estimación de θ y, simultáneamente, la determinación de la
significación estadística de cualquier desviación de θ respecto a 0,5 se basa en
una herramienta estadística denominada razón de verosimilitudes (likelihood
ratio), que se describe más adelante en este capítulo.
El análisis de ligamiento comienza con un conjunto de datos familiares
reales con N individuos. Basándose en un modelo de herencia mendeliana, se
cuenta el número de cromosomas, r, que muestran recombinación entre los
alelos causantes de la enfermedad y los alelos en varios loci polimórficos en el
genoma (los denominados «marcadores»). Por tanto, el número de
cromosomas que no muestran recombinación es N – r. La fracción de
recombinación θ se puede considerar que es la probabilidad desconocida (con
cada meiosis) de que se produzca una recombinación entre los dos loci; por
consiguiente, la probabilidad de que no se produzca una recombinación es 1
– θ. Debido a que cada meiosis es un suceso independiente, se multiplica la
probabilidad de una recombinación (θ) o de la ausencia de recombinación (1
– θ) para cada cromosoma. La fórmula para la probabilidad de observar este
número de cromosomas recombinantes y no recombinantes cuando se
desconoce θ es {N!/r!(N − r)!}θr (1 − θ)(N−r). (El término factorial, N!/r!(N − r)!,
es necesario para explicar todos los órdenes posibles al nacimiento en los que
los hijos recombinantes y no recombinantes pueden aparecer en el árbol
DrBurgos
423
genealógico). Se calcula una segunda probabilidad basada en la hipótesis
nula de que los dos loci no están ligados, es decir, que θ = 0,50. La razón entre
la probabilidad de que los datos familiares apoyen la existencia de ligamiento
con una θ desconocida respecto a la probabilidad de que los loci no estén
ligados es la probabilidad (odds) a favor del ligamiento, y se calcula con la
siguiente fórmula:
Por fortuna, los términos factoriales son siempre los mismos en el
numerador y el denominador de la razón de verosimilitudes, por lo que se
cancelan entre sí y se pueden ignorar. Si θ = 0,5, el numerador y el
denominador son iguales, y la probabilidad es 1.
La teoría estadística nos dice que cuando se calcula el valor de la razón de
verosimilitudes para todos los valores de θ entre 0 y 0,5, el valor de θ que
tiene el mayor valor de dicha razón es, en efecto, la mejor estimación de la
fracción de recombinación que podemos obtener con los datos existentes, y se
denomina θmáx. Por convención, la razón de verosimilitudes calculada para
diferentes valores de θ suele expresarse como el log10 y se denomina
puntuación LOD (Z) (LOD proviene del inglés Logarithm of the ODds). El uso
del logaritmo permite que las razones de verosimilitud calculadas en
diferentes familias se combinen mediante una simple suma, en lugar de tener
que multiplicarlas entre sí.
¿Cómo se realiza en realidad el análisis de la puntuación LOD en familias
con enfermedades mendelianas? Volvamos a la familia mostrada en la figura
10-6, en la que la madre tiene una forma autosómica dominante de retinitis
pigmentosa (RP). Existen docenas de formas diferentes de esta enfermedad, y
para muchas de ellas se ha encontrado su sitio específico en el genoma y se
han identificado los genes correspondientes. Por lo general, cuando una
familia llama la atención clínica, no se sabe qué forma de retinitis pigmentosa
tiene un paciente. En esta familia, la madre también es heterocigota para dos
loci marcadores en el cromosoma 7, el locus 1 en el extremo distal de 7q y el
locus 2 en 7p14. Supongamos que sabemos (a partir de otros datos de la
familia), que el alelo patológico D está acoplado con el alelo A en el locus 1, y
el alelo B en el locus 2. Dada esta fase, puede observarse que se ha producido
recombinación entre RP y el locus 2 sólo en uno de sus ocho hijos (su hija II3). Sin embargo, los alelos en el locus de enfermedad no muestran una
DrBurgos
424
tendencia a seguir a los alelos del locus ni a los alelos de ninguno de los otros
cientos de loci marcadores evaluados en los otros autosomas. Por tanto,
aunque el locus RP implicado en esta familia podría haberse localizado en
cualquier lugar del genoma humano, ahora se empieza a sospechar,
basándose en los datos de ligamiento, que el locus RP responsable se sitúa en
la región del cromosoma 7 cercana al locus marcador 2.
Para obtener una estimación cuantitativa de esta sospecha, asumamos que
θ es la «verdadera» fracción de recombinación entre RP y el locus 2, es decir,
la fracción que encontraríamos si tuviéramos un número ilimitado de
descendientes que examinar. Por tanto, la razón de verosimilitudes para esta
familia es
y alcanza una puntuación LOD máxima de Zmáx = 1,1 con θmáx = 0,125.
El valor de θ con el que la razón de verosimilitudes es máxima, θmáx, puede
ser la mejor estimación que se puede realizar para θ dados estos datos, pero
cabe preguntarse cuál es el grado de exactitud de esta estimación. La
magnitud de la puntuación LOD permite evaluar la precisión de la
estimación de θmáx que se ha realizado. Por convención, una puntuación LOD de
+3 o mayor (equivalente a unas probabilidades de más de 1.000:1 a favor del
ligamiento) se considera una evidencia sólida de que dos loci están ligados, es decir,
que θmáx es diferente de 0,5 con significación estadística. En nuestro ejemplo de la
RP, 7/8 de la descendencia son no recombinantes y 1/8 son recombinantes. El
valor de θmáx es igual a 0,125, pero la puntuación LOD es sólo de 1,1,
suficiente para sospechar la existencia de ligamiento, pero insuficiente para
demostrarlo, porque Zmáx es muy inferior a 3.
Aná lisis de liga m ie nto de e nf e r m e da de s m e nde lia na s
El análisis de ligamiento se utiliza cuando existe un modo específico de
herencia (autosómico dominante, autosómico recesivo o ligado al X) que
explica el patrón de herencia.
El análisis de la puntuación LOD permite el mapeo de genes cuyas
mutaciones causan enfermedades que siguen una herencia mendeliana.
La puntuación LOD ofrece:
• Una estimación mejor de la frecuencia de recombinación, θmáx, entre un
locus marcador y el locus de la enfermedad.
• Una evaluación de la solidez de los indicios de ligamiento para el valor de
θmáx. Valores de la puntuación LOD superiores a 3 se consideran un fuerte
indicio.
El ligamiento con un valor concreto de θmáx entre el locus de un gen de
DrBurgos
425
una enfermedad y un marcador con una localización física conocida implica
que el locus del gen de la enfermedad ha de estar cerca del marcador. Cuanto
menor sea θmáx, más cerca estará el locus de la enfermedad del locus del
marcador ligado.
Combinando la información de la puntuación LOD (LOD score)
en las familias
Al igual que cada meiosis que genera hijos recombinantes o no recombinantes
en una familia es un acontecimiento independiente, en distintas familias
ocurre lo mismo. Por tanto, podemos multiplicar las probabilidades en el
numerador y el denominador de la razón de probabilidades de cada familia.
Supongamos que se estudian dos familias adicionales con RP y que una no
muestra recombinación entre el locus 2 y RP en cuatro hijos, y que en la otra
familia tampoco se observa dicha recombinación en cinco hijos. Las
puntuaciones LOD individuales pueden calcularse para cada familia y
después sumarse (tabla 10-1). Dado que la puntuación LOD máxima, Zmáx, es
mayor de 3 para θmáx = ≈0,06, el gen RP en este grupo de familias está ligado
al locus 2 a una distancia de recombinación de ≈0,06. Como se sabe que la
localización genómica del locus marcador 2 está en 7p14, podemos situar la
RP de esta familia en la región 7p14 y es probable que implique al gen RP9,
uno de los loci ya identificados de una forma de RP autosómica dominante.
Tabla 10-1
Puntuación LOD para tres familias con retinitis pigmentosa
El valor individual de Zmáx para cada familia se muestra en negrita. El valor global de Zmáx = 3,47 con θmáx =
0,06.
Sin embargo, si algunas de las familias del estudio tuvieran RP debida a
mutaciones en un locus diferente, las puntuaciones LOD entre familias serían
divergentes, y algunas mostrarían una tendencia a dar positivo con valores
pequeños de θ, mientras que otras darían una puntuación LOD fuertemente
negativa para esos valores. Por tanto, cuando el análisis de ligamiento abarca
a más de una familia, una heterogeneidad de locus insospechada puede
ocultar una evidencia real de ligamiento en un subconjunto de familias.
Árboles genealógicos con fase conocida y con fase desconocida
En el ejemplo de la RP que acaba de comentarse, se asumió que sabíamos la
fase de los alelos marcadores en el cromosoma 7 en la madre afectada de esa
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426
familia. Ahora veremos con más detalle cuáles son las implicaciones de
conocer cuál es la fase.
Consideremos la familia de tres generaciones con neurofibromatosis tipo 1
(NF1) autosómica dominante (Caso 34) de la figura 10-10. La madre afectada,
II-2, es heterocigota tanto para el locus NF1 (D/d) como para el locus
marcador (A/a), pero (como se muestra en la fig. 10-10A) no tenemos
información sobre el genotipo de sus progenitores. Los dos hijos afectados
han recibido los alelos A y el alelo de enfermedad D, y el no afectado ha
recibido el alelo a y el alelo normal d. Desconociendo la fase de estos alelos en
la madre, podemos decir que o los tres hijos son recombinantes, o los tres son
no recombinantes. Dado que ambas posibilidades tienen la misma
probabilidad si no se dispone de más información, consideraremos que la
fase en sus dos cromosomas es D-a y d-A la mitad de las veces y D-A y d-a la
otra mitad (lo que supone que los alelos en estos haplotipos están en
equilibrio de ligamiento). Para calcular la probabilidad total de este árbol
genealógico, a continuación sumamos la probabilidad calculada suponiendo
una fase en la madre con la probabilidad calculada suponiendo la otra fase.
Por tanto, la probabilidad global = ½θ0(1 − θ)3 + ½(θ3)(1 − θ)0 y la razón de
verosimilitudes para este árbol genealógico será:
FIGURA 10-10
Dos árboles genealógicos de la neurofibromatosis tipo 1,
autosómica dominante (NF1).
A, Se desconoce la fase del alelo de la enfermedad D y de los alelos marcadores
A y a en el individuo II-2. B, Al tener disponible la información genotípica de la
generación I, es posible determinar que el alelo de la enfermedad D y el alelo
marcador A están en acoplamiento en el individuo II-2. NR, no recombinante; R,
recombinante.
con una puntuación LOD máxima de Zmáx= 0,602 con θmáx = 0.
DrBurgos
427
Sin embargo, si disponemos de información adicional del genotipo del
abuelo materno I-1 (como en la fig. 10-10B), ahora se puede determinar que la
fase es D-A (es decir, el alelo D de la NF1 estaba acoplado con el A en el
individuo II-2). A la vista de esta nueva información, los tres hijos pueden
clasificase definitivamente como no recombinantes y ya no tenemos que
suponer la probabilidad de la fase opuesta. El numerador de la razón de
verosimilitudes se convierte en (1 − θ)3(θ0), y la puntuación LOD máxima, Zmáx
= 0,903 con θmáx = 0. Por tanto, conocer la fase aumenta la potencia de los
datos disponibles para analizar el ligamiento.
Mapeo de los genes humanos causantes de
enfermedad por el método de asociación
Diseño de un estudio de asociación
Una alternativa completamente distinta para identificar la contribución
genética a las enfermedades se basa en el hallazgo de determinados alelos que
se asocian con una enfermedad en una muestra de la población. A diferencia
del análisis de ligamiento, este método no depende de la existencia de un
patrón de herencia mendeliana, por lo que es más adecuado para descubrir
las contribuciones genéticas a enfermedades con herencia compleja (v. cap. 8).
La presencia de un alelo particular en un locus con una mayor o menor
frecuencia en los individuos afectados en comparación con los controles se
denomina asociación con la enfermedad. Existen dos diseños de estudio que
suelen utilizarse para los estudios de asociación:
• Estudios de casos y controles. Los individuos que tienen la enfermedad se
seleccionan en una población, después se selecciona un grupo
correspondiente de controles sin la enfermedad y se determinan los
genotipos de los individuos de los dos grupos, que se usan para elaborar
una tabla de dos por dos (v. después).
• Estudios transversales o de cohortes. Se escoge una muestra aleatoria de
toda la población y se analiza para determinar si tiene (transversal) o si,
después de un seguimiento a lo largo del tiempo, desarrolla (cohortes) una
enfermedad particular; se determinan los genotipos de todas las personas
en la población del estudio. Los números de los individuos con y sin la
enfermedad, así como con y sin el alelo (o genotipo o haplotipo) de interés
se usan para elaborar una tabla de dos por dos.
Odds ratios y riesgos relativos
Los dos tipos distintos de estudios de asociación describen la fuerza de la
asociación utilizando los valores de odds ratio o de riesgo relativo.
En un estudio de casos y controles, la frecuencia de un alelo o haplotipo
particular (p. ej., para un haplotipo del antígeno leucocítico humano [HLA] o
para un alelo con SNP o haplotipo con SNP particular) se compara entre los
individuos afectados y no afectados seleccionados, y a continuación se calcula
DrBurgos
428
la asociación entre la enfermedad y el genotipo en función del odds ratio
(OR).
*
Un marcador genético puede ser un alelo, un genotipo o un haplotipo.
Usando la tabla de dos por dos, la probabilidad (odds) de que el portador
de un alelo desarrolle la enfermedad es la razón (a/b), es decir, el número de
portadores del alelo que desarrollan la enfermedad (a) dividido entre el
número de portadores del alelo que no la desarrollan (b). De forma similar, la
probabilidad de que un no portador desarrolle la enfermedad es la razón
(c/d), es decir, el número de no portadores que desarrollan la enfermedad (c)
dividido entre el número de portadores que no desarrollan la enfermedad (d).
Por tanto, el odds ratio de la enfermedad es la razón de estas probabilidades.
Un valor de OR distinto de 1 significa que existe una asociación del riesgo
de enfermedad con el marcador genético, mientras que un OR = 1 significa
que no existe asociación.
De forma alternativa, si el diseño del estudio de asociación es de tipo
transversal o de cohortes, la fuerza de la asociación puede medirse mediante
el riesgo relativo (RR). El RR es la razón de la proporción de los individuos
que tienen la enfermedad y que portan un alelo particular ([a/(a + b)])
dividida entre la proporción de quienes no tienen la enfermedad y que son
portadores de dicho alelo ([c/(c + d)]).
De nuevo, un RR distinto de 1 significa que existe asociación del riesgo de
la enfermedad con el marcador genético, mientras que un RR = 1 significa que
no hay asociación. (No se debe confundir el riesgo relativo RR descrito aquí
con λr, la razón de riesgo en los familiares, definida en el cap. 8. La λr es la
DrBurgos
429
prevalencia de un determinado fenotipo de una enfermedad en los parientes
de un individuo afectado, frente a la prevalencia en la población general.)
Para las enfermedades raras (es decir, a < b y c < d), un diseño del estudio
de casos y controles con cálculo del OR es lo ideal, porque es poco probable
que cualquier muestra aleatoria de una población contenga un número
suficiente de individuos afectados que la hagan idónea para un diseño de
estudio transversal o de cohortes. Sin embargo, hay que señalar que cuando
una enfermedad es rara y el cálculo del OR en un estudio de casos y controles
es el único método práctico, el OR es una buena estimación del RR. (Al
analizar la fórmula del RR, se puede observar que, cuando a < b y c < d, (a + b)
≈ b y (c + d) ≈ d, por lo que RR ≈ OR.)
Un estudio de asociación proporciona dos tipos de información. El primero
es la propia magnitud de la asociación: cuanto más diverge el RR o el OR de
1, mayor es el efecto de la variante genética sobre la asociación. Sin embargo,
el OR o RR de una asociación es un parámetro estadístico y requiere una
prueba de su significación estadística. La significación de cualquier
asociación puede evaluarse verificando con una prueba de chi cuadrado si las
frecuencias del alelo (a, b, c y d en la tabla de dos por dos) difieren
significativamente de lo que se esperaría encontrar si no existiera asociación
(es decir, si el OR o el RR fuese igual a 1,0). Una forma habitual de expresar si
existe significación estadística para un OR o RR es proporcionar un intervalo
de confianza del 95% (o 99%). El intervalo de confianza es el rango en el que
sería de esperar que estuviese el OR o RR el 95% (o 99%) de las veces sólo por
azar en una muestra tomada de la población. Si un intervalo de confianza
excluye el valor 1,0, el OR o el RR se desvía significativamente de lo que sería
previsible si no existiera asociación con el locus marcador que se está
evaluando, y la hipótesis nula de ausencia de asociación se puede rechazar
con el nivel de significación correspondiente. (Más adelante en este capítulo
se explica por qué un nivel de 0,05 o 0,01 es inadecuado para evaluar la
significación estadística cuando se están analizando simultáneamente
múltiples loci marcadores en el genoma para determinar si existe asociación).
Para ilustrar estos métodos, en primer lugar consideraremos un estudio de
casos y controles de trombosis venosa cerebral (TVC), que se citó en el
capítulo 8. En este estudio, suponemos que en un grupo de 120 pacientes con
TVC y 120 controles pareados se determinó el genotipo para el alelo 20210G >
A en el gen de la protrombina (v. cap. 8).
TVC, trombosis venosa cerebral.
Dado que se trata de un estudio de casos y controles, se calcula el odds ratio:
OR = (23/4)/(97/116) = ≈6,9, con intervalo de confianza del 95% de 2,3-20,6.
Existe claramente una magnitud considerable del efecto de 6,9, y el rango del
DrBurgos
430
intervalo de confianza del 95% no incluye el valor 1,0, lo que demuestra que
existe una asociación fuerte y estadísticamente significativa entre el alelo 20210G > A
y la TVC. Dicho con palabras sencillas, los individuos portadores del alelo
20210G > A tienen una probabilidad casi 7 veces mayor de tener la
enfermedad que quienes no son portadores del mismo.
Para ilustrar un estudio de cohortes longitudinal en el que se pueda
calcular el RR, en lugar del OR, utilizaremos la miopatía inducida por
estatinas, una reacción adversa a fármacos rara, pero bien conocida, que se
puede desarrollar en algunos individuos durante el tratamiento con estatinas
para reducir el colesterol. En un estudio, los sujetos incluidos en un estudio
de protección cardíaca fueron asignados de forma aleatoria para recibir 40 mg
de la estatina simvastatina o placebo. En más de 16.600 participantes
expuestos a la estatina se determinó su genotipo para determinar la presencia
de una variante (Val174Ala) en el gen SLCO1B1, que codifica un
transportador de fármacos hepático, y se monitorizó si desarrollaban la
respuesta adversa al fármaco. Del grupo genotipado expuesto a la estatina, 21
personas desarrollaron miopatía. El análisis de sus genotipos mostró que el
RR para el desarrollo de la miopatía asociada con la presencia del alelo
Val174Ala es de alrededor de 2,6, con un intervalo de confianza del 95% de
1,3-5,1. Por tanto, en este caso hay una asociación estadísticamente significativa
entre el alelo Val174Ala y la miopatía inducida por estatinas; los portadores de este
alelo tienen un riesgo moderadamente mayor de desarrollar esta reacción
adversa respecto a quienes no son portadores
Un error habitual respecto a los estudios de asociación es pensar que
cuanto más significativo sea el valor de P, más fuerte será la asociación. De
hecho, un valor de P significativo para una asociación no proporciona
información acerca de la magnitud del efecto de un alelo asociado sobre la
susceptibilidad a la enfermedad. La significación es un parámetro estadístico
que describe la probabilidad de que la muestra de población utilizada para el
estudio de asociación pudiese haber dado lugar a un OR o RR observado
distinto de 1,0 simplemente por azar. Por el contrario, la magnitud real del
OR o del RR (cuánto se diferencia de 1,0) es una medida del impacto que una
variante (o genotipo o haplotipo) en particular tiene sobre el aumento o la
disminución de la susceptibilidad a la enfermedad.
Estudios de asociación del genoma completo
Mapa de haplotipos (HapMap)
Durante muchos años, los estudios de asociación para los genes de
enfermedades humanas se han limitado a conjuntos particulares de variantes
en grupos restringidos de genes escogidos por comodidad o porque se
pensaba que intervenían en una vía fisiopatológica relevante para una
enfermedad y, por lo tanto, parecían ser genes candidatos lógicos para la
enfermedad que se estaba investigando. Por consiguiente, muchos de estos
estudios de asociación se realizaron antes de la era del Proyecto Genoma
DrBurgos
431
Humano empleando loci del HLA o de los grupos sanguíneos, por ejemplo,
porque estos loci eran muy polimórficos y era fácil determinar su genotipo en
los estudios de casos y controles. Sin embargo, lo ideal sería poder evaluar
sistemáticamente la existencia de una asociación entre cualquier enfermedad
de interés y cada uno de las decenas de millones de alelos raros y comunes
presentes en el genoma de una manera imparcial y sin ninguna idea
preconcebida de qué genes y variantes genéticas podrían estar contribuyendo
a la enfermedad.
Los análisis de asociación a escala del genoma se denominan estudios de
asociación del genoma completo, o GWAS por su sigla en inglés (de
genome-wide association studies). Llevar a cabo esta tarea para todas las
variantes conocidas es poco práctico por muchas razones, pero puede
efectuarse una aproximación determinando el genotipo de los casos y
controles para tan sólo entre 300.000 y un millón de variantes individuales
situadas en todo el genoma, con el fin de buscar una asociación con la
enfermedad o rasgo en cuestión. El éxito de este método depende de que se
utilice el DL, porque, siempre que una variante responsable de modificar la
susceptibilidad a la enfermedad esté en DL con una o más de las variantes
genotipadas en un bloque de DL, se debería detectar una asociación positiva
entre dicha enfermedad y los alelos del bloque de DL.
El desarrollo de esta serie de marcadores propició la puesta en marcha del
Proyecto de Mapeo de Haplotipos (HapMap), uno de los mayores esfuerzos
en genómica humana después de la culminación del Proyecto Genoma
Humano. El Proyecto HapMap se inició en cuatro grupos geográficamente
distintos (una población principalmente europea, una población de África
occidental, una población china Han y una población de Japón) y consistió en
la recopilación y caracterización de millones de loci de SNP y el desarrollo de
métodos para determinar su genotipo de forma rápida y barata. Desde
entonces, la secuenciación del genoma completo se ha aplicado a muchas
poblaciones en el denominado Proyecto 1.000 Genomas, que ha dado lugar a
una expansión masiva de la base de datos de variantes de DNA disponibles
para GWAS con diferentes poblaciones de todo el mundo.
Mapeo génico mediante estudios de asociación
del genoma completo en rasgos complejos
La finalidad del HapMap no era sólo reunir información básica sobre la
distribución del DL en el genoma humano. Su objetivo principal era
proporcionar una herramienta nueva y potente para la búsqueda de las
variantes genéticas que contribuyen a las enfermedades humanas y otros
rasgos, permitiendo una aproximación a una asociación idealizada en la
totalidad del genoma completo. El principio rector en el que se basa este
enfoque es sencillo: la detección de una asociación con alelos situados en un bloque
de DL identifica con precisión la región genómica situada en ese bloque como una
zona donde probablemente se encuentre el alelo asociado a la enfermedad. Por
DrBurgos
432
consiguiente, aunque el método no suele identificar con precisión la variante
real que es responsable funcionalmente de la asociación con la enfermedad,
esta región será el lugar donde centrar los estudios adicionales para encontrar
la variante alélica que está funcionalmente implicada en el propio proceso de
la enfermedad.
Desde el punto de vista histórico, el análisis detallado de las enfermedades
asociadas con variantes de alta densidad en las regiones HLA de clase I y de
clase II (v. fig. 8-10) sirve de ejemplo de este método (v. cuadro). Sin embargo,
con las decenas de millones de variantes de las que se dispone en la
actualidad en diferentes poblaciones, este método puede ampliarse para
analizar la base genética de casi cualquier enfermedad compleja o rasgo. De
hecho, hasta el momento, miles de GWAS han puesto en evidencia un gran
número de variantes naturales asociadas con diversas enfermedades
multifactoriales genéticamente complejas, que van desde la diabetes y la
enfermedad intestinal inflamatoria a la artritis reumatoide y el cáncer, así
como con rasgos tales como la estatura y la pigmentación. En los próximos
años, se continuarán las investigaciones para descubrir la base biológica
subyacente de estas asociaciones.
Asocia ción e ntr e e l a ntíge no le ucocítico hum a no y
dive r sa s e nf e r m e da de s
Entre las más de mil asociaciones genoma-rasgo o genoma-enfermedad
conocidas en todo el genoma, la región con la mayor concentración de
asociaciones con diferentes fenotipos es la del antígeno leucocítico humano
(HLA). Además de la asociación de alelos y haplotipos específicos con la
diabetes tipo 1 comentada en el capítulo 8, se ha demostrado la asociación
de diversos polimorfismos del HLA con una amplia gama de enfermedades.
La mayoría de ellas son autoinmunitarias, es decir, se asocian con una
respuesta inmunitaria anormal dirigida aparentemente contra uno o más
autoantígenos. Se cree que estas asociaciones se relacionan con la variación
de la respuesta inmunitaria debida al polimorfismo de los genes de la
respuesta inmunitaria.
La base funcional de la mayoría de las asociaciones HLA-enfermedad se
desconoce. Las moléculas HLA son parte integral del reconocimiento de los
antígenos por los linfocitos T. Se cree que distintos alelos HLA polimórficos
dar lugar a la variación estructural de estas moléculas de la superficie
celular, lo que causa diferencias en la capacidad de las proteínas para
interactuar con el antígeno y el receptor del linfocito T en la iniciación de la
respuesta inmunitaria, lo que afecta a procesos tan cruciales como la
inmunidad contra las infecciones y la autotolerancia para evitar la
autoinmunidad.
Un ejemplo de esto es la espondilitis anquilosante, una enfermedad
inflamatoria crónica de la columna vertebral y de las articulaciones
sacroilíacas. Más del 95% de las personas con espondilitis anquilosante son
DrBurgos
433
HLA-B27 positivas; el riesgo de desarrollar espondilitis anquilosante es al
menos 150 veces mayor para las personas que tienen ciertos alelos HLA-B27
que para quienes no los tienen. Estos alelos provocan un plegamiento
inadecuado de la cadena pesada HLA-B27 y una presentación del antígeno
ineficaz.
En otras enfermedades, la asociación entre un alelo HLA o haplotipo
particular y una enfermedad no se debe a diferencias funcionales en los
propios genes de la respuesta inmunitaria, sino a que un alelo particular está
presente en una frecuencia muy alta en los cromosomas que también
contienen mutaciones causantes de enfermedad en otro gen de la región del
complejo principal de histocompatibilidad. Un ejemplo es la
hemocromatosis, una enfermedad frecuente por sobrecarga de hierro. Más
del 80% de los pacientes con hemocromatosis son homocigotos para una
mutación común, Cys282Tyr, en el gen de la hemocromatosis (HFE) y tienen
alelos HLA-A*0301 en su locus HLA-A. Sin embargo, la asociación no se debe
al alelo HLA-A*0301. El gen HFE interviene en el transporte o el metabolismo
del hierro en el intestino; el locus HLA-A, que participa en la respuesta
inmunitaria de clase I, no tiene efecto sobre el transporte de hierro. La
asociación se debe a la proximidad de los dos loci y al DL entre la mutación
Cys282Tyr del gen HFE y el alelo A*0301 en el locus HLA-A.
Errores en el diseño y el análisis de GWAS
Los métodos de asociación son herramientas potentes para localizar con
precisión los genes que contribuyen a las enfermedades genéticas, al
demostrar no sólo los genes, sino también los alelos responsables. Asimismo,
son relativamente fáciles de aplicar, puesto que sólo se necesitan muestras de
un grupo de personas afectadas no emparentadas y de controles, y no
requieren laboriosos estudios familiares ni la recogida de muestras de
muchos miembros de una genealogía.
Sin embargo, los estudios de asociación deben interpretarse con cautela.
Una limitación importante de estos estudios es el problema de la asociación
debida por completo a un artefacto causado por la estratificación de la
población (v. cap. 9). Cuando una población está estratificada en
subpoblaciones separadas (p. ej., por etnia o religión), y es raro que los
miembros de una subpoblación se emparejen con las demás, una enfermedad
que por alguna razón es más común en una subpoblación puede dar la
impresión (errónea) de estar asociada con algunos alelos que también son
más comunes en esa subpoblación que en la población general. Sin embargo,
la asociación ficticia debida a la estratificación puede ser minimizada por una
cuidadosa selección de los controles pareados. En particular, una forma de
control de calidad consiste en asegurarse de que los casos y los controles
tienen frecuencias similares de alelos cuyas frecuencias se sabe que difieren
en gran medida entre las poblaciones (marcadores informativos de
ancestralidad, como se comentó en el capítulo 9). Si las frecuencias
observadas en los casos y los controles son similares, es improbable que exista
DrBurgos
434
una estratificación no sospechada u oculta.
Además del problema de las asociaciones falsamente positivas debidas a la
estratificación, también pueden producirse resultados falsos positivos de los
GWAS si se aplica una prueba inapropiadamente laxa para determinar la
significación estadística. Esto se debe a que, a medida que el número de alelos
que se están evaluando para determinar la asociación con una enfermedad
aumenta, la posibilidad de encontrar asociaciones sólo por azar también se
incrementa, concepto que se denomina en estadística problema de evaluación
de hipótesis múltiples. Para entender por qué el valor de corte para la
significación estadística debe ser mucho más estricto cuando se están
evaluando varias hipótesis, imaginemos que lanzamos al aire una moneda 50
veces y se obtiene cara 40 de ellas. Este resultado muy infrecuente tiene una
probabilidad de producirse de tan sólo una de cada 100.000 veces,
aproximadamente. Sin embargo, si el mismo experimento se repite un millón
de veces, las probabilidades de que al menos en uno de los experimentos se
obtengan 40 o más caras es superior al 99,999%. Por tanto, incluso los eventos
raros que se deben únicamente al azar en un experimento se vuelven
frecuentes cuando el experimento se repite una y otra vez. Por este motivo,
cuando se evalúa la presencia de una asociación de cientos de miles o
millones de variantes en todo el genoma, decenas de miles de variantes
podrían aparecer asociadas con P <0,05 simplemente por azar, por lo que el
punto de corte típico de significación estadística de P <0,05 es demasiado bajo
para indicar una verdadera asociación. En cambio, un nivel de significación
de P <5 × 10-8 se considera más apropiado para un GWAS en el que se evalúan
cientos de miles o millones de variantes. Sin embargo, incluso con puntos de
corte apropiadamente estrictos para la significación a nivel del genoma
completo, todavía se producirán resultados falsamente positivos debidos
exclusivamente al azar. Para tener esto en cuenta, un GWAS realizado de
forma adecuada suele incluir un estudio de replicación en un grupo
diferente y completamente independiente de individuos para demostrar que
los alelos situados cerca del mismo locus están asociados. No obstante, hay
que advertir que los alelos que muestran asociación pueden ser diferentes en
grupos étnicos distintos.
Por último, se debe subrayar que si se encuentra una asociación entre una
enfermedad y un alelo marcador polimórfico que forme parte de un mapa de
haplotipos denso, no se puede inferir que ese alelo marcador tenga un papel
funcional en el aumento de la susceptibilidad a la enfermedad. Debido a la
naturaleza del DL, todos los alelos en DL con un alelo situado en un locus
implicado en la enfermedad mostrarán una asociación aparentemente
positiva, tanto si tienen una relevancia funcional en la predisposición a la
enfermedad como si no. Sin embargo, la asociación basada en el DL sigue
siendo muy útil, porque para que los alelos marcadores polimórficos
aparezcan asociados, los alelos marcadores polimórficos asociados
probablemente se sitúen dentro de un bloque de DL que también alberga el
locus real de la enfermedad.
DrBurgos
435
En el cuadro se presenta una comparación resumida de las características,
puntos fuentes y puntos débiles de los métodos de ligamiento y asociación
para el mapeo de los genes causantes de enfermedades.
DrBurgos
436
Del mapeo génico a la identificación de
genes
La aplicación del mapeo génico a la genética médica utilizando los métodos
descritos en la sección previa ha deparado muchos éxitos significativos. Esta
estrategia ha conducido a la identificación de genes asociados a miles de
trastornos mendelianos y a un creciente número de genes y alelos asociados
con trastornos genéticamente complejos. La potencia de estos métodos ha
aumentado en gran medida con la introducción de tecnologías muy eficientes
y más baratas de análisis del genoma.
En esta sección, describimos cómo los métodos genéticos y genómicos han
permitido la identificación de los genes implicados en dos trastornos, el
primero utilizando el análisis del ligamiento y el DL para delimitar la
localización del gen responsable de la fibrosis quística (CF), una enfermedad
autosómica recesiva frecuente (Caso 12) y el segundo utilizando el GWAS
para encontrar múltiples variantes alélicas en genes que incrementan la
susceptibilidad a la degeneración macular asociada a la edad (DMAE) (Caso
3), un grave trastorno que priva de la visión a los adultos mayores.
Com pa r a ción e ntr e los m é todos de liga m ie nto y de
a socia ción
Búsqueda del gen en una enfermedad mendeliana
frecuente mediante mapeo de ligamiento
Ejemplo: fibrosis quística
DrBurgos
437
La fibrosis quística (FC), debido a su frecuencia relativamente alta, sobre todo
en la población de raza blanca, y al desconocimiento casi total de las
anomalías subyacentes a su patogenia, constituyó un candidato importante
para identificar el gen responsable utilizando el ligamiento con el fin de
encontrar la localización del gen, en lugar de emplear cualquier información
sobre el propio proceso patológico. Se analizaron muestras de DNA de casi 50
familias con FC en busca de ligamiento entre la FC y cientos de marcadores
de DNA a lo largo del genoma, hasta que al fin se identificó un ligamiento
con marcadores situados en el brazo largo del cromosoma 7. El ligamiento
con marcadores adicionales de DNA en 7q31-q32 restringió la localización del
gen de la CF a una región de aproximadamente 500 kb del cromosoma 7.
Desequilibrio de ligamiento en la fibrosis quística
Sin embargo, en ese punto surgió una característica importante de la genética
de la fibrosis quística: aunque los marcadores ligados más cercanos estaban
todavía a cierta distancia del gen de la CF, se evidenció que existía un DL
significativo entre el locus de la enfermedad y un determinado haplotipo en
loci fuertemente ligados al locus de la enfermedad. Se analizaron las
secuencias génicas de las regiones con los mayores grados de DL, lo que
condujo al aislamiento del gen de la FC en 1989. Como se describe en detalle
en el capítulo 12, el gen responsable, denominado regulador de la
conductancia transmembrana de la fibrosis quística (CFTR), mostró un
interesante espectro de mutaciones. Se encontró una deleción de 3 pb (∆F508),
que elimina una fenilalanina en la posición 508 de la proteína, en alrededor
del 70% de todos los alelos mutantes de CF en las poblaciones del norte de
Europa, pero nunca en los alelos normales de ese locus. Aunque estudios
posteriores han demostrado que existen muchos cientos de alelos mutantes
CFTR en todo el mundo, se utilizó la alta frecuencia de la mutación ∆F508 en
las familias para mapear el gen de la fibrosis quística y el DL entre él y los
alelos de loci marcadores polimórficos cercanos, que tan útiles se han
mostrado para la identificación definitiva del gen CFTR.
La localización del locus de la CF y la clonación del gen CFTR han
posibilitado un amplio abanico de avances en la investigación y de
aplicaciones clínicas, desde la fisiopatología básica, el diagnóstico molecular
para el asesoramiento genético, el diagnóstico prenatal y los modelos
animales hasta los intentos que se realizan en la actualidad para el
tratamiento de la enfermedad (v. cap. 12).
Búsqueda de los genes que contribuyen a una
enfermedad compleja mediante asociación del
genoma completo
Ejemplo: degeneración macular asociada a la edad
La degeneración macular asociada a la edad (DMAE) es una enfermedad
DrBurgos
438
degenerativa progresiva de la porción de la retina responsable por la visión
central. Causa ceguera a 1,75 millones de norteamericanos mayores de 50
años. La enfermedad se caracteriza por la presencia de drusas, que son
depósitos extracelulares discontinuos y clínicamente visibles de proteínas y
lípidos detrás de la retina en la región de la mácula (Caso 3). Aunque hay una
amplia evidencia de una contribución genética a este trastorno, la mayoría de
los individuos con DMAE no pertenecen a familias en las que exista un
patrón probable de herencia mendeliana. La contribución del ambiente
también es importante, como lo muestra el aumento del riesgo de DMAE en
los fumadores comparados con los no fumadores.
Los primeros estudios de GWAS de casos y controles de la DMAE
revelaron una asociación de dos SNP frecuentes situados cerca del gen del
factor H del complemento (CFH). El haplotipo de riesgo más frecuente que
contiene estos alelos se observó en el 50% de los casos, frente a tan sólo un
29% en los controles (OR = 2,46; intervalo de confianza [IC] del 95%, 1,953,11). Se encontró la existencia de homocigosidad para este haplotipo en el
24,2% de los casos, frente a sólo un 8,3% de los controles (OR = 3,51; IC 95%,
2,13-5,78). Una búsqueda a lo largo de los SNP situados en el bloque de DL
que contiene el haplotipo asociado a DMAE reveló la presencia de un SNP no
sinónimo en el gen CFH en el que una tirosina se sustituía por una histidina
en la posición 402 de la proteína CFH (Tyr402His). La alteración Tyr402His,
que tiene una frecuencia alélica del 26-29% en poblaciones de raza blanca y
africanas, mostró una asociación incluso más fuerte con la DMAE que con los
dos SNP que mostraron una asociación en el GWAS original.
Dado que las drusas contienen factores del complemento y que se
encuentra CFH en los tejidos de la retina alrededor de las drusas, se piensa
que la variante Tyr402His protege menos contra la respuesta inflamatoria que
se considera responsable de la formación de drusas y del daño a la retina. Por
tanto, es probable que Tyr402His sea la variante del locus CFH responsable
de aumentar el riesgo de DMAE.
Un GWAS más reciente de la DMAE en el que se han usado más de 7.600
casos y más de 50.000 controles, así como millones de variantes del genoma
completo, ha revelado que los alelos en un mínimo de 19 loci se asocian con la
DMAE, con una significación del genoma completo de P <5 × 10−8. Una forma
habitual de resumir un GWAS en forma de gráfica es representar los niveles
de significación en una escala −log10 para cada variante asociada, en lo que se
denomina una «gráfica de Manhattan», porque se cree que presenta una
cierta similitud con el skyline de la ciudad de Nueva York (fig. 10-11). Los OR
para la DMAE de estas variantes oscilan de un máximo de 2,76 para un gen
de función desconocida (ARMS2) y 2,48 para CFH, a 1,1 para otros muchos
genes implicados en múltiples vías, incluido el sistema del complemento, la
aterosclerosis, la formación de vasos sanguíneos y otras.
DrBurgos
439
FIGURA 10-11 «Gráfica de Manhattan» de los estudios de asociación del
genoma completo (GWAS) de la degeneración macular asociada a la edad
utilizando alrededor de 1 millón de alelos con polimorfismo de un único
nucleótido (SNP) en el genoma completo localizados en los 22 autosomas
que se muestran en el eje x.
Cada punto azul representa la significación estadística (expresada como −log10(P)
y representada en el eje y), que confirma una asociación previamente conocida;
los puntos verdes son los que muestran significación estadística de asociaciones
nuevas. La discontinuidad en el eje y es necesaria porque algunas de las
asociaciones tienen valores de P extremadamente pequeños <1 × 10−16. Véase
Créditos de figuras.
En este ejemplo de DMAE, que es una enfermedad compleja, un GWAS
condujo a la identificación de SNP comunes y con fuerte asociación, que a su
vez se encontraban en desequilibrio de ligamiento con un SNP común
codificante en el gen que parece ser la variante funcional implicada en la
enfermedad. Ese descubrimiento, por su parte, llevó a la identificación de
otros SNP en la cascada del complemento y en otras regiones que también
pueden predisponer a la enfermedad o proteger contra ella. En conjunto, esos
resultados proporcionan indicios importantes de la patogenia de la DMAE y
sugieren que la vía del complemento puede ser una diana fructífera para
nuevas terapias. Igual de interesante es que el GWAS mostró que un nuevo
gen de función desconocida (ARMS2) también está implicado, lo que abre
una vía totalmente nueva de investigación en la patogenia de la DMAE.
Importancia de las asociaciones descubiertas con GWAS
Existe un intenso debate sobre la interpretación de los resultados de los
GWAS y su utilidad como herramienta para los estudios genéticos humanos.
Este debate surge principalmente de una interpretación errónea de lo que
significa el OR o el RR. Es cierto que muchos GWAS realizados correctamente
proporcionan asociaciones significativas, pero con una magnitud del efecto
muy modesta (similar al OR de 1,1 que acaba de mencionarse para la DMAE).
De hecho, las asociaciones significativas con una magnitud de efecto cada vez
menor se han vuelto más frecuentes a medida que se utilizan tamaños
muestrales cada vez mayores que permiten la detección de asociaciones del
genoma completo estadísticamente significativas con OR o RR cada vez más
DrBurgos
440
pequeños. Esto ha dado pie a que se sugiera que los GWAS son poco útiles
porque la magnitud del efecto de la asociación, medida mediante el OR o el
RR, es demasiado pequeña para el gen y la vía implicados por esa variante
para tener importancia en la patogenia de la enfermedad. Sin embargo, este
razonamiento es erróneo en dos aspectos.
En primer lugar, el OR es una medida del impacto de un alelo específico (p.
ej., el alelo CFH Tyr402His para la DMAE) sobre vías patogénicas complejas,
como la vía alternativa del complemento de la que forma parte el CFH. La
sutileza de ese impacto está determinada por el modo en el que el alelo altera
la función biológica del gen donde se localiza, y no por si el gen que alberga
ese alelo pudiera ser importante en la patogenia de la enfermedad. En los
trastornos autoinmunitarios, por ejemplo, los estudios de pacientes con varios
trastornos autoinmunitarios diferentes, como la artritis reumatoide, el lupus
eritematoso sistémico y la enfermedad de Crohn, muestran asociaciones
modestas, pero con algunas de las mismas variantes, lo que sugiere que hay
vías comunes que dan lugar a estas enfermedades distintas pero relacionadas,
que probablemente serán bastante esclarecedoras en los estudios de su
patogenia (v. cuadro).
En segundo lugar, aunque la magnitud del efecto de cualquier variante es
pequeña, los GWAS demuestran que muchos de estos trastornos son en
realidad extremadamente poligénicos, incluso más de lo que se había
sospechado, con miles de variantes, de las que la mayoría sólo tienen una
pequeña contribución (OR de entre 1,01 y 1,1) a la susceptibilidad a la
enfermedad por sí mismas, pero que, en conjunto, representan una
proporción considerable de la agrupación observada de estas enfermedades
en ciertas familias (v. cap. 8).
Aunque la constatación de la modesta magnitud del efecto para la mayoría
de los alelos detectada con GWAS es correcta, no tiene en cuenta un hallazgo
importante y quizás el más fundamental de estos estudios: la arquitectura
genética de algunas de las enfermedades complejas más frecuentes estudiadas hasta el
momento puede implicar a cientos o miles de loci que presentan variantes con un
efecto pequeño en muchos genes y vías. Estos genes y vías son importantes para
comprender cómo se producen las enfermedades complejas, aunque cada
alelo sólo ejerza efectos sutiles sobre la regulación génica o la función de
proteínas y tenga únicamente un efecto modesto sobre la susceptibilidad a la
enfermedad en función de cada alelo.
Por tanto, los GWAS siguen siendo una herramienta de investigación
importante en genética humana para dilucidar las numerosas contribuciones
a las enfermedades complejas, con independencia de si las variantes
individuales que se encuentran asociadas con la enfermedad aumentan o no
sustancialmente el riesgo de enfermedad en los individuos portadores de
dichos alelos (v. cap. 16). Es de esperar que muchas otras variantes genéticas
responsables de enfermedades complejas sean identificadas con éxito
mediante la asociación del genoma completo y que la secuenciación detallada
de las regiones que muestran asociaciones con enfermedades permita
DrBurgos
441
descubrir las variantes o grupos de variantes responsables desde el punto de
vista funcional de asociaciones con enfermedades. Estos hallazgos deberían
proporcionarnos importantes descubrimientos y posibles dianas terapéuticas
para muchas de las enfermedades comunes que causan una gran morbilidad
y mortalidad en la población.
DrBurgos
442
Búsqueda de genes responsables de
enfermedades mediante secuenciación del
genoma
Hasta ahora, en este capítulo nos hemos centrado en dos métodos para
localizar y después identificar los genes implicados en las enfermedades:
análisis de ligamiento y GWAS. Ahora, nos centraremos en un tercer método,
que implica la secuenciación directa del genoma de los individuos afectados,
sus progenitores y/o de otros individuos de la familia o de la población.
El desarrollo de métodos de secuenciación de DNA muy optimizados, que
ha reducido el coste de la secuenciación en seis órdenes de magnitud respecto
a lo que se gastó para elaborar la secuencia de referencia del Proyecto
Genoma Humano, ha abierto nuevas posibilidades para el descubrimiento de
los genes y las mutaciones responsables de enfermedades, sobre todo en el
caso de los trastornos mendelianos raros. Como se comentó en el capítulo 4,
las nuevas tecnologías permiten generar una secuencia del genoma completo
(WGS, whole-genome sequence) o, como alternativa rentable, la secuencia de
sólo alrededor del 2% del genoma que contiene los exones de los genes,
denominada secuencia del exoma completo (WES, whole-exome sequence).
Filtrado de los datos de la secuencia del genoma
completo o de la secuencia del exoma completo
para encontrar posibles variantes causantes de
enfermedades
Para ilustrar las posibilidades actuales, pondremos el ejemplo de un «trío»
familiar constituido por un niño afectado por una enfermedad rara y sus
progenitores. Se realiza un WGS en los tres, que muestra más de 4 millones
de diferencias en comparación con la secuencia de referencia del genoma
humano (v. cap. 4). ¿Cuál de estas variantes es la responsable de la
enfermedad? Para extraer la información útil a partir de esta cantidad ingente
de datos se requiere crear un esquema de filtrado de variantes basado en
varias suposiciones razonables sobre cuáles son las variantes que tienen más
probabilidades de ser las responsables de la enfermedad.
De l GWAS a l P he WAS
En los estudios de asociación del genoma completo (GWAS), se explora la
base genética de un determinado fenotipo, enfermedad o rasgo mediante la
búsqueda de asociaciones con grandes colecciones no sesgadas de
marcadores de DNA de todo el genoma. Es posible plantearse si esto se
DrBurgos
443
podría hacer a la inversa y si sería factible descubrir los posibles vínculos
fenotípicos asociados con variantes del genoma mediante la búsqueda de
asociaciones con grandes colecciones no sesgadas de fenotipos de todo el
«fenoma». Los resultados de este planteamiento parecen ser muy
prometedores por el momento.
En el método denominado estudios de asociación del fenoma completo
(PheWAS por sus siglas en inglés, de phenome-wide association studies), se
evalúa la asociación de las variantes genéticas, no sólo con un fenotipo
particular de interés (p. ej., la artritis reumatoide o la presión arterial sistólica
mayor de 160 mmHg), sino con todos los fenotipos y los valores de
laboratorio médicamente relevantes presentes en las historias clínicas
electrónicas (HCE). De este modo, es posible buscar asociaciones novedosas
e imprevistas de una manera no sesgada, utilizando algoritmos de búsqueda,
códigos de facturación y análisis de texto en documentos electrónicos,
métodos que cada vez están más disponibles en las historias clínicas en
muchos países.
Como ejemplo de este método, los SNP para un haplotipo HLA-DRB1
importante de clase II (como se ha descrito en el cap. 8) se evaluaron frente a
más de 4.800 fenotipos en las HCE de más de 4.000 pacientes; en este
PheWAS se detectó la asociación no sólo con la esclerosis múltiple (como era
de esperar a partir de estudios anteriores), sino también con la cirrosis
hepática inducida por alcohol, afecciones eritematosas como la rosácea,
diversas neoplasias benignas y varias docenas de otros fenotipos.
Aunque el potencial de los PheWAS está empezando a descubrirse, este
método de evaluación no sesgado de grandes conjuntos de datos clínicos
puede permitir el descubrimiento de enfermedades concurrentes
previamente no detectadas y/o efectos secundarios o interacciones
farmacológicas menos frecuentes en pacientes que reciben tratamientos
farmacológicos.
Un ejemplo de un esquema de filtrado que puede utilizarse para revisar
estas variantes se muestra en la figura 10-12.
1. Localización respecto a los genes codificantes de proteínas. Se mantienen las
variantes que están en los exones codificantes de proteínas o cerca de ellos y
se descartan las variantes situadas en el interior de intrones o en las regiones
intergénicas. Es posible, por supuesto, que la mutación responsable se sitúe
en un gen de RNA no codificante o en secuencias reguladoras localizadas a
cierta distancia de un gen, como se comentó en el capítulo 3. Sin embargo, en
la actualidad éstas son más difíciles de evaluar, por lo que, para simplificar,
es razonable centrarse inicialmente en los genes codificantes de proteínas.
2. Frecuencia en la población. Se mantienen las variantes raras del paso 1 y se
descartan las variantes comunes con frecuencias alélicas mayores de 0,05 (o
algún otro valor arbitrario entre 0,01 y 0,1), porque es muy improbable que
las variantes comunes sean responsables de una enfermedad cuya
prevalencia poblacional sea mucho menor que la q2 prevista por el equilibrio
DrBurgos
444
de Hardy-Weinberg (v. cap. 9).
3. Efecto perjudicial de la mutación. Se mantienen las variantes del paso 2 que
causen cambios sin sentido o no sinónimos en codones con exones, que
causen mutaciones con cambio de marco de lectura o que alteren sitios de
corte y empalme muy conservados, y se descartan los cambios sinónimos que
no tengan un efecto previsto sobre la función génica.
4. Concordancia con el patrón de herencia probable. Si se piensa que lo más
probable es que la enfermedad sea autosómica recesiva, se mantienen todas
las variantes del paso 3 que estén presentes en ambas copias de un gen en un
niño afectado. El niño no tiene por qué ser homocigoto para la misma
variante perjudicial, pero podría ser un heterocigoto compuesto para dos
mutaciones perjudiciales diferentes en el mismo gen (v. cap. 7). Si el supuesto
modo de herencia es correcto, los progenitores deberían ser heterocigotos
para las variantes. Si existiese consanguinidad entre los progenitores, los
genes candidatos y las variantes deberían filtrarse más con el requisito de que
el niño sea un homocigoto verdadero para la misma mutación derivada de un
único antepasado común (v. cap. 9). Si la enfermedad es grave y parece más
probable que se deba a una mutación de novo dominante, porque los
progenitores pocas veces o nunca tienen más de un hijo afectado, se
mantienen las variantes del paso 3 que sean cambios de novo y que no estén
presentes en ninguno de los progenitores.
DrBurgos
445
FIGURA 10-12 Esquema representativo del filtrado para reducir las millones de
variantes detectadas en la secuenciación del genoma completo de una familia
compuesta por dos progenitores no afectados y un hijo afectado, hasta conseguir
un número pequeño que pueda evaluarse para determinar su relevancia biológica
y patológica. El enorme número inicial de variantes se va cribando para conseguir
cantidades cada vez más pequeñas mediante la aplicación de filtros para eliminar
las variantes que son una causa improbable, suponiendo que las variantes de
interés probablemente se localizan cerca de un gen, interrumpen su función y son
infrecuentes. Cada gen candidato restante se evalúa a continuación para
determinar si las variantes de dicho gen se heredan de un modo que se ajuste al
patrón de herencia más probable de la enfermedad, si una variante aparece en un
gen candidato que tenga sentido biológico según el fenotipo del niño afectado y si
otros individuos afectados también tienen mutaciones en dicho gen. AR,
autosómica recesiva; mRNA, RNA mensajero.
En última instancia, se pueden filtrar millones de variantes hasta llegar a
DrBurgos
446
una cifra manejable en la que estén presentes en un número pequeño de
genes. Cuando el filtrado reduce el número de genes y alelos a una cantidad
manejable, se pueden evaluar otras características en ellos. En primer lugar,
¿tiene alguno de los genes una función o patrón de expresión tisular conocido
previsible si fuese el gen potencial responsable de la enfermedad? ¿Está
implicado el gen en otros fenotipos de enfermedad, o participa en vías con
otros genes cuyas mutaciones pueden causar fenotipos similares o diferentes?
Por último, ¿este mismo gen está mutado en otros pacientes con la
enfermedad? Si se encuentran mutaciones en uno de estos genes en otros
pacientes, se confirmaría que se trata del gen responsable en el trío original.
En algunos casos, un gen de la lista del paso 4 puede convertirse en el
principal candidato porque su implicación tiene sentido biológico o genético,
o porque se sabe que está mutado en otros individuos afectados. Sin
embargo, en otros casos el gen responsable puede ser totalmente imprevisto
por los datos biológicos, o puede que no esté mutado en otros individuos
afectados debido a heterogeneidad de locus (es decir, las mutaciones en otros
genes aún no descubiertos que pueden causar una enfermedad similar).
Estos análisis de variantes requieren un uso extenso de bases de datos
genómicas públicas y de herramientas informáticas, como la secuencia de
referencia del genoma humano, bases de datos de frecuencias alélicas,
programas informáticos que evalúan en qué grado puede ser perjudicial una
sustitución de aminoácido para la función génica, recopilaciones de
mutaciones causantes de enfermedades conocidas, así como bases de datos de
redes funcionales y vías biológicas. La enorme expansión de esta información
en los últimos años ha desempeñado un papel crucial a la hora de facilitar el
descubrimiento de genes causantes de enfermedades mendelianas raras.
Ejemplo: identificación del gen mutado en la disostosis
acrofacial postaxial
El método WGS que acaba de describirse se utilizó para estudiar una familia
en la que nacieron dos hermanos afectados por una malformación congénita
rara denominada disostosis acrofacial postaxial (DAP), cuyos padres no
estaban afectados ni tenían relación de consanguinidad. Los pacientes con
este trastorno tienen micrognatia, aplasia o hipoplasia de los dedos cubitales
de la mano, aplasia del cúbito, labio leporino y fisuras (colobomas) de los
párpados. Se pensó que el trastorno era autosómico recesivo porque los
progenitores de un niño afectado en otras familias son consanguíneos y hay
pocas familias como la de este ejemplo, en la que los progenitores no
afectados tengan varios hijos afectados (ambos hallazgos son datos
característicos de la herencia recesiva, v. cap. 7). Esta pequeña familia por sí
sola era claramente inadecuada para un análisis de ligamiento. En su lugar, se
realizó la secuenciación y el análisis del genoma completo de sus cuatro
miembros.
Partiendo de una lista inicial de más de 4 millones de variantes y
suponiendo que la enfermedad tiene una herencia autosómica recesiva en
DrBurgos
447
ambos niños afectados, un esquema de filtrado similar al descrito
previamente dio lugar a tan sólo cuatro genes posibles. Uno de ellos,
DHODH, también presentaba una mutación conocida en otros dos pacientes
con DAP no emparentados, lo que confirmó que este gen era responsable de
la enfermedad en estas familias. El gen DHODH codifica la dihidroorotato
deshidrogenasa, una enzima mitocondrial implicada en la biosíntesis de
pirimidina, y no se sospechaba que fuese el gen responsable de este síndrome
malformativo a partir de los datos biológicos.
Aplicaciones de la secuencia del genoma
completo o de la secuencia del exoma completo
en contextos clínicos
Desde que la aplicación del WGS o del WES a las enfermedades mendelianas
raras se describiese por primera vez en 2009, se han estudiado muchos cientos
de estos trastornos y se han encontrado las mutaciones responsables en más
de 300 genes causantes de enfermedad no identificados previamente. Aunque
el método de secuenciación del genoma puede pasar por alto ciertas
categorías de mutación que son difíciles de detectar rutinariamente tan sólo
con la secuenciación (p. ej., deleciones o variantes del número de copias) o
que son difíciles o imposibles de reconocer con nuestros conocimientos
actuales (p. ej., mutaciones no codificantes o mutaciones reguladoras en
regiones intergénicas), muchos grupos han descrito una tasa de éxito de hasta
el 25-40% a la hora de identificar una mutación causal. Estos descubrimientos
pueden proporcionar información útil no sólo para el asesoramiento genético
de las familias implicadas, sino que también pueden aportar información
para el manejo clínico y el posible desarrollo de tratamientos eficaces.
Es previsible que la tasa de éxito de este método aumente a medida que los
costes de la secuenciación continúen disminuyendo y que nuestra capacidad
de interpretar las probables consecuencias funcionales de los cambios de
secuencia del genoma mejore.
DrBurgos
448
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P r oble m a s
1. En un estudio se descubrió que el locus de la enfermedad de Huntington
está estrechamente ligado a un polimorfismo del DNA en el cromosoma 4.
Sin embargo, en ese mismo estudio se descartó el ligamiento entre esa
enfermedad y el locus del polimorfismo de los grupos sanguíneos MNS,
que también se sitúan en el cromosoma 4. ¿Cómo lo explica?
2. Se analizaron las puntuaciones LOD (Z) entre un polimorfismo en el locus
de la α-globina en el brazo corto del cromosoma 16 y una enfermedad
autosómica dominante en una serie de familias británicas y holandesas, con
los siguientes datos:
Zmáx = 25,85 para θmáx = 0,05
¿Cómo interpretaría esos datos? ¿Por qué el valor de Z es −∞ para θ = 0?
En un estudio posterior, también se investigó a una gran familia siciliana
DrBurgos
450
con lo que parecía la misma enfermedad para el ligamiento de la αglobina, con los siguientes resultados:
¿Cómo interpretaría los datos de este segundo estudio?
3. Este árbol genealógico se obtuvo de un estudio diseñado para determinar si
una mutación en el gen de la γ−cristalina, una de las principales proteínas
del cristalino del ojo, puede ser responsable de una forma autosómica
dominante de catarata. Los símbolos rellenos en el árbol genealógico
indican los miembros de la familia con cataratas. Las letras indican tres
alelos en el locus polimórfico de la γ−cristalina en el cromosoma 2. Si
examina cada persona afectada que ha traspasado la catarata a sus hijos,
¿cuántas de ellas representan una meiosis informativa para el ligamiento
entre la catarata y la γ−cristalina? ¿En qué individuos está la fase conocida
entre la mutación de la catarata y los alelos de la γ−cristalina? ¿Existe
alguna meiosis en la que debe haber ocurrido un entrecruzamiento para
explicar los datos? ¿Qué concluiría acerca del ligamiento entre la catarata y
la γ−cristalina a partir de este estudio? ¿Qué estudios adicionales deberían
llevarse a cabo para confirmar o rechazar la hipótesis?
4. El siguiente árbol genealógico muestra un ejemplo del diagnóstico
molecular del síndrome de Wiskott-Aldrich, una inmunodeficiencia ligada
al X, mediante un polimorfismo del DNA ligado con una distancia física de
aproximadamente 5 cM entre el locus polimórfico y el gen del síndrome de
Wiskott-Aldrich.
a. ¿Cuál es la fase probable en la madre portadora? ¿Cómo lo determinaría?
¿Qué diagnóstico haría usted con respecto al diagnóstico prenatal actual
si se tratara de un feto varón?
El abuelo materno está ahora disponible para las pruebas de DNA y
DrBurgos
451
muestra el alelo B en el locus ligado.
b. ¿Cómo afecta este hallazgo en la determinación de la fase en la madre?
¿Qué diagnóstico haría ahora con respecto al diagnóstico prenatal actual?
5. Revise el árbol genealógico de la figura 10-10B. Si la abuela no afectada (I-2)
hubiese sido una heterocigota A/a, ¿sería posible determinar la fase en el
progenitor afectado (individuo II-2)?
6. En el siguiente árbol genealógico, que corresponde a una familia con
hemofilia A ligada al cromosoma X, ¿se puede determinar la fase del gen
mutante del factor VIII (h) y del alelo normal (H) respecto a los alelos
polimórficos M y m en la madre de los dos niños varones afectados?
DrBurgos
452
Árbol genealógico de la hemofilia ligada al X. El abuelo afectado en la
primera generación tiene la enfermedad (alelo mutante h) y el alelo M en
un locus polimórfico en el cromosoma X.
7. Calcule D′ para las tres posibilidades indicadas en la figura 10-7.
8. Los cálculos del riesgo relativo se utilizan para los estudios de cohortes y
no para los de casos y controles. Con el fin de demostrar los motivos de
esto, imagine un estudio de casos y controles para evaluar el efecto de una
variante genética sobre la susceptibilidad a la enfermedad. El investigador
ha evaluado a todos los individuos afectados (a + c) como ha sido posible y
después ha escogido de forma arbitraria un grupo de (b + d) controles. Se
analiza su genotipo para ver si hay una variante presente: a/(a + c) de los
afectados tienen la variante, mientras que b/(b + d) de los controles tienen la
variante.
Enfermedad presente Enfermedad ausente
DrBurgos
453
Variante presente a
Variante ausente c
a+c
b
d
b+d
Calcule el odds ratio (OR) y el riesgo relativo (RR) para la asociación entre la
presencia de la variante y la presencia de la enfermedad.
Ahora, imagine que el investigador decidiese utilizar el triple de individuos
no afectados, 3 × (b + d), y de controles. El investigador está en su derecho de
hacerlo, porque se trata de un estudio de casos y controles, y los números de
personas afectadas y no afectadas no están determinados por la prevalencia
de la enfermedad en la población estudiada, como sí sucedería en un estudio
de cohortes. Suponga que la distribución de la variante es igual en este grupo
control que en el grupo control más pequeño, que es 3b/[3 × (b + d)] = b/(b +
d) de portadores del alelo.
Enfermedad presente Enfermedad ausente
Variante presente a
3b
Variante ausente c
3d
a+c
3 × (b + d)
Vuelva a calcular el OR y RR con este nuevo grupo control. Haga lo mismo
cuando un grupo control arbitrario tenga un tamaño n veces mayor que el
grupo control original, es decir, que el tamaño del grupo control sea n × (b +
d).
¿Qué parámetro, OR o RR, no cambia cuando se utilizan grupos control de
tamaño distinto elegidos de forma arbitraria?
DrBurgos
454
C A P Í T U L O 11
DrBurgos
455
Bases moleculares de las
enfermedades genéticas
Principios generales y lecciones
aprendidas de las hemoglobinopatías
El término enfermedad molecular, introducido hace más de seis décadas, hace
referencia a trastornos que se deben básicamente a una alteración, ya sea
heredada o adquirida, que afecta a uno o varios genes, su estructura y/o su
expresión. En este capítulo, primero se describen los mecanismos genéticos y
bioquímicos básicos subyacentes a las enfermedades monogénicas. A
continuación, se ilustran en el contexto de sus consecuencias moleculares y
clínicas, utilizando como ejemplos las enfermedades hereditarias que afectan
a la hemoglobina (las hemoglobinopatías). Este repaso de los mecanismos se
ampliará en el capítulo 12 para incluir otras enfermedades genéticas que
ilustran principios adicionales de la genética en medicina.
Una enfermedad genética se produce cuando una alteración en el DNA de
un gen esencial cambia la cantidad y/o la función de los productos génicos,
por lo general el RNA mensajero (mRNA) y la proteína, pero en ocasiones
RNA no codificantes (ncRNA) específicos con funciones estructurales o
reguladoras. Aunque casi todas las enfermedades monogénicas conocidas se
producen a consecuencia de mutaciones que afectan a la función de una
proteína, se conocen algunas excepciones a esta regla, como las enfermedades
debidas a mutaciones de genes de ncRNA, incluyendo los genes de
microRNA (miRNA) que regulan genes diana específicos, y los genes
mitocondriales que codifican RNA de transferencia (tRNA) (v. cap. 12). Es
esencial comprender una enfermedad genética a los niveles molecular y
bioquímico, porque este conocimiento constituye la base para un tratamiento
racional. En este capítulo, centraremos nuestra atención exclusivamente en
enfermedades causadas por defectos en genes codificantes de proteínas; el
estudio del fenotipo a nivel de las proteínas, la bioquímica y el metabolismo
constituye la disciplina de la genética bioquímica.
En 2014, la versión en Internet de Mendelian Inheritance in Man recogía más
de 5.500 fenotipos para los que se conocía la base molecular, en gran medida
con una herencia autosómica y ligada al cromosoma X. Aunque es
impresionante que se haya encontrado el defecto molecular básico en tantos
trastornos, es preciso señalar que no se conoce la fisiopatología completa de
ninguna enfermedad genética. La anemia falciforme (Caso 42), que se expone
más adelante en este capítulo, es uno de los trastornos hereditarios mejor
DrBurgos
456
caracterizados, pero su conocimiento es incompleto a pesar de que fue la
primera enfermedad molecular reconocida, hace más de 65 años.
DrBurgos
457
Cómo afectan las mutaciones a la función
proteica
Las mutaciones que afectan a genes codificantes de proteínas causan
enfermedad a través de cuatro posibles efectos distintos sobre la función de
las proteínas (fig. 11-1). Con mucha diferencia, la consecuencia más frecuente
de una mutación es la pérdida de función de la proteína mutante. No
obstante, muchos trastornos relevantes se producen mediante otros
mecanismos: ganancia de función; adquisición de una nueva propiedad por
la proteína mutante y expresión de un gen en un momento inadecuado
(expresión heterocrónica) y/o en un lugar incorrecto (expresión ectópica).
FIGURA 11-1 Esquema general de los mecanismos a través de los que las
mutaciones causantes de enfermedad dan lugar a las enfermedades.
Las mutaciones en la región codificante causan la aparición de proteínas
estructuralmente anómalas que muestran una pérdida o ganancia de función, o
bien propiedades nuevas, que dan origen a la enfermedad. Las modificaciones en
las secuencias no codificantes son de dos tipos generales: las que alteran la
estabilidad o el empalme del RNA mensajero (mRNA) y las que alteran los
elementos reguladores o modifican la dosis génica. Las mutaciones en los
elementos reguladores alteran la abundancia del mRNA, el período de tiempo
durante el que se expresa el gen o el tipo de célula en el que se expresa. Las
modificaciones en la región codificante o en los dominios reguladores pueden
reducir la cantidad de la proteína producida. PHHF, persistencia hereditaria de la
hemoglobina fetal.
Mutaciones con pérdida de función
DrBurgos
458
La pérdida de función de un gen puede producirse como consecuencia de
alteraciones en sus secuencias codificantes, reguladoras o críticas por
cualquier circunstancia, debido a sustituciones de nucleótidos, deleciones,
inserciones o reordenamientos. Son ejemplos de pérdida de función por
deleción con reducción de dosis génica las α-talasemias (Caso 44),
producidas sobre todo por deleciones de los genes de la α-globina (v. más
adelante); las enfermedades originadas por pérdida de cromosomas (Caso
27), como las monosomías (p. ej., el síndrome de Turner) (v. caps. 5 y 6)
(Caso 47), y las mutaciones somáticas adquiridas (frecuentemente son
deleciones) que se producen en genes supresores tumorales en muchos tipos
de cáncer, como el retinoblastoma (Caso 39) (v. cap. 15). Hay otros muchos
tipos de mutaciones que también pueden causar una pérdida completa de la
función y pueden ilustrarse con las β-talasemias (Caso 44) (v. más adelante),
un grupo de hemoglobinopatías producidas por reducción de β-globina, una
de las hemoglobinas más importantes de los glóbulos rojos de individuos
adultos.
La gravedad de una enfermedad producida por mutaciones con pérdida de
función se correlaciona en general con la intensidad de dicha pérdida de
función. En muchos casos, la existencia incluso de una pequeña función
residual de la proteína mutante puede reducir en gran medida la gravedad de
la enfermedad.
Mutaciones con ganancia de función
Las mutaciones también pueden potenciar una o más funciones normales de
una proteína. Sin embargo, en los sistemas biológicos más no significa
necesariamente mejor, y se puede producir una enfermedad. Es clave
determinar cuándo una enfermedad se debe a una mutación con ganancia de
función, debido a que el tratamiento va a ser necesariamente distinto del de
los trastornos originados por otros mecanismos, tal como las mutaciones con
pérdida de función. Las mutaciones con ganancia de función pueden ser de
dos tipos generales:
• Mutaciones que incrementan la producción de una proteína normal.
Algunas mutaciones causan enfermedades al incrementar la síntesis de una
proteína normal en células en las que dicha proteína está presente. Las
mutaciones más comunes de este tipo se deben a un incremento de la dosis
génica, que suele deberse a la duplicación de parte o de todo un
cromosoma. Como se comenta en el capítulo 6, el ejemplo clásico es la
trisomía 21 (síndrome de Down), que se debe a la presencia de tres copias
del cromosoma 21. Otros ejemplos importantes de enfermedades debidas al
incremento en la dosificación de genes únicos son una forma de
enfermedad de Alzheimer familiar, debida a una duplicación del gen de la
proteína precursora del amiloide (βAPP, amyloid precursor protein) (v. cap.
12), y la enfermedad degenerativa del sistema nervioso periférico de
Charcot-Marie-Tooth tipo 1A (Caso 8), que se origina generalmente por
DrBurgos
459
una duplicación de un solo gen: el gen de la proteína 22 de la mielina
periférica (PMP22).
• Mutaciones que aumentan una función normal de una proteína.
Raramente una mutación en la región codificante puede incrementar la
capacidad de las moléculas de proteína para realizar una o más de sus
funciones normales, a pesar de alterar la actividad fisiológica global de las
mismas. Por ejemplo, las mutaciones de cambio de sentido que dan lugar a
la hemoglobina Kempsey, que bloquea la hemoglobina en su estado de alta
afinidad con el oxígeno reduciendo el intercambio del gas en los tejidos.
Otro ejemplo de este fenómeno se produce en la forma de estatura corta de
la acondroplasia (Caso 2).
Mutaciones con aparición de propiedades nuevas
En algunas enfermedades, un cambio en la secuencia de aminoácidos confiere
a la proteína una propiedad nueva sin que necesariamente se alteren sus
funciones normales. Un ejemplo clásico es la anemia falciforme (Caso 42),
que se detallará más adelante en este capítulo y que se debe a la sustitución
de un aminoácido que no tiene efecto sobre la habilidad de la hemoglobina
falciforme para transportar oxígeno. Sin embargo, al contrario que la
hemoglobina normal, las cadenas de la hemoglobina falciforme se agregan
cuando están desoxigenadas y forman fibras poliméricas anormales que
deforman los eritrocitos. No es sorprendente que estas mutaciones de
propiedad nueva sean infrecuentes, ya que la mayoría de sustituciones de
aminoácidos son neutras o alteran la función o la estabilidad de una proteína
que ha sido conformada con precisión por la evolución.
Mutaciones asociadas a expresión génica
heterocrónica o ectópica
Una clase importante de mutaciones son las que provocan una expresión
inadecuada del gen en el tiempo o en el lugar. Estas mutaciones se producen
en las regiones reguladoras del gen. Por tanto, el cáncer se produce a menudo
como consecuencia de un gen que normalmente induce la proliferación
celular (un oncogén) en células en las que el gen no suele expresarse (v. cap.
15). Algunas mutaciones en elementos reguladores de la hemoglobina
originan una expresión en adultos del gen de la γ-globina, que se suele
expresar con valores elevados sólo en la vida fetal. Estas mutaciones en el gen
de la γ-globina producen un fenotipo benigno denominado persistencia
hereditaria de la hemoglobina fetal (Hb F), que se describe más adelante en
este capítulo.
DrBurgos
460
Cómo alteran las mutaciones la formación
de proteínas biológicamente normales
Las alteraciones de las funciones normales de una proteína debidas a los
diversos tipos de mutaciones esbozados previamente pueden ejemplificarse
por la amplia gama de enfermedades debidas a mutaciones en los genes de la
globina, que se analizarán en la segunda parte de este capítulo. Para sintetizar
una proteína con actividad biológica (como la molécula de hemoglobina), la
información debe ser transcrita desde la secuencia de nucleótidos del gen al
mRNA y, a continuación, traducida a un polipéptido, que después sufrirá
etapas progresivas de maduración (v. cap. 3). Las mutaciones pueden alterar
cualquiera de estos pasos (tabla 11-1). Como se verá a continuación, las
anomalías en cinco de estas fases quedan ilustradas por diversas
hemoglobinopatías; el resto queda ejemplificado por enfermedades que se
exponen en el capítulo 12.
Tabla 11-1
Las ocho etapas en las que las mutaciones pueden alterar la
producción de una proteína normal
LDL, lipoproteína de baja densidad; mRNA, RNA mensajero.
DrBurgos
461
Relación entre genotipo y fenotipo en la
enfermedad genética
Las variaciones en el fenotipo clínico observado en una enfermedad
hereditaria pueden tener tres posibles explicaciones genéticas:
• heterogeneidad alélica,
• heterogeneidad de locus, o
• efecto de genes modificadores.
Cada uno de estos tipos puede ilustrarse por mutaciones de los genes de la
α-globina o de la β-globina (tabla 11-2).
Tabla 11-2
Tipos de heterogeneidad asociados con enfermedades genéticas
Heterogeneidad alélica
La heterogeneidad genética se debe en la mayoría de los casos a la existencia
de múltiples alelos en un único locus, situación que se ha denominado
heterogeneidad alélica (v. cap. 7 y tabla 11-1). En muchos casos, existe una
correlación genotipo-fenotipo manifiesta entre un alelo específico y un
fenotipo específico. La explicación más habitual del efecto de la
heterogeneidad alélica sobre el fenotipo clínico es el hecho de que los alelos
que dan lugar a una función residual mayor en la proteína mutante se
asocian a menudo a una forma más leve del fenotipo principal asociado con
la enfermedad. No obstante, en otros casos los alelos que se acompañan de
una cierta función residual de la proteína se asocian solamente a uno o unos
pocos de los fenotipos que se pueden observar en las situaciones de alelo
ausente o totalmente no funcional (que suele denominarse alelo nulo). Como
se verá con más detalle en el capítulo 12, esta situación es frecuente en ciertas
variantes del gen de la fibrosis quística (CFTR); estas variantes dan lugar a
una situación diferente desde el punto de vista fenotípico, la ausencia
congénita del conducto deferente, pero no a las demás manifestaciones de la
fibrosis quística.
DrBurgos
462
Una segunda explicación de la variación del fenotipo relacionada con los
alelos es el hecho de que dicha variación puede reflejar la propiedad
específica de la proteína más alterada por la mutación. Esta situación queda
bien ilustrada por la hemoglobina Kempsey, un alelo de la β-globina que
mantiene la hemoglobina en una estructura de afinidad elevada por el
oxígeno, lo que causa policitemia, porque el sistema hematopoyético
interpreta erróneamente la disminución del aporte periférico de oxígeno
como si se debiera a una producción insuficiente de eritrocitos.
Las consecuencias bioquímicas y clínicas de una mutación específica en una
proteína suelen ser impredecibles. Por tanto, nadie podría haber previsto que
el alelo de la β-globina asociado con la anemia falciforme daría lugar a la
formación de polímeros de globina que deforman los eritrocitos y constituyen
una célula falciforme (v. después en este capítulo). La anemia falciforme es
muy inhabitual porque se debe sólo a una única mutación específica
(sustitución Glu6Val en la cadena de la β-globina), mientras que la mayoría
de los fenotipos pueden surgir por una sustitución cualquiera entre unas
pocas o muchas posibles (por lo general, mutaciones con pérdida de función)
de la proteína afectada.
Heterogeneidad de locus
La heterogeneidad genética también se produce cuando las mutaciones en
más de un locus pueden dar lugar a un trastorno clínico específico, una
situación que se ha denominado heterogeneidad de locus (v. cap. 7). Este
fenómeno quedó ilustrado por el descubrimiento de que la talasemia puede
producirse por mutaciones en la cadena de la β-globina o la α-globina (v.
tabla 11-2). Una vez que se ha documentado una situación de heterogeneidad
de locus, la comparación detallada del fenotipo asociado a cada gen revela en
ocasiones que el fenotipo no es tan homogéneo como se suponía inicialmente.
Genes modificadores
En ocasiones, incluso las relaciones genotipo-fenotipo más sólidas no llegan a
manifestarse en un paciente específico. Esta variación fenotípica puede, en
principio, atribuirse a factores ambientales o al efecto de otros genes,
denominados genes modificadores (v. cap. 8). Hasta el momento, sólo se han
identificado unos pocos genes modificadores en las enfermedades
monogénicas del ser humano, aunque es previsible que habrá muchos
ejemplos a medida que nuestro conocimiento de las bases de la enfermedad
aumenten. Un ejemplo que se describe más adelante en este capítulo se
observa en los homocigotos para la β-talasemia (portadores de mutaciones en
el locus de la β-globina) que también heredan una variante de la α-talasemia
en el locus de la α-globina.
DrBurgos
463
Hemoglobinas
Para ilustrar con mayor detalle los conceptos introducidos en la primera
sección de este capítulo, ahora nos centraremos en los trastornos de las
hemoglobinas del ser humano (denominados hemoglobinopatías), que son
las enfermedades monogénicas más frecuentes en nuestra especie. Estas
enfermedades provocan una morbilidad considerable, y la Organización
Mundial de la Salud estima que más del 5% de la población mundial es
portadora de variantes genéticas de hemoglobinopatías con importancia
clínica. También son relevantes porque su patología molecular y bioquímica
tal vez sea la mejor conocida de cualquier otro grupo de enfermedades
genéticas. Antes de describir en profundidad las hemoglobinopatías, se deben
comentar brevemente los aspectos normales de los genes de la globina y la
biología de la hemoglobina.
Estructura y función de la hemoglobina
La hemoglobina es el transportador de oxígeno en los glóbulos rojos de los
vertebrados. Cada molécula de hemoglobina contiene cuatro subunidades:
dos cadenas de α-globina y dos cadenas de β- (o de tipo β-)globina. Cada
subunidad está compuesta de una cadena polipeptídica, la globina, y un
grupo prostético, el hemo, un pigmento que contiene hierro que se combina
con oxígeno y proporciona a la molécula su capacidad de transportar oxígeno
(fig. 11-2). La hemoglobina predominante en seres humanos adultos (Hb A)
tiene una estructura α2β2 en la que las cuatro cadenas están plegadas y
acopladas entre sí para formar un tetrámero globular.
DrBurgos
464
FIGURA 11-2 Estructura de una subunidad de la hemoglobina.
Cada subunidad tiene ocho regiones helicoidales que se designan de la A a la H.
Se muestran los dos aminoácidos más conservados: His 92, la histidina a la que
se enlaza de forma covalente el hierro del hemo, y Phe 42, la fenilalanina que
mantiene el anillo de porfirina del hemo dentro de su receptáculo en la proteína
plegada. Véanse en el texto la Hb Hammersmith y la Hb Hyde Park, que
presentan sustituciones en Phe42 y His92, respectivamente, en la molécula de la
β-globina.
Al igual que sucede con todas las proteínas muy conservadas a lo largo de
la evolución, la estructura terciaria de las globinas es constante; casi todas las
globinas tienen siete u ocho regiones helicoidales (dependiendo de la cadena)
(v. fig. 11-2). Las mutaciones que alteran esta estructura terciaria tienen
siempre consecuencias patológicas. Además, las mutaciones que sustituyen
un aminoácido muy conservado o que sustituyen a uno de los residuos no
polares, que constituyen el caparazón hidrofóbico (que impide al agua entrar
en el interior de la molécula), probablemente provoquen una
hemoglobinopatía (v. fig. 11-2). Como todas las proteínas, la globina tiene
áreas sensibles, donde no pueden producirse mutaciones sin afectar a su
función, y áreas no sensibles, donde las variaciones se toleran con más
facilidad.
DrBurgos
465
Genes de la globina
Además de la Hb A, con su estructura α2β2, existen otros cinco tipos de
hemoglobinas humanas normales, cada una con una estructura tetramérica
similar a la de la Hb A y consistente en dos cadenas α, o de tipo α, y dos
cadenas no α (fig. 11-3A). Los genes de las cadenas α y tipo α están
agrupados en una ordenación en tándem en el cromosoma 16. Hay que
señalar que hay dos genes idénticos de la α-globina, denominados α1 y α2, en
cada homólogo. Los genes de la globina β y tipo β, localizados en el
cromosoma 11, pertenecen a una familia estrechamente relacionada que,
como se describió en el capítulo 3, surgió sin ninguna duda de un gen
ancestral común (v. fig. 11-3A). Un dato que ilustra esta estrecha relación
evolutiva es que los genes de las β- y δ-globinas se diferencian sólo en 10 de
sus 146 aminoácidos.
DrBurgos
466
FIGURA 11-3 Organización de los genes de la globina humana y de las
hemoglobinas producidas en cada etapa del desarrollo humano.
A, Los genes de tipo α están en el cromosoma 16, y los de tipo β, en el
cromosoma 11. Las flechas curvadas indican los cambios en la expresión génica
durante el desarrollo. B, Desarrollo de la eritropoyesis en el feto y los lactantes
humanos. Se muestran los tipos celulares responsables de la síntesis de
hemoglobina, los órganos implicados y los tipos de cadena de globina sintetizados
en las etapas sucesivas. Véase Créditos de figuras.
Expresión de los genes de la globina y cambio de
la globina durante el desarrollo embrionario
La expresión de los diferentes genes de la globina cambia durante el
desarrollo, proceso denominado en ocasiones cambio de la globina (v. fig.
11-3B). Los genes de los grupos α- y β-globina están dispuestos en la misma
orientación transcripcional y es interesante destacar el hecho de que están
dispuestos en el mismo orden secuencial en el que se expresan de manera
cronológica durante el desarrollo. Los cambios temporales de la síntesis de la
globina se acompañan de cambios en la zona principal de la eritropoyesis (v.
fig. 11-3B). Por tanto, las tres globinas embrionarias se sintetizan en el saco
vitelino entre la tercera y la octava semanas de gestación, pero alrededor de la
quinta semana, la hematopoyesis empieza a desplazarse del saco vitelino al
hígado fetal. La Hb F (α2γ2) es la hemoglobina predominante durante toda la
vida fetal y constituye alrededor del 70% de toda la hemoglobina presente al
nacer. Sin embargo, en los adultos la Hb F representa menos de un pequeño
porcentaje del total de hemoglobina, aunque esto puede variar de menos del
1% a alrededor del 5% en distintos individuos.
La síntesis de cadenas β sólo adquiere importancia cerca del nacimiento, y
a los 3 meses de edad, casi toda la hemoglobina es del tipo adulto, es decir,
Hb A (α2β2) (v. fig. 11-3B). En las enfermedades debidas a mutaciones que
disminuyen la abundancia de la β-globina, como la β-talasemia (v. sección
posterior), las estrategias para aumentar la pequeña cantidad que suele haber
de γ-globina (y, por tanto, de Hb F, α2γ2) producida en adultos están teniendo
éxito para mejorar la enfermedad (v. cap. 13).
Regulación durante el desarrollo de la expresión
del gen de la β-globina: la región de control del
locus
El esclarecimiento de los mecanismos que controlan la expresión de los genes
de la globina ha aportado información sobre los procesos biológicos normales
y patológicos. La expresión del gen de la β-globina sólo está controlada
parcialmente por el promotor y por dos potenciadores en el RNA
inmediatamente adyacente (v. cap. 3). La necesidad crucial de elementos
DrBurgos
467
reguladores adicionales fue sugerida inicialmente por la identificación de un
grupo específico de pacientes que no mostraban la expresión genética de
ninguno de los genes del grupo de la β-globina, a pesar de que los genes en sí
mismos (incluyendo sus elementos reguladores individuales) estaban
intactos. Se observó que estos interesantes pacientes presentaban deleciones
de gran tamaño antes del complejo de la β-globina y que estas deleciones
eliminaban un dominio de aproximadamente 20 kb denominado región de
control del locus (LCR, del inglés locus control region), que comienza
aproximadamente a 6 kb en dirección 5’ del gen de la ɛ-globina (fig. 11-4).
Aunque la enfermedad resultante, la talasemia ɛγδβ, se describe más adelante
en este capítulo, estos pacientes demuestran que la LCR es necesaria para la
expresión de todos los genes del grupo de la β-globina.
FIGURA 11-4 Región de control del locus (LCR) de la β-globina.
Cada una de las cinco regiones de la cromatina expuesta (flechas) contiene varios
sitios de enlace de consenso para factores eritroides específicos y para factores
de transcripción ubicuos. No se conoce el mecanismo exacto por el que la LCR
regula la expresión del gen. También se muestra una deleción de la LCR que
produce la ɛγδβ-talasemia, expuesta en el texto. Véase Créditos de figuras.
La LCR se define por la presencia de cinco sitios hipersensibles a DNasa I
(v. fig. 11-4), unas regiones genómicas que están inusualmente abiertas a
ciertas proteínas (como la enzima DNasa I) que se usan experimentalmente
para revelar posibles sitios reguladores. En el contexto del empaquetamiento
epigenético de la cromatina (v. cap. 3), estos sitios configuran un estado
abierto de la cromatina en el locus en las células eritroides, cuyo papel es
mantener una configuración abierta de la cromatina en el locus, configuración
que ofrece a los factores de transcripción acceso a los elementos reguladores
que intermedian la expresión de cada uno de los genes del complejo de la βglobina (v. cap. 3). La LCR, junto con sus proteínas de unión a RNA
asociadas, interactúa con los genes del locus de la β-globina formando un
dominio nuclear denominado centro activo de la cromatina, que es el
compartimento en el que tiene lugar la expresión del gen de la β-globina. El
cambio secuencial de la expresión genética que se produce entre los cinco
miembros del complejo del gen de la β-globina durante el desarrollo se debe
a la asociación secuencial del centro activo de la cromatina con los diferentes
genes del grupo, a medida que el centro se desplaza desde el gen más
proximal del complejo (el gen de la ɛ-globina expresado en el embrión) hasta
los genes más distales (genes de las δ- y β-globina en los adultos).
La relevancia clínica de la LCR es triple. En primer lugar, tal como ya se ha
DrBurgos
468
mencionado, los pacientes que presentan deleciones de la LCR no expresan
los genes del grupo de la β-globina. En segundo lugar, posiblemente los
componentes de la LCR van a ser esenciales para la terapia génica (v. cap. 13)
de los trastornos del grupo de la β-globina, de modo que la copia terapéutica
normal del gen en cuestión se expresa en el momento adecuado en la vida y
en el tejido apropiado. Además, en tercer lugar, el conocimiento de los
mecanismos moleculares subyacentes al cambio de la globina pueden
permitir la estimulación de la expresión del gen de la γ-globina en los
pacientes con β-talasemia (que presentan mutaciones sólo en el gen de la βglobina) debido a que la Hb F (α2γ2) es un transportador eficaz de oxígeno en
los adultos que carecen de Hb A (α2β2) (v. cap. 13).
Dosis génica, expresión de las globinas durante
el desarrollo y enfermedad clínica
Las diferencias tanto en la dosis génica de las globinas α y β (cuatro genes de
α-globina y dos de β-globina por genoma diploide) y de sus patrones de
expresión durante el desarrollo son importantes para entender la patogenia
de muchas hemoglobinopatías. Es más probable que las mutaciones en el gen
de la β-globina causen enfermedades debido a que una sola mutación afecta
al 50% de las cadenas β, mientras que una mutación de la cadena α afecta sólo
al 25% de las cadenas α. Por otra parte, las mutaciones de la β-globina no
tienen consecuencias prenatales, porque la γ-globina es la principal globina
de tipo β antes del nacimiento, y la Hb F constituye el 75% de la hemoglobina
total a término (v. fig. 11-3B). Por el contrario, dado que las cadenas α son los
únicos componentes de tipo α entre todas las hemoglobinas existentes 6
semanas después de la concepción, las mutaciones de la α-globina causan
enfermedades graves, tanto en la vida fetal como en la posnatal.
DrBurgos
469
Hemoglobinopatías
Los trastornos hereditarios de la hemoglobina pueden clasificarse en los
siguientes tres grandes grupos, que se solapan en ocasiones:
• Variantes estructurales que alteran la secuencia de aminoácidos del
polipéptido de la globina, modificando propiedades como su capacidad de
transportar oxígeno o reduciendo su estabilidad. Ejemplo: anemia
falciforme (Caso 42), debida a una mutación que hace que la β-globina
desoxigenada sea relativamente insoluble, al cambiar la forma del eritrocito
(fig. 11-5).
• Talasemias, que son enfermedades secundarias a la disminución de la
abundancia de una o más cadenas de globinas (Caso 44). La disminución
puede deberse a la reducción de la producción de una cadena de globina o,
en menos ocasiones, a una variante estructural que desestabiliza la cadena.
El desequilibrio resultante en la proporción de cadenas α:β es la causa
subyacente de la fisiopatología de estas enfermedades. Ejemplo: mutaciones
del promotor que disminuyen la expresión del mRNA de la β-globina y
causan β-talasemia.
• Persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal. Este es un grupo de
enfermedades clínicamente benignas que alteran el cambio perinatal de
síntesis de γ-globina a β-globina. Ejemplo: una deleción observada en
afroamericanos que elimina los genes de la δ- y β-globina, pero que
provoca la expresión posnatal continuada de los genes de la γ-globina, para
producir Hb F, que es un transportador eficaz de oxígeno (v. fig. 11-3).
FIGURA 11-5 Imágenes de microscopia electrónica de barrido
correspondientes a los eritrocitos de un paciente con enfermedad
falciforme.
A, Los eritrocitos oxigenados son redondeados y presentan un aspecto lleno. B,
La forma falciforme clásica aparece únicamente cuando los eritrocitos están en un
estado de desoxigenación. Véase Créditos de figuras.
Variantes estructurales de la hemoglobina
La mayoría de las variantes de la hemoglobina se producen como resultado
de mutaciones puntuales en uno de los genes estructurales de la globina. Se
DrBurgos
470
han descrito más de 400 hemoglobinas anormales, y alrededor de la mitad de
las mismas tienen importancia clínica. Las variantes estructurales de la
hemoglobina pueden clasificarse en las siguientes tres clases, dependiendo
del fenotipo clínico (tabla 11-3):
• Variantes que causan anemia hemolítica, debido sobre todo a que hacen
inestable el tetrámero de la hemoglobina.
• Variantes con alteración del transporte de oxígeno, debido a una mayor o
menor afinidad por el oxígeno o a la formación de metahemoglobina, un
tipo de globina que no puede presentar una oxigenación reversible.
• Variantes debidas a mutaciones en la región codificante que causan
talasemia porque reducen la cantidad del polipéptido de la globina. La
mayor parte de estas mutaciones reduce la tasa de síntesis del mRNA o los
niveles de la proteína.
Tabla 11-3
Clases principales de las variantes estructurales de la hemoglobina
AD, autosómica dominante; AR, autosómica recesiva; Hb M, metahemoglobina; véase el texto.
*
Las variantes de la hemoglobina se denominan a menudo con el nombre de la ciudad donde se describió
el primer paciente.
†
Las variantes estructurales de la cadena β adicionales que causan β-talasemia se describen en la tabla
11-5.
Anemias hemolíticas
Hemoglobinas con nuevas propiedades físicas: anemia
falciforme
La hemoglobina falciforme tiene una gran importancia clínica en muchas
partes del mundo. La enfermedad se origina por una sustitución de un único
nucleótido que cambia el codón del sexto aminoácido de la β-globina de
ácido glutámico a valina (GAG → GTG: Glu6Val; v. tabla 11-3). La
homocigosidad para esta mutación es la causa de la anemia falciforme (Caso
DrBurgos
471
42). Esta enfermedad presenta una distribución geográfica característica. Es
más frecuente en África ecuatorial y menos en el área mediterránea, India y
los países a los que han migrado personas de esas zonas. Alrededor de 1 de
cada 600 afroamericanos nace con esta enfermedad, que puede ser mortal en
la primera infancia, aunque cada vez es más frecuente la supervivencia
prolongada.
Características clínicas
La anemia falciforme es una grave enfermedad hemolítica autosómica
recesiva que se caracteriza porque los glóbulos rojos presentan una
deformidad intensa (adoptan forma de hoz) en condiciones de presión de
oxígeno baja (v. fig. 11-5). Los heterocigotos, de los que se dice que tienen el
rasgo falciforme, suelen ser clínicamente normales, pero sus eritrocitos
pueden adquirir forma de hoz cuando se someten a una presión de oxígeno
muy baja in vitro. Las ocasiones en las que se dan estas condiciones son muy
raras, aunque parece que los heterocigotos presentan un riesgo incrementado
de infarto esplénico, en especial en altitudes elevadas (p. ej., en aviones con
una presión baja en la cabina) o cuando realizan ejercicio a niveles extremos
en competición. Cerca del 8% de los afroamericanos son heterocigotos, pero
en áreas donde la frecuencia del alelo falciforme (βS) es alta (p. ej., en la zona
occidental de África central), hasta el 25% de los recién nacidos son
heterocigotos.
Patología molecular de la Hb S
Hace casi 60 años, Ingram descubrió que la anomalía de la hemoglobina
falciforme era una sustitución de uno de los 146 aminoácidos en la cadena β
de la molécula de hemoglobina. Todas las manifestaciones clínicas de la
hemoglobina falciforme son consecuencia de este simple cambio en el gen de
la β-globina. El descubrimiento de Ingram fue la primera demostración de
que en cualquier organismo una mutación en un gen estructural podía causar la
sustitución de un aminoácido en la proteína correspondiente. Debido a que la
sustitución se localiza en la cadena β, la fórmula de la hemoglobina falciforme
es α2β2S o, de forma más precisa, αA2β2S. Un heterocigoto tiene una mezcla de
los dos tipos de hemoglobina, A y S, lo que se puede resumir como αA2β2A/
αA2β2S y un tetrámero de hemoglobina híbrida denominado αA2βAβS. Existe
una evidencia sólida que indica que la mutación falciforme surgió en África
occidental, pero que también se ha producido de forma independiente en
otras zonas. El alelo βS ha alcanzado una frecuencia elevada en áreas
palúdicas del mundo porque confiere protección contra el paludismo en
heterocigotos (v. cap. 9).
Adquisición de la forma de hoz y sus consecuencias
La patología molecular y celular de la anemia falciforme se resume en la
figura 11-6. Las moléculas de hemoglobina que contienen las subunidades de
β-globina mutantes son normales en cuanto a su habilidad para realizar su
DrBurgos
472
principal función de unirse al oxígeno (siempre que no se polimericen, tal
como se describe más adelante), pero en la sangre desoxigenada tienen sólo
una quinta parte de solubilidad que la hemoglobina normal. En condiciones
de baja tensión de oxígeno, esta relativa insolubilidad de la
desoxihemoglobina S hace que las moléculas de hemoglobina falciforme se
agreguen en polímeros con aspecto de bastones o fibras (v. fig. 11-5), que
distorsionan los eritrocitos α2β2S, dándoles un aspecto de hoz que impide su
deformación elástica al pasar individualmente en fila india a través de los
capilares, como hacen los eritrocitos normales, lo que bloquea el flujo
sanguíneo y causa isquemia local. También pueden alterar la membrana de
los eritrocitos (hemólisis) y liberar hemoglobina, que puede tener efectos
perjudiciales sobre la disponibilidad de vasodilatadores, como el óxido
nítrico, lo que agrava la isquemia.
FIGURA 11-6
Esquema de la patogenia de la anemia falciforme. Véase
Créditos de figuras.
Los genes modificadores determinan la gravedad clínica de la anemia
falciforme
Se sabe desde hace mucho tiempo que un modificador potente de la gravedad
clínica de la anemia falciforme es el nivel de Hb F (α2γ2) del paciente, de
modo que los niveles más altos se asocian con una morbilidad y mortalidad
menores. La base fisiológica del efecto favorable de la Hb F está clara: la Hb F
es un transportador de oxígeno perfectamente adecuado en la vida postnatal
y también inhibe la polimerización de la desoxihemoglobina S.
Sin embargo, hasta hace poco no estaba claro si la variación de la expresión
de la Hb F era hereditaria. Los estudios de asociación del genoma completo
(GWAS) (v. cap. 10) han demostrado que polimorfismos de un único
DrBurgos
473
nucleótido (SNP) en tres loci (el gen de la γ-globina y dos genes que codifican
factores de transcripción, BCL11A y MYB) suponen el 40-50% de la variación
en los niveles de Hb F en pacientes con anemia falciforme. Además, los SNP
asociados a Hb F también se asocian con los episodios clínicos dolorosos que
se atribuyen a la oclusión capilar causada por los eritrocitos falciformes (fig.
11-6).
Las variaciones causadas por mecanismos genéticos en los niveles de Hb F
también se asocian con la variación de la gravedad clínica de la β-talasemia
(se describe después) porque la menor abundancia de β-globina (y por tanto
de Hb A [α2β2]) en esa enfermedad se alivia parcialmente por niveles más
altos de γ-globina y, por tanto, de Hb F (α2γ2). El descubrimiento de estos
modificadores genéticos de la abundancia de Hb F no sólo explica gran parte
de la variación de la gravedad clínica de la anemia falciforme y la βtalasemia, sino que también pone de relieve un principio general comentado
en el capítulo 8: los genes modificadores pueden desempeñar un papel importante en
la determinación de la gravedad clínica y fisiológica de un trastorno monogénico.
BCL11A, un silenciador de la expresión del gen de la γ-globina en
células eritroides en adultos
La identificación de los modificadores genéticos de los niveles de Hb F, sobre
todo BCL11A, tiene un gran potencial terapéutico. El producto del gen
BCL11A es un factor de transcripción que normalmente silencia la expresión
de γ-globina, lo que desactiva la producción de Hb F después del nacimiento.
Por consiguiente, fármacos que suprimiesen la actividad de BCL11A tras el
nacimiento aumentarían la expresión de Hb F y podrían ser muy beneficiosos
para los pacientes con anemia falciforme y β-talasemia (v. cap. 13), trastornos
que afectan a millones de personas en todo el mundo. En la actualidad, están
en marcha programas de cribado de moléculas pequeñas para identificar
posibles fármacos de este tipo en muchos laboratorios.
Trisomía 13, microRNA y MYB, otro silenciador de la expresión del gen
de la γ-globina
Los GWAS han indicado que la proteína MYB es un regulador importante de
la expresión de la γ-globina. Esto ha recibido un respaldo inesperado de los
estudios que investigaban las bases del incremento persistente de la
expresión posnatal de la Hb F que se observa en pacientes con trisomía 13 (v.
cap. 6). Dos miRNAs, miR-15a y miR-16-1, tienen como objetivo directo la
región no traducida (UTR) 3’ del mRNA del gen MYB, por lo que reducen la
expresión de MYB. Los genes de estos dos miRNA se localizan en el
cromosoma 13; su dosis extra en la trisomía 13 reduce previsiblemente la
expresión de MYB por debajo de los niveles normales, lo que atenúa en parte
la supresión de la expresión del gen de la γ-globina mediada normalmente
por la proteína MYB y da lugar al aumento de la expresión de la Hb F (fig. 117).
DrBurgos
474
FIGURA 11-7 Modelo que demuestra cómo las elevaciones de los niveles
de microRNA 15a y 16-1 en la trisomía 13 pueden aumentar la expresión de
la hemoglobina fetal.
En condiciones normales, el nivel basal de estos microRNA puede moderar la
expresión de dianas como el gen MYB durante la eritropoyesis. En la trisomía 13,
la elevación de los niveles de estos microRNA produce una disminución adicional
de la expresión de MYB, lo que a su vez retrasa el cambio de la hemoglobina fetal
a la adulta y provoca la expresión persistente de la hemoglobina fetal. Véase
Créditos de figuras.
Hemoglobinas inestables
Las hemoglobinas inestables se deben en gran medida a mutaciones
puntuales que causan desnaturalización del tetrámero de la hemoglobina. Los
tetrámeros de globina desnaturalizados son insolubles y precipitan formando
inclusiones (cuerpos de Heinz) que dañan la membrana del eritrocito y
causan hemólisis de los eritrocitos maduros existentes en el árbol vascular
(fig. 11-8, que muestra un cuerpo de Heinz debido a β-talasemia).
FIGURA 11-8 Visualización del efecto patológico de la deficiencia de
cadenas β en la β-talasemia: precipitación del exceso de cadenas α
normales con formación de un cuerpo de Heinz en un eritrocito.
Frotis de sangre periférica y preparación para cuerpos de Heinz. A-C: el frotis de
sangre periférica (A) muestra células «mordidas» con áreas semicirculares
eliminadas de la membrana del eritrocito debido a la extracción de los cuerpos de
Heinz por los macrófagos en el hígado, lo que causa la destrucción prematura del
eritrocito. La preparación para cuerpos de Heinz (B) muestra un incremento de los
cuerpos de Heinz en la misma muestra cuando se compara con un control (C).
Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
475
La sustitución del aminoácido en la hemoglobina inestable Hammersmith
(cadena β: Phe42Ser; v. tabla 11-3) provoca la desnaturalización del tetrámero
y la consiguiente hemólisis. Esta mutación es particularmente notable porque
el residuo de fenilalanina sustituido es uno de los dos aminoácidos que están
conservados en todas las globinas en la naturaleza (v. fig. 11-2). Por tanto, no
es sorprendente que las sustituciones de esta fenilalanina produzcan una
enfermedad grave. En la β-globina normal, la voluminosa fenilalanina fija el
hemo en su receptáculo del monómero plegado de la β-globina. Su
sustitución por serina, un residuo más pequeño, crea un espacio que permite
que el grupo hemo salga de su receptáculo. Además de su inestabilidad, la
hemoglobina Hammersmith posee una afinidad baja por el oxígeno, lo que
causa cianosis en los heterocigotos.
A diferencia de las mutaciones que desestabilizan el tetrámero, otras
variantes desestabilizan el monómero de globina y nunca forman el tetrámero,
lo que provoca un desequilibrio de cadenas, y talasemia (v. la sección
siguiente).
Variantes con alteración del transporte de oxígeno
Las mutaciones que alteran la capacidad de la hemoglobina para transportar
oxígeno, aunque raras, son interesantes porque ilustran cómo la mutación
puede afectar una función de una proteína (en este caso, unión al oxígeno y
su liberación), dejando relativamente intacto el resto de las propiedades de la
proteína; por ejemplo, las mutaciones que afectan al transporte del oxígeno
general no causan ningún efecto (o causan sólo un efecto muy escaso) sobre la
estabilidad de la hemoglobina.
Metahemoglobinas
La oxihemoglobina es la forma de hemoglobina capaz de efectuar una
oxigenación reversible; su hierro del grupo hemo está en estado reducido
(ferroso). El hierro hemo tiende a oxidarse de forma espontánea hacia la
forma férrica, y la molécula resultante –la metahemoglobina– es incapaz de
efectuar la oxigenación reversible. Si se acumulan cantidades importantes de
metahemoglobina en la sangre, se produce cianosis. La función de la enzima
metahemoglobina reductasa es el mantenimiento del hierro hemo en el
estado reducido. En varias globinas mutantes (α o β), algunas sustituciones
en la región del receptáculo del hemo afectan al enlace hemoglobina, de
manera que hacen al hemo resistente a la reductasa. Los heterocigotos para
estas hemoglobinas mutantes, aunque son cianóticos, no tienen más síntomas.
El estado homocigoto es presumiblemente letal. Un ejemplo de
metahemoglobina de cadena β es la Hb Hyde Park (v. tabla 11-3), en la que la
histidina conservada (His92 en la fig. 11-2), a la que se une el hemo de forma
covalente, es sustituida por tirosina (His92Tyr).
Hemoglobinas con afinidad alterada por el oxígeno
DrBurgos
476
Las mutaciones que alteran la afinidad por el oxígeno demuestran la
trascendencia de la interacción de las subunidades para el normal
funcionamiento de una proteína multimérica como la hemoglobina. En el
tetrámero de la Hb A, la interfase α:β se ha conservado en gran medida a lo
largo de la evolución, porque en ella se producen importantes movimientos
entre las cadenas cuando la hemoglobina cambia del estado oxigenado de la
molécula (relajado) al desoxigenado (tenso). Las sustituciones en residuos de
esa interfase, como el mutante de la β-globina Hb Kempsey (v. tabla 11-3),
impiden el movimiento normal entre las cadenas relacionado con el oxígeno;
la mutación «bloquea» la hemoglobina en el estado relajado, de elevada
afinidad por el oxígeno, lo que reduce el aporte de oxígeno a los tejidos y
causa policitemia.
Talasemia: un desequilibrio de la síntesis de
cadenas de globina
Las talasemias (del griego thalassa, mar, y haema, sangre) son en conjunto los
trastornos monogénicos humanos más comunes del mundo (Caso 44).
Constituyen un grupo heterogéneo de enfermedades de la síntesis de
hemoglobina en las que las mutaciones reducen la síntesis o la estabilidad de
las cadenas de globinas α o β y originan α o β-talasemias, respectivamente.
El desequilibrio resultante en la proporción de cadenas α:β es lo que ocasiona
la fisiopatología. La cadena que se produce con una tasa normal aparece en
un exceso relativo y, en ausencia de una cadena complementaria con la que
formar un tetrámero, la cadena normal en exceso finalmente precipita en la
célula, dañando la membrana y causando una destrucción prematura del
eritrocito. Las cadenas β o de tipo β en exceso son insolubles y precipitan
tanto en los precursores de los eritrocitos (lo que ocasiona una eritropoyesis
ineficaz) como en los eritrocitos maduros (lo que provoca hemólisis) porque
lesionan la membrana celular. El resultado es una deficiencia de eritrocitos
(anemia) en la que los eritrocitos son hipocrómicos (es decir, eritrocitos
pálidos) y microcíticos (es decir, eritrocitos pequeños).
El término talasemia se usó por primera vez para indicar que la enfermedad
se descubrió en personas de origen mediterráneo. No obstante, tanto la αtalasemia como la β muestran una frecuencia elevada en muchas poblaciones,
aunque la α-talasemia es más prevalente y está más ampliamente distribuida.
La elevada frecuencia de la talasemia se debe a la ventaja protectora contra el
paludismo que confiere a los portadores, análoga a la ventaja heterocigota de
los portadores de hemoglobina falciforme (v. cap. 9). Existe una distribución
característica de las talasemias en una franja alrededor del viejo mundo: en el
Mediterráneo, Oriente Medio y partes de África, India y Asia.
Una consideración clínica importante es que no es infrecuente que los
alelos de ambos tipos de talasemia, así como de anomalías estructurales de la
hemoglobina, coexistan en un individuo, de modo que pueden producirse
interacciones clínicamente importantes entre alelos diferentes del mismo gen
DrBurgos
477
de globina o entre alelos mutantes de diferentes genes de globina.
Las α-talasemias
Los trastornos genéticos de la producción de α-globina alteran la formación
de hemoglobinas fetales y del adulto (v. fig. 11-3) y, por tanto, causan
enfermedades intrauterinas y posnatales. En ausencia de cadenas de αglobina con las que asociarse, las cadenas del grupo de β-globinas están libres
para formar una hemoglobina homotetramérica. La hemoglobina con una
composición γ4 se denomina Hb de Bart, y el tetrámero β4 se denomina Hb H.
Ninguna de estas hemoglobinas es capaz de llevar oxígeno a los tejidos en
condiciones normales, por lo que son portadoras de oxígeno completamente
ineficaces. Por tanto, los niños con α-talasemia grave y concentraciones
elevadas de Hb de Bart (γ4) sufren una hipoxia intrauterina grave y nacen con
una acumulación masiva y generalizada de líquidos, un trastorno
denominado hidropesía fetal. En las α-talasemias más leves, se produce
anemia por la precipitación gradual de la Hb H (β4) en el eritrocito, lo que
origina la formación de inclusiones en el eritrocito maduro. La eliminación de
estas inclusiones en el bazo lesiona las células y causa su destrucción
prematura.
Deleciones de los genes de la α-globina
Las formas más comunes de α-talasemia se deben a deleciones génicas. La
mayor frecuencia de deleciones en mutantes de la cadena α y no en los de la
cadena β se debe a que la α-globina presenta dos genes idénticos en cada
cromosoma 16 (v. fig. 11-3A); las secuencias de los intrones en los dos genes
de α-globina también son similares. Esta disposición de los genes de αglobina en tándem facilita el alineamiento erróneo debido al emparejamiento
homólogo y la subsiguiente recombinación entre el dominio del gen α1 en un
cromosoma y la correspondiente región del gen α2 en el otro (fig. 11-9). Las
pruebas que respaldan este mecanismo etiopatogénico proceden de los casos
publicados de los infrecuentes individuos normales con un complejo génico
triplicado de la α-globina. Las deleciones u otras alteraciones de una, dos, tres
o las cuatro copias de los genes de la α-globina causan alteraciones
hematológicas de gravedad proporcionalmente creciente (tabla 11-4).
DrBurgos
478
FIGURA 11-9 El mecanismo probable de la forma más común de αtalasemia, que se debe a deleciones de uno de los dos genes de la α-globina
en un cromosoma 16.
La mala alineación, el emparejamiento y la recombinación entre el gen α1 en un
cromosoma y el gen α2 en el cromosoma homólogo producen la deleción de un
gen de la α-globina.
Tabla 11-4
Estados clínicos asociados a los genotipos de α-talasemia
El rasgo de α-talasemia, causado por la deleción de dos de los cuatro genes
de α-globina, está distribuido por todo el mundo. Sin embargo, el tipo de
deleción homocigota de α-talasemia, que implica las cuatro copias de αglobina y que da lugar a la Hb de Bart (γ4) y a hidropesía fetal, se limita en
gran medida al sudeste asiático. En esta población, la elevada frecuencia de
hidropesía fetal debida a α-talasemia puede explicarse por las características
de la deleción responsable. Los individuos con dos genes normales y dos
genes mutantes de α-globina presentan un rasgo de α-talasemia, que puede
deberse a dos genotipos (--/αα o -α/-α), que difieren entre ellos en que las
deleciones están en cis o en trans. La heterocigosidad para la deleción de
ambas copias del gen de la α-globina en cis (genotipo --/αα) es relativamente
frecuente en personas del sudeste asiático, y la descendencia de dos
portadores de este alelo con deleción pueden recibir dos cromosomas --/--. Sin
embargo, en otros grupos el rasgo de α-talasemia suele deberse al genotipo
trans -α/-α, que no puede dar lugar a descendencia --/--.
DrBurgos
479
Además de las mutaciones de la α-talasemia que originan las deleciones de
los genes de α-globina, también producen α-talasemia las mutaciones que
delecionan sólo la LCR del complejo de la α-globina. De hecho, a semejanza
de las observaciones comendadas previamente respecto a la LCR de la βglobina, estas mutaciones fueron cruciales para demostrar la existencia de
dicho elemento regulador en el locus de la α-globina.
Otras formas de α-talasemia
En todas las clases de α-talasemia descritas previamente, las deleciones de los
genes de la α-globina o las mutaciones en sus secuencias que actúan en cis
explican la reducción de la síntesis de α-globina. Otros tipos de α-talasemia
son mucho menos frecuentes. Una forma rara, pero importante, de αtalasemia es el síndrome ATR-X, que se asocia con α-talasemia y con
discapacidad intelectual, e ilustra la importancia del empaquetamiento
epigenético del genoma en la regulación de la expresión génica (v. cap. 3). El
gen ATRX ligado al cromosoma X codifica una proteína de remodelación de
la cromatina que actúa, en trans, para activar la expresión de los genes de la
α-globina. La proteína ATRX pertenece a una familia de proteínas que actúan
en el seno de grandes complejos multiproteicos para cambiar la topología del
DNA. El síndrome ATR-X forma parte del creciente número de enfermedades
monogénicas secundarias a mutaciones en las proteínas de remodelación de
la cromatina.
Este síndrome se identificó por primera vez como un cuadro infrecuente,
porque las primeras familias en las que se diagnosticó eran del norte de
Europa, una población en la que las formas de deleción de la α-talasemia son
infrecuentes. Además, todos los individuos afectados eran varones que
también tenían una discapacidad ligada al cromosoma X grave, junto con una
amplia gama de otras anomalías, incluidas características faciales típicas,
defectos esqueléticos y malformaciones urogenitales. Esta diversidad de
genotipos sugiere que la proteína ATRX regula la expresión de otros muchos
genes aparte de las α-globinas, aunque estas otras dianas se desconocen en la
actualidad.
En los pacientes con síndrome ATR-X, la reducción de la síntesis de la αglobina se debe a un aumento de la acumulación de una variante histónica (v.
cap. 3) denominada macroH2A en el grupo de genes donde se localiza la αglobina. Esta acumulación reduce la expresión del gen de la α-globina y
provoca α-talasemia. Todas las mutaciones identificadas hasta el momento en
el gen ATRX en el síndrome ATR-X son de tipo pérdida de función, lo que
provoca defectos hematológicos leves en comparación con las observadas en
las formas clásicas de α-talasemia.
En pacientes con síndrome ATR-X, las anomalías de la metilación del DNA
indican que la proteína ATRX también es necesaria para establecer o
mantener el patrón de metilación en ciertos dominios del genoma, tal vez al
modular el acceso de la enzima DNA metiltransferasa a sus sitios de unión.
Este hallazgo es notable, porque las mutaciones de otro gen, MECP2, que
DrBurgos
480
codifica una proteína de unión al DNA metilado, provocan el síndrome de
Rett (Caso 40) al alterar la regulación epigenética de genes en las regiones del
DNA metilado, lo que provoca una regresión del neurodesarrollo.
Normalmente, las proteínas ATRX y MeCP2 interactúan, y la alteración de
esta interacción debida a mutaciones del gen ATRX puede contribuir a la
discapacidad intelectual observada en el síndrome ATR-X.
Las β-talasemias
Las β-talasemias comparten muchas características con las α-talasemias. En
las β-talasemias, el descenso de la producción de β-globina causa una anemia
hipocrómica microcítica y un desequilibrio de la síntesis de globina por el
exceso de cadenas α. Estas cadenas en exceso son insolubles y precipitan (v.
fig. 11-8) tanto en los precursores de los eritrocitos (lo que ocasiona una
eritropoyesis ineficaz) como en los eritrocitos maduros (lo que causa
hemólisis) porque lesionan la membrana celular. Sin embargo, al contrario
que la α-globina, la cadena β sólo es importante en el período posnatal. Por
tanto, la aparición de la β-talasemia no se hace aparente hasta varios meses
después del nacimiento, cuando la β-globina sustituye normalmente a la γglobina como principal cadena no α (v. fig. 11-3B) y sólo se reduce la síntesis
de la hemoglobina más importante del adulto, la Hb A. La concentración de
la Hb F aumenta en la β-talasemia no por una reactivación de la expresión del
gen de la γ-globina, que cesa al nacer, sino debido a una supervivencia
selectiva y quizá también a una mayor producción de la reducida población
de eritrocitos adultos que contienen Hb F.
Al contrario que la α-talasemia, las β-talasemias se originan, en general,
por sustituciones de un solo par de bases, más que por deleciones (tabla 11-5).
En muchas regiones del mundo en las que es frecuente la β-talasemia, existen
tantas mutaciones diferentes de β-talasemia que las personas que tienen dos
de estos alelos es más probable que sean heterocigotos compuestos (es decir,
portadores de dos alelos diferentes de β-talasemia) que verdaderos
homocigotos para un solo alelo. La mayoría de individuos con dos alelos de
β-talasemia presentan la denominada talasemia mayor, una enfermedad que
se caracteriza por anemia grave que requiere asistencia médica toda la vida.
Cuando los alelos de la β-talasemia proporcionan tan poca producción de βglobina que no se forma Hb A, la enfermedad se denomina β0-talasemia. Si se
detecta algo de Hb A, se dice que el paciente tiene β+-talasemia. Aunque la
gravedad de la enfermedad clínica depende del efecto combinado de los dos
alelos presentes, hasta hace poco era rara la supervivencia hasta la edad
adulta.
Tabla 11-5
Bases moleculares de algunas causas de β-talasemia simple
DrBurgos
481
Tomada en parte de Weatherall DJ, Clegg JB, Higgs DR, Wood WG: The hemoglobinopathies. En Scriver
CR, Beaudet AL, Sly WS, Valle D, editores: The metabolic and molecular bases of inherited disease, 7.ª
ed., Nueva York, 1995, McGraw-Hill, págs. 3417-3484; y Orkin SH: Disorders of hemoglobin synthesis: the
thalassemias. En Stamatoyannopoulos G, Nienhuis AW, Leder P, Majerus PW, editores: The molecular
basis of blood diseases, Filadelfia, 1987, WB Saunders, págs. 106-126.
mRNA, RNA mensajero.
*
En la tabla 11-3 se expone otra variante estructural de la hemoglobina que causa β-talasemia.
Los lactantes con β-talasemia homocigota presentan anemia cuando
desciende la producción posnatal de Hb F, en general antes de los 2 años de
edad. En la actualidad, el tratamiento de las talasemias se basa en la
corrección de la anemia, la potenciación de la médula ósea mediante
transfusiones de sangre y el control de la consecuente acumulación de hierro
administrando agentes quelantes. El trasplante de médula ósea es eficaz, pero
sólo es una opción si se encuentra a una persona compatible para el HLA.
Los portadores de un alelo de β-talasemia (heterocigotos) presentan un
DrBurgos
482
buen estado clínico y se dice que tienen talasemia menor. Estos individuos
poseen eritrocitos hipocrómicos microcíticos y pueden sufrir una leve anemia
que puede confundirse inicialmente con una deficiencia de hierro. El
diagnóstico de talasemia menor puede confirmarse con electroforesis de la
hemoglobina, que suele revelar un incremento del valor de Hb A2 (α2δ2) (v.
fig. 11-3A). En muchos países, los heterocigotos para la talasemia son lo
bastante numerosos para requerir su distinción diagnóstica respecto a la
anemia ferropénica y para ser un grupo relativamente frecuente en el que
realizar el diagnóstico prenatal de fetos homocigotos afectados (v. cap. 17).
Alelos de α-talasemia como genes modificadores de la βtalasemia
La posibilidad de que tanto los alelos de la β-talasemia y de la α-talasemia
puedan estar presentes en una población es uno de los mejores ejemplos en
genética humana de un gen modificador. En estas poblaciones, los
homocigotos para la β-talasemia también pueden heredar un alelo de αtalasemia. La gravedad clínica de la β-talasemia mejora en ocasiones por la
presencia del alelo de la α-talasemia, que actúa como gen modificador: el
desequilibrio de la síntesis de cadenas de globina que se produce en la βtalasemia, debido al exceso relativo de cadenas α, se reduce por la
disminución de la producción de cadenas α secundaria a la mutación de la αtalasemia.
β-talasemia, talasemias complejas y persistencia hereditaria de
la hemoglobina fetal
Casi todos los tipos de mutaciones conocidas que reducen la síntesis de
mRNA o de proteínas se han identificado como causa de β-talasemia. Por
tanto, el repaso que haremos a continuación sobre estos defectos genéticos
también es instructivo para entender los mecanismos mutagénicos en general,
cuando describamos las bases moleculares de una de las enfermedades
genéticas más comunes y graves en todo el mundo. Las mutaciones del
complejo del gen de la β-globina conforman dos grandes grupos con
diferentes fenotipos clínicos. Un grupo de defectos, que incluye a la mayoría
de los pacientes, únicamente altera la producción de β-globina y causa βtalasemia simple. El segundo grupo de mutaciones consiste en extensas
deleciones que causan talasemias complejas, en las que se elimina el gen de
la β-globina así como otro u otros genes (o la LCR) del grupo de la β-globina.
Por último, algunas deleciones del grupo de la β-globina no causan talasemia,
sino un fenotipo benigno denominado persistencia hereditaria de la
hemoglobina fetal (es decir, persistencia de la expresión del gen de la γglobina durante la vida adulta) que proporciona información sobre la
regulación de la expresión del gen de la globina.
Base molecular de la β-talasemia simple
DrBurgos
483
La β-talasemia simple se debe a una diversidad considerable de defectos
moleculares, predominantemente mutaciones puntuales, en el gen de la βglobina (fig. 11-10; v. tabla 11-5). La mayoría de las mutaciones que causan βtalasemia simple reducen la cantidad de mRNA de la β-globina, y son
mutantes del promotor, mutantes del corte y empalme (splicing) del RNA (las
más comunes) y mutantes de la formación de la caperuza o de la cola del
mRNA, así como mutaciones sin sentido o de cambio en el marco de lectura
en la región codificante del gen, que introducen codones de terminación
prematura en la región codificante del gen. Algunas variantes estructurales
de la hemoglobina también alteran el procesamiento del mRNA de la βglobina, como, por ejemplo, la Hb E (descrita con anterioridad).
FIGURA 11-10
Mutaciones puntuales representativas que causan βtalasemia.
Obsérvese la distribución de las mutaciones a lo largo del gen y que las
mutaciones afectan prácticamente a todos los procesos necesarios para la
producción de la β-globina normal. Se han descubierto más de 100 mutaciones
puntuales diferentes de la β-globina asociadas con β-talasemia simple. Véase
Créditos de figuras.
Mutaciones con afectación del corte y empalme (splicing) del RNA
La mayoría de pacientes con β-talasemia con disminución en la cantidad de
mRNA de la β-globina presentan anomalías en el corte y empalme del RNA.
Se han descrito más de 24 defectos de este tipo, y su carga clínica global es
considerable. Estas mutaciones son interesantes debido a que sus efectos
sobre el corte y empalme a menudo son inesperadamente complejos, por lo
que el análisis de los mRNA mutantes ha contribuido en gran medida al
conocimiento de las secuencias críticas para el procesamiento normal del
RNA (descrito en el cap. 3). Los defectos del corte y empalme pueden
clasificarse en tres grupos (fig. 11-11) dependiendo de la región del RNA no
procesado en el que se localice la mutación.
• Las mutaciones en los lugares de corte y empalme (splice junction)
DrBurgos
484
incluyen mutaciones en los lugares de corte y empalme 5’ donante o 3’
aceptor de los intrones, o en las secuencias de consenso que rodean esos
lugares. La naturaleza crítica del dinucleótido GT conservado en el lugar
donante 5’ del intrón y del AG en lugar aceptor 3’ del intrón (v. cap. 3) se
demuestra porque las mutaciones en esos dinucleótidos producen una
ausencia total del corte y empalme normal (v. fig. 11-11B). La inactivación
del lugar aceptor normal provoca la utilización de otras secuencias
parecidas al aceptor en otros lugares de la molécula precursora de RNA.
Estos lugares alternativos se denominan lugares de corte y empalme
(splice sites) crípticos, porque normalmente no son utilizados por el
aparato de corte y empalme si el lugar correcto está disponible. Pueden
encontrarse lugares de corte y empalme crípticos donantes o aceptores
tanto en exones como en intrones.
• Las mutaciones en intrones se deben a defectos en un lugar de corte y
empalme críptico dentro de un intrón que aumenta su utilización al hacerlo
más parecido o idéntico al lugar de empalme normal. Entonces, el lugar
críptico «activado» compite con el lugar normal, con una efectividad
variable, reduciendo la cantidad de mRNA normal al disminuir el corte y
empalme en el lugar correcto que permanece totalmente intacto (fig. 1111C). Las mutaciones en lugares de corte y empalme crípticos son a
menudo «porosas», es decir, permiten en alguna medida el uso del lugar
normal, por lo que el fenotipo que producen es el de la β+-talasemia.
• Las alteraciones de la secuencia codificante que también alteran el
proceso de corte y empalme se deben a mutaciones en el marco de lectura
abierto que pueden alterar o no la secuencia de aminoácidos, pero que
activan un sitio de empalme críptico en un exón (v. fig. 11-11D). Por
ejemplo, hay una forma leve de β+-talasemia que se debe a una mutación en
el codón 24 (v. tabla 11-5) y que activan un sitio de corte y empalme
críptico, pero sin modificar el aminoácido codificado (tanto GGT como
GGA codifican glicina [v. tabla 3-1]); éste es un ejemplo de una mutación
sinónima cuyo efecto no es neutro.
DrBurgos
485
FIGURA 11-11 Ejemplos de mutaciones que alteran el proceso de corte y
empalme (splicing) normal del gen de la β-globina causando β-talasemia.
A, Patrón de empalme normal. B, Una mutación en el intrón 2 (IVS2- 2A>G) en el
sitio aceptor de empalme normal anula el empalme normal. Esta mutación obliga
al uso de un sitio aceptor críptico en el intrón 2. El sitio críptico se ajusta
perfectamente a la secuencia aceptora de consenso de empalme (donde Y es
pirimidina, T o C). Debido a que el exón 3 ha aumentado de tamaño en su
extremo 5’ por la inclusión de secuencias del intrón 2, el RNA mensajero (mRNA)
con un empalme alternativo y anómalo procedente de este gen mutante pierde su
marco de lectura correcto y no puede codificar la β-globina. C, Una mutación en el
intrón 1 (G > A en la base 110 del intrón 1) activa un sitio aceptor críptico
mediante la creación de un dinucleótido AG con incremento de la similitud del sitio
respecto a la secuencia aceptora de consenso. Así, el mRNA de la globina que se
forma está alargado (19 nucleótidos extra) en el extremo 5’ del exón 2; en la
transcripción se introduce un codón de interrupción prematura. El fenotipo de la β+
talasemia se debe a que todavía se utiliza el sitio aceptor correcto, aunque
DrBurgos
486
únicamente con un 10% del nivel con el que ocurre habitualmente. D, En el
defecto de la Hb E, la mutación con sentido erróneo (Glu26Lys) en el codón 26 del
exón 1 activa un sitio de empalme donante críptico en el codón 25 que compite de
manera eficaz con el sitio donante normal. Este mecanismo alternativo de
empalme se utiliza parcialmente, pero la mayor parte del RNA todavía es
procesado en el sitio correcto y, por ello, se produce una β+ talasemia de grado
leve.
mRNA no funcionales
Algunos mRNA no son funcionales y no pueden dirigir la síntesis de un
polipéptido completo porque la mutación genera un codón de terminación
prematura que termina la traducción antes de tiempo. Dos mutaciones de βtalasemia cerca del aminoácido terminal ilustran este efecto (v. tabla 11-5). En
una de ellas (Gln39Stop) se produce un fallo en la traducción por una
sustitución de un nucleótido que crea una mutación sin sentido. En la otra,
una mutación de marco de lectura se debe a la deleción de un solo par de
bases al comienzo del marco de lectura abierto, lo que elimina el primer
nucleótido del codón 16, que normalmente codifica la glicina; en el nuevo
marco de lectura se encuentra rápidamente un codón de terminación en
sentido 3’, mucho antes de la señal de terminación normal. Como no se
produce β-globina a partir de estos alelos, estos dos tipos de mutaciones que
causan mRNA no funcional originan β0-talasemia en el estado homocigoto.
En algunos casos, los cambios de marco de lectura cerca del carboxilo
terminal de la proteína permiten que se traduzca normalmente gran parte del
mRNA o producen cadenas de globina alargadas, de manera que forman una
variante de hemoglobina pero no causan β0-talasemia.
Además de anular la producción del polipéptido de la β-globina, los
codones sin sentido –incluidos los dos descritos previamente– provocan a
menudo una reducción de la cantidad de mRNA mutante que puede ser
indetectable. Los mecanismos que originan este fenómeno, denominados
genéricamente deterioro del mRNA mediado por mutaciones sin sentido,
parecen restringirse a codones sin sentido localizados a más de 50 pb en
dirección 5’ de la última unión exón-exón.
Defectos en la caperuza y en la cola del mRNA de la β-globina
Existen varias mutaciones que producen β+-talasemia que ilustran la
naturaleza crítica de las modificaciones postranscripcionales de los mRNA.
Por ejemplo, la UTR 3’ de casi todos los mRNA termina con una secuencia
poliA, y si esta secuencia no se añade, el mRNA es inestable. Como se
comentó en el capítulo 3, la poliadenilación del mRNA requiere en primer
lugar su escisión enzimática, que se produce en respuesta a una señal para el
sitio de escisión, AAUAAA, que se encuentra cerca del extremo 3’ en la
mayoría de los mRNA eucariotas. Los pacientes que tienen una sustitución
que cambia la secuencia de la señal a AACAAA producían sólo una pequeña
fracción de mRNA de β-globina poliadenilado correctamente.
DrBurgos
487
Hemoglobina E: variante de la hemoglobina en personas con
fenotipos de talasemia
La Hb E es posiblemente la hemoglobina con una estructura anómala más
común en el mundo y muestra una frecuencia elevada en el sudeste asiático,
donde hay al menos 1 millón de homocigotos y 30 millones de heterocigotos.
La Hb E es una variante de la β-globina (Glu26Lys) que reduce la tasa de
síntesis de la cadena β mutante y es otro ejemplo de una mutación de la
secuencia codificante que también altera el corte y empalme normal al activar
un sitio críptico de corte y empalme (v. fig. 11-10D). Aunque los homocigotos
Hb E son asintomáticos y solamente muestran una anemia leve, los
individuos heterocigotos que son compuestos genéticos de Hb E y de otro
alelo de β-talasemia muestran fenotipos anómalos que están determinados
principalmente por la gravedad del otro alelo.
Talasemias complejas y persistencia hereditaria de la
hemoglobina fetal
Como se ha mencionado previamente, las grandes deleciones que causan las
talasemias complejas eliminan el gen de la β-globina, además de uno o más
genes (o la LCR) del grupo de la β-globina. Por tanto, los individuos
afectados muestran una disminución de la expresión de la β-globina y de una
o más de las otras cadenas de tipo β. Estos trastornos se denominan en
función de los genes que presentan deleción, por ejemplo, (δβ)0-talasemia o
(Aγδβ)0-talasemia, etc. (fig. 11-12). Las deleciones que eliminan la LCR de la βglobina se inician a unas 50-100 kb en dirección 5’ del grupo del gen de la βglobina y se extienden en grados variables hasta el extremo 3’. A pesar de que
algunas de estas deleciones (como la deleción española que se muestra en la
fig. 11-12) dejan completamente intactos todos o algunos de los genes en el
locus de la β-globina, anulan la expresión de todo el grupo y causan una
(ɛγδβ)0-talasemia. Estas mutaciones demuestran la dependencia total de la
expresión génica respecto al grupo de los genes de la β-globina para la
integridad de la LCR (v. fig. 11-4).
DrBurgos
488
FIGURA 11-12 Localización y tamaño de las deleciones de varios mutantes
de (ɛγδβ)0-talasemia, (δβ)0-talasemia, (Aγδβ)0-talasemia y PHHF.
Obsérvese que las deleciones de la región de control del locus (LCR) impiden la
expresión de todos los genes del grupo de la β-globina. Las deleciones
responsables de la δβ-talasemia, la Aγδβ-talasemia y la PHHF se superponen (v.
texto). PHHF: persistencia hereditaria de la hemoglobina fetal.; SH, sitios
hipersensibles. Véase Créditos de figuras.
Un segundo conjunto de grandes deleciones del grupo de genes de la βglobina con importancia médica es el constituido por las deleciones que dejan
intacto al menos uno de los genes γ (tal como la deleción inglesa, en la fig. 1112). Los pacientes que son portadores de estas mutaciones presentan una de
las dos manifestaciones clínicas siguientes, según la deleción: δβ0-talasemia, o
una enfermedad benigna denominada persistencia hereditaria de la hemoglobina
fetal (PHHF), que se debe a la alteración del cambio perinatal de la síntesis de
γ-globina a la síntesis de β-globina. Los homocigotos para cualquiera de estos
trastornos son viables debido a que el gen o los genes γ restantes todavía
permanecen activos después del nacimiento y no se inactivan como suele
ocurrir normalmente. A consecuencia de ello, después de nacimiento se
mantiene un nivel elevado de síntesis de Hb F (α2γ2), y compensa la ausencia
de Hb A.
La naturaleza inocua de la PHHF que se debe a la producción sustancial de
cadenas γ es secundaria a una concentración elevada de Hb F en los
heterocigotos (17-35% de Hb F), en comparación con lo que se observa
habitualmente en los heterocigotos para la δβ0-talasemia (5-18% de Hb F).
Debido a que las deleciones que causan δβ0-talasemia se solapan con las que
causan PHHF (v. fig. 11-12), se desconoce la razón por la que los pacientes
con PHHF presentan niveles elevados de expresión de genes γ. Una
posibilidad es que algunas de las deleciones PHHF pongan los potenciadores
en contacto estrecho con los genes de la γ-globina. El conocimiento del papel
de los reguladores de la expresión de la Hb F, como BCL11A y MYB (v.
antes), procede en parte del estudio de pacientes con deleciones complejas del
grupo de genes de la β-globina. Por ejemplo, en el estudio de varios
individuos con PHHF debida a deleciones raras de dicho grupo se identificó
DrBurgos
489
una región de 3,5 kb cerca del extremo 5’ del gen de la δ-globina, que contiene
sitios de unión para BCL11A, que es el silenciador crítico de la expresión de
Hb F en adultos.
Estrategias de salud pública para la prevención de la talasemia
Pruebas de detección o cribado sobre población general a gran
escala
La gravedad clínica de muchas formas de talasemia, en combinación con su
elevada frecuencia, representa una carga de enfermedad inmensa para
muchos países. Por ejemplo, sólo en Tailandia, la Organización Mundial de la
Salud ha determinado que hay entre 500.000 y 750.000 niños con formas
graves de talasemia. Con objeto de reducir la elevada incidencia de la
enfermedad, en algunas partes del mundo, los gobiernos han introducido con
éxito programas para el control de la talasemia, basados en ofrecer o requerir
a los portadores de talasemia el cribado de los individuos de edad fértil de la
población (v. cuadro). Como resultado de estos programas, en muchas partes
del Mediterráneo la tasa de nacimiento de niños afectados se ha reducido
hasta un 90% mediante los programas de educación dirigidos a la población
general y a los profesionales sanitarios. En Cerdeña, se inició en 1975 un
programa de utilización voluntaria de las pruebas de detección, seguido de la
evaluación de la familia ampliada en los casos en los que se identificaba un
portador.
Aspe ctos é ticos y socia le s r e la ciona dos con e l cr iba do
de la pobla ción pa r a de te cta r la β-ta la se m ia *
Alrededor de 70.000 lactantes nacen en todo el mundo cada año con β-talasemia, lo
que supone una elevada carga económica para los sistemas sanitarios y un alto
coste emocional para las familias afectadas.
Para identificar a los individuos y las familias con un mayor riesgo de la
enfermedad, en muchos países se lleva a cabo un cribado. Las directrices
de EE.UU. e internacionales recomiendan que el cribado no sea
obligatorio y que la toma de decisiones se base en la información y el
asesoramiento genético.
El seguimiento de las directrices depende en gran medida de factores culturales,
religiosos, económicos y sociales muy diversos. Por ejemplo:
En Grecia, el cribado es voluntario, está disponible tanto antes del
matrimonio como en la etapa prenatal, requiere el consentimiento
informado, se difunde ampliamente por los medios de comunicación y
en programas en el ejército y las escuelas, y se acompaña de
asesoramiento genético para las parejas portadoras.
En Irán y Turquía, estas prácticas sólo difieren en que el cribado es
obligatorio antes del matrimonio (pero en todos los países con cribado
obligatorio, las parejas portadoras tienen el derecho de casarse si
DrBurgos
490
quieren).
En Taiwán, el cribado prenatal está disponible y es voluntario, pero no se
requiere el consentimiento informado y el cribado no se acompaña en la
actualidad de programas educativos ni de asesoramiento genético.
En Reino Unido, el cribado se ofrece a todas las mujeres embarazadas, pero
la concienciación de la población general es escasa y el cribado es
dudosamente voluntario, porque muchas mujeres (e incluso la mayoría)
no saben si se les ha realizado el cribado hasta que se les informa de su
estatus de portadoras. En algunos programas de Reino Unido, las
mujeres no son informadas de los resultados del análisis.
Principales obstáculos para un cribado poblacional más eficaz de la β-talasemia
Entre los principales obstáculos, hay que señalar que las mujeres
embarazadas se sienten abrumadas por la batería de pruebas que se les
ofrecen, muchos profesionales tienen un conocimiento inadecuado de las
enfermedades genéticas, la información y el asesoramiento genético
adecuados son costosos y laboriosos, suele malinterpretarse que informar
a las mujeres equivale a obtener el consentimiento informado y la eficacia
de la educación de la población varía en gran medida, dependiendo de la
comunidad o el país.
Eficacia de programas de cribado de la β-talasemia aplicados de forma adecuada
En las poblaciones donde el cribado de la β-talasemia se ha implementado
de forma eficaz, se ha logrado una reducción drástica de la incidencia de
la enfermedad. Por ejemplo, en Cerdeña, el cribado entre 1975 y 1995
redujo la incidencia de 1/250 a 1/4.000 personas. De forma similar, en
Chipre, la incidencia de recién nacidos afectados disminuyó de 51 en
1974 a ninguno hasta 2007.
*
Basado en Cousens NE, Gaff CL, Metcalfe SA, y cols.: Carrier screening for β-thalassaemia: a review of
international practice, Eur J Hum Genet 18:1077-1083, 2010.
Aplicación de pruebas de detección restringida a las familias de
los portadores
En los países en vías de desarrollo, la aplicación de programas de detección
respecto a la talasemia representa un problema económico y logístico
importante. Sin embargo, el trabajo reciente que se ha llevado a cabo en
Pakistán y Arabia Saudí ha demostrado la eficacia de una estrategia de
detección que puede ser aplicable de manera genérica en los países en los que
son frecuentes los matrimonios consanguíneos. En la región de Rawalpindi
de Pakistán, se observó que la β-talasemia se limitaba básicamente a un grupo
específico de familias que solicitaron asistencia porque había un caso índice
identificable (v. cap. 7). En 10 familias ampliadas de casos índice, la
evaluación de casi 600 personas demostró que alrededor del 8% de las parejas
casadas evaluadas estaban constituidas por dos portadores, mientras que no
se identificó ninguna pareja en riesgo en un grupo de 350 mujeres
embarazadas y sus parejas, que fueron seleccionadas de manera aleatoria,
DrBurgos
491
aparte de estas 10 familias. Todos los portadores señalaron que la
información ofrecida les resultó útil para evitar nuevos embarazos cuando ya
tenían dos o más hijos sanos; además, en el caso de las parejas con sólo uno o
ningún hijo sano, esta información fue útil para el diagnóstico prenatal.
Aunque es necesario determinar el impacto a largo plazo de este tipo de
programas, la aplicación de pruebas de detección a las familias de los
portadores puede contribuir de manera importante al control de las
enfermedades recesivas en las zonas del mundo en las que hay una
preferencia por los matrimonios consanguíneos. En otras palabras, a
consecuencia de la consanguinidad, las variantes genéticas que causan
enfermedades quedan «atrapadas» dentro de las familias grandes, de manera
que un niño afectado representa un indicador de una familia con
heterocigotos con un riesgo elevado en estas familias de personas que puedan
padecer la enfermedad.
La aplicación de programas de análisis de portadores y de diagnóstico
prenatal respecto la talasemia requiere no solamente la educación de la
sociedad y de los médicos, sino también el establecimiento de laboratorios
centrales capacitados y el consenso de la población que va a ser evaluada (v.
cuadro). A pesar de que los programas aplicados a la población general para
el control de la talasemia tienen indudablemente un coste económico menor
que la asistencia de todos los pacientes afectados lo largo de su vida, es
necesario evitar la tentación de los gobiernos o los médicos para presionar a
los individuos respecto a la aceptación de estos programas. Se debe respetar
la autonomía del individuo respecto a la toma de decisiones sobre la
reproducción, que constituye una piedra angular de la bioética moderna, así
como las creencias culturales y religiosas de sus comunidades.
DrBurgos
492
Bibliografía general
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DrBurgos
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Bibliografía específica
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P r oble m a s
1. Un niño con hidropesía fetal muere. Dibuje un árbol genealógico con los
genotipos para explicar a los progenitores portadores la base genética de la
talasemia de su hijo. Explique por qué es poco probable que una pareja de
Melanesia que conocieron en la clínica hematológica y que también tienen
α-talasemia tenga un hijo con la misma enfermedad que el suyo.
2. ¿Por qué la mayoría de los pacientes con β-talasemia son heterocigotos
compuestos? ¿En qué situación puede preverse que un paciente con βtalasemia tenga alelos de β-globina idénticos?
3. Tony, un niño italiano, sufre una β-talasemia de grado moderado, con una
Hb de 7 g/dl (el valor normal es 10-13 g/dl). Al efectuar una transferencia
Northern de su RNA de los reticulocitos, inesperadamente se observan tres
bandas de β-globina, una de tamaño normal, una más grande de lo normal
y una más pequeña.
¿Qué mecanismos mutacionales pueden explicar la presencia de estas tres
bandas en un paciente con β-talasemia? El hecho de que en este paciente
la anemia sea de grado moderado sugiere que se produce una
importante fracción de β-globina normal. ¿Qué tipos de mutaciones
explican esto?
4. Un hombre es heterocigoto para Hb M Saskatoon, una hemoglobinopatía
en la que el aminoácido normal His es reemplazado por Tyr en la posición
63 de la cadena β. Su pareja es heterocigota para la Hb M Boston, en la que
His es reemplazada por Tyr en la posición 58 de la cadena α. La
heterocigosidad de cualquiera de estos alelos mutantes produce
metahemoglobinemia. Describa los genotipos y fenotipos posibles de su
descendencia.
5. Un niño tiene un tío paterno y una tía materna con anemia falciforme, pero
sus padres no la padecen. ¿Cuál es la probabilidad de que la sufra el niño?
6. Una mujer presenta rasgo falciforme y su pareja es heterocigoto para la Hb
DrBurgos
494
C. ¿Cuál es la probabilidad de que su hijo no tenga hemoglobina anormal?
7. Empareje los siguientes términos:
_________ β-talasemia compleja
Hb A detectable
tres
_________ β+-talasemia
β-talasemia
_________ número de genes de la α-globina perdidos en la enfermedad Hb H
α-talasemia
_________ dos alelos mutantes diferentes en un locus
alto nivel de expresión de la cadena β
_________ síndrome ATR-X
rasgo de α-talasemia
_________ cadenas β insolubles
heterocigoto compuesto
_________ número de genes de la α-globina perdidos en la hidropesía fetal con Hb de Bart
genes δβ delecionados
_________ región de control del locus
cuatro
_________ genotipo α−/α−
discapacidad intelectual
_________ Hb A2 incrementada
8. Las mutaciones en secuencias no codificantes pueden cambiar el número
de moléculas de proteína que se producen, pero, en general, las moléculas
fabricadas tienen una secuencia de aminoácidos normal. Ofrezca ejemplos
de excepciones a esta regla y describa cómo se generan las alteraciones de
la secuencia de aminoácidos.
9. ¿Cuáles son algunas de las posibles explicaciones del hecho de que los
programas para el control de la talasemia, tal como el que se ha llevado a
cabo con éxito en Cerdeña, no hayan conseguido reducir hasta cero la tasa
de recién nacidos con talasemia grave? Por ejemplo, entre 1999 y 2002
nacieron en Cerdeña aproximadamente entre dos y cinco de estos lactantes
cada año.
DrBurgos
495
CAPÍTULO 12
DrBurgos
496
Bases moleculares, bioquímicas y
celulares de las enfermedades
genéticas
En este capítulo vamos a ampliar los fundamentos moleculares y bioquímicos
de las enfermedades genéticas distintas de las hemoglobinopatías, incluyendo
otras enfermedades y las anomalías de las funciones de los genes y las
proteínas que las causan. En el capítulo 11, se expuso una panorámica general
de los mecanismos básicos a través de los cuales las mutaciones causan
enfermedades (v. fig. 11-1) y se revisaron las etapas en las que las mutaciones
pueden desestructurar la síntesis o la función de una proteína (v. tabla 11-2).
Esta introducción ofrece el marco básico para el conocimiento de la patogenia
de todas las enfermedades genéticas. Sin embargo, las mutaciones en otras
clases de proteínas alteran a menudo la función de las células y los órganos a
través de procesos que son distintos de los que tienen lugar en las
hemoglobinopatías y se analizarán en este capítulo.
Con objeto de ilustrar estos otros mecanismos que dan lugar a
enfermedades, aquí describiremos trastornos bien conocidos como la
fenilcetonuria, la fibrosis quística, la hipercolesterolemia familiar, la
distrofia muscular de Duchenne y la enfermedad de Alzheimer. En algunos
casos, se incluyen otras enfermedades menos frecuentes debido a que
permiten demostrar adecuadamente un principio específico. La importancia
de la selección correcta de los trastornos representativos se pone de
manifiesto si consideramos que, hasta la fecha, las mutaciones de casi 3.000
genes se han asociado con un fenotipo clínico. En la próxima década, es
previsible que un número mucho más elevado de los aproximadamente
20.000-25.000 genes que constituyen el genoma humano se asocie tanto a
enfermedades monogénicas como a enfermedades genéticamente complejas.
DrBurgos
497
Enfermedades debidas a mutaciones en
diferentes clases de proteínas
Las proteínas llevan a cabo una asombrosa cantidad de funciones diferentes,
algunas de las cuales se recogen en la figura 12-1. Mutaciones en
prácticamente cualquier proteína pueden dar lugar a enfermedades genéticas.
En este capítulo se van a describir enfermedades genéticas importantes que se
deben a la alteración de proteínas representativas seleccionadas de los grupos
que se muestran en la figura 12-1. Otras proteínas que aparecen en esta
figura, así como las enfermedades asociadas a las mismas, se describen en la
sección «Casos clínicos».
FIGURA 12-1 Ejemplos de las clases de proteínas relacionadas con
enfermedades que presentan un fuerte componente genético (la mayoría son
monogénicas), y parte de la célula en la que normalmente actúan estas proteínas.
CFTR, regulador transmembrana de la fibrosis quística; FMRP, proteína del
retraso mental del X frágil; HLA, antígeno leucocítico humano; LDL, lipoproteína
de baja densidad; MELAS, encefalomiopatía mitocondrial con acidosis láctica y
episodios de tipo ictus; PKU, fenilcetonuria.
DrBurgos
498
Proteínas de mantenimiento y proteínas
especializadas en las enfermedades genéticas
Las proteínas se pueden clasificar en dos clases generales, en función de su
patrón de expresión: las proteínas de mantenimiento, que están presentes en la
práctica totalidad de las células y que desempeñan funciones fundamentales
en el mantenimiento de la estructura y la función celulares, y proteínas
especializadas que presentan especificidad tisular, que sólo son elaboradas por
uno o unos pocos tipos celulares limitados y que desempeñan funciones
específicas que contribuyen a la individualidad de las células en las que se
expresan. La mayoría de los tipos celulares del ser humano expresan entre
10.000 y 15.000 genes codificantes de proteínas. El conocimiento de los tejidos
en los que se expresa una proteína, especialmente a niveles elevados, es a
menudo útil para comprender la patogenia de una enfermedad.
Se pueden aceptar dos generalizaciones amplias respecto a la relación
existente entre la localización de la expresión de una proteína y la localización
de una enfermedad.
• En primer lugar (y de un modo un tanto intuitivo), una mutación en una
proteína con especificidad tisular da lugar con mayor frecuencia a una
enfermedad limitada a dicho tejido. Sin embargo, también puede causar
efectos secundarios en otros tejidos y, en algunos casos, las mutaciones en
proteínas específicas de un tejido pueden causar anomalías sobre todo en
órganos que no expresan la proteína en absoluto; irónicamente, el tejido
que expresa la proteína mutante puede quedar del todo respetado por el
proceso patológico. Un ejemplo manifiesto de esta situación es la
fenilcetonuria, que se expone en detalle en la sección siguiente. La
fenilcetonuria se debe a la ausencia de actividad de la enzima fenilalanina
hidroxilasa (PAH, phenylalanine hydroxylase) en el hígado, pero la aparición
de concentraciones sanguíneas elevadas de fenilalanina debido a la
ausencia de PAH hepática afecta fundamentalmente al cerebro (que
expresa muy poca cantidad de esta enzima), y no al hígado. En
consecuencia, no podemos inferir necesariamente que la enfermedad de un
órgano sea consecuencia de la mutación de un gen expresado de manera
principal o exclusiva en dicho órgano.
• En segundo lugar, aunque las proteínas de mantenimiento se expresan en la
mayoría de los tejidos o en todos ellos, los efectos clínicos de las
mutaciones en las proteínas de mantenimiento se limitan frecuentemente a
uno o sólo unos pocos tejidos por al menos dos razones. En la mayoría de
estos casos, un único tejido o unos pocos tejidos pueden afectarse debido a
que la proteína de mantenimiento en cuestión se expresa de manera
abundante en el mismo y desempeña una función de especialidad en dicho
tejido. Esta situación queda ilustrada por la enfermedad de Tay-Sachs,
como se describe más adelante; la enzima mutante en este trastorno es la
hexosaminidasa A, que se expresa en la práctica totalidad de las células,
pero cuya ausencia da lugar a un cuadro de neurodegeneración mortal que
DrBurgos
499
afecta a la totalidad de los tipos neuronales. En otros casos, otra proteína
con una actividad biológica solapada también se puede expresar en el
tejido no afectado, lo que atenúa el impacto de la pérdida de función del
gen mutante, situación denominada redundancia genética. En contra de lo
que podría preverse, incluso las mutaciones de los genes que podrían
considerarse esenciales para todas las células, como la actina, pueden dar
lugar a una descendencia viable.
DrBurgos
500
Enfermedades relacionadas con enzimas
Las enzimas son los catalizadores que intermedian la conversión eficaz de un
sustrato en un producto. La diversidad de los sustratos sobre los que actúan
las enzimas es enorme. Por consiguiente, el genoma humano contiene más de
5.000 genes que codifican enzimas y existen cientos de enfermedades en el ser
humano, denominadas enzimopatías, que implican defectos enzimáticos.
Vamos a exponer en primer lugar uno de los grupos mejor conocidos de
errores congénitos del metabolismo, las hiperfenilalaninemias.
Aminoacidopatías
Hiperfenilalaninemias
Las alteraciones que dan lugar a un incremento de la concentración
sanguínea de fenilalanina, principalmente la deficiencia de PAH o
fenilcetonuria (PKU, phenylketonuria), ilustran casi todos los principios de la
genética bioquímica relativos a los defectos enzimáticos. Las causas
bioquímicas de la hiperfenilalaninemia se ilustran en la figura 12-2, y las
características principales de las enfermedades asociadas a defectos
bioquímicos en los cinco loci conocidos de la hiperfenilalaninemia se
presentan en la tabla 12-1. Todas las enfermedades genéticas del metabolismo
de la fenilalanina se heredan de forma autosómica recesiva y se deben a
mutaciones con pérdida de función en el gen que codifica la PAH o en los
genes necesarios para la síntesis y reutilización de su cofactor, la
tetrahidrobiopterina (BH4).
FIGURA 12-2
Procesos bioquímicos afectados en las
hiperfenilalaninemias.
4αOHBH4, 4α-hidroxitetrabiopterina; 5-OH trp, 5-hidroxitriptófano; 6-PT, 6pirovoiltetrahidropterina; A, adrenalina; BH4, tetrahidrobiopterina; DHNP,
DrBurgos
501
dihidroneopterina trifosfato; GTP, guanosina trifosfato; l-dopa, ldihidroxifenilalanina; NA, noradrenalina; PCD, pterina 4α-carbinolamina
deshidratasa; phe, fenilalanina; qBH2, dihidrobiopterina quinonoide, el producto
oxidado de las reacciones de hidroxilación que es reducido a BH4 por la
dihidropteridina reductasa (DHPR); trp, triptófano; tyr, tirosina.
Tabla 12-1
Heterogeneidad de locus en las hiperfenilalaninemias
BH4, tetrahidrobiopterina; DHPR, dihidropteridina reductasa; GTP-CH, guanosina trifosfato ciclohidrolasa;
5-HT, 5-hidroxitriptofano; PAH, fenilalanina hidroxilasa; PCD, pterina 4α-carbinolamina deshidratasa; PKU,
fenilcetonuria; 6-PTS, 6-piruvoiltetrahidropterina sintasa.
*
La suplementación con BH4 puede aumentar la actividad PAH de algunos pacientes en cada uno de estos
tres grupos.
Fenilcetonuria
La PKU clásica es el epítome de las enzimopatías. Se debe a mutaciones del
gen que codifica la PAH, que convierte la fenilalanina en tirosina (v. fig. 12-2
y tabla 12-1). El descubrimiento de la PKU en 1934 fue la primera
demostración de un defecto genético como causa de discapacidad intelectual.
Debido a que los pacientes con PKU no pueden degradar la fenilalanina, se
acumula en los líquidos corporales y lesiona el sistema nervioso central en
desarrollo durante la primera infancia. Una pequeña parte de la fenilalanina
se metaboliza y da lugar a un incremento de las concentraciones de ácido
fenilpirúvico, el cetoácido que da nombre a la enfermedad. Irónicamente,
aunque el defecto enzimático se conoce desde hace muchas décadas, todavía
se ignora el o los mecanismos patogénicos precisos por los que el incremento
de la fenilalanina lesiona el cerebro. Un aspecto importante es que la lesión
neurológica se puede evitar en gran parte reduciendo la ingesta dietética de
DrBurgos
502
fenilalanina. El tratamiento de la PKU es un paradigma del tratamiento de las
numerosas enfermedades metabólicas cuya evolución puede mejorar
mediante la prevención de la acumulación de un sustrato enzimático y de sus
derivados; este principio terapéutico se expone con mayor detalle en el
capítulo 13.
Variante de fenilcetonuria e hiperfenilalaninemia sin
fenilcetonuria
Mientras que la PKU se debe a una ausencia virtual de actividad de la PAH
(menos del 1% en comparación con el valor de los controles), los fenotipos
menos graves (denominados hiperfenilalaninemia sin PKU y PKU variante)
(v. tabla 12-1) aparecen cuando la enzima PAH mutante muestra alguna
actividad residual. El hecho de que una cantidad muy pequeña de actividad
enzimática residual puede tener un gran impacto sobre el fenotipo es otro
principio general de las enzimopatías (v. cuadro).
La PKU variante engloba los pacientes que requieren sólo una cierta
restricción de fenilalanina en su dieta, aunque inferior a la necesaria en los
pacientes con la PKU clásica, porque el incremento de los niveles sanguíneos
de fenilalanina es menor y menos lesivo para el cerebro. A diferencia de la
PKU clásica, en la que la concentración plasmática de fenilalanina es mayor
de 1.000 µmol/l cuando el paciente recibe una dieta normal, la
hiperfenilalaninemia sin PKU se define por unas concentraciones
plasmáticas mayores del límite normal (120 µmol/l), pero menores que las
observadas en la PKU clásica. Si el aumento en la hiperfenilalaninemia sin
PKU es pequeño (<400 µmol/l), no se requiere tratamiento; estos individuos
sólo llaman la atención clínica porque se identifican mediante el cribado
neonatal (v. cap. 17). Su fenotipo normal ha constituido la mejor indicación
del nivel «seguro» de la concentración plasmática de fenilalanina que no se
debe superar en el tratamiento de los pacientes con PKU clásica. La
asociación de estos tres fenotipos clínicos con las mutaciones del gen PAH es
un ejemplo claro de heterogeneidad alélica causante de heterogeneidad
clínica (v. tabla 12-1).
Enz im a s m uta nte s y e nf e r m e da de s: conce ptos ge ne r a le s
Los siguientes conceptos son fundamentales para la comprensión y el
tratamiento de enzimopatías.
• Patrones de herencia
Las enzimopatías son casi siempre recesivas o ligadas al cromosoma X (v.
cap. 7). La mayoría de las enzimas se producen en cantidades
significativamente mayores de los requisitos bioquímicos mínimos, por
lo que los heterocigotos (habitualmente con una actividad residual de
alrededor del 50%) no presentan anomalías clínicas. De hecho, muchas
enzimas pueden mantener unos niveles normales del sustrato y del
producto con actividades menores del 10%, un aspecto importante para
DrBurgos
503
el diseño de estrategias terapéuticas (p. ej., homocistinuria por
deficiencia de cistationina sintasa, v. cap. 13). Las enzimas de la síntesis
de porfirina son excepciones (v. el análisis de la porfiria aguda
intermitente en el texto principal, más adelante).
• Acumulación del sustrato o deficiencia del producto
Dado que la función de una enzima es convertir un sustrato en un
producto, todas las consecuencias fisiopatológicas de enzimopatías se
pueden atribuir a la acumulación del sustrato (como en la PKU), a la
deficiencia del producto (como en la deficiencia de glucosa-6-fosfato
deshidrogenasa) (Caso 19), o alguna combinación de ambas (fig. 12-3).
• Sustratos difusibles frente a macromoleculares
Se puede establecer una distinción importante entre los defectos
enzimáticos donde el sustrato es una molécula pequeña (tales como
fenilalanina, que se pueden distribuir fácilmente por los líquidos
corporales por difusión o transporte) y los defectos en los que el sustrato
es una macromolécula (como un mucopolisacárido, que permanece
atrapado en su orgánulo o célula). Las modificaciones patológicas de las
enfermedades macromoleculares, como la enfermedad de Tay-Sachs, se
limitan a los tejidos donde se acumula el sustrato. Por el contrario, el sitio
de la enfermedad en los trastornos debidos a moléculas pequeñas suele
ser impredecible, debido a que el sustrato no metabolizado o sus
derivados pueden moverse libremente por todo el cuerpo, lesionando
células que en condiciones normales pueden no tener relación con la
enzima afectada, como en la PKU.
• Pérdida de múltiples actividades enzimáticas
Un paciente con un defecto monogénico puede tener una pérdida de
función de más de una enzima. Hay varios mecanismos posibles: las
enzimas pueden utilizar el mismo cofactor (p. ej., deficiencia de BH4); las
enzimas pueden compartir una subunidad o una proteína activadora, de
procesamiento o de estabilización común (p. ej., gangliosidosis GM2);
puede que todas las enzimas sean procesadas por una enzima
modificadora común y, en su ausencia, pueden ser inactivas, o puede
verse afectada su captación por un orgánulo (p. ej., enfermedad de células I,
en la que la incapacidad para añadir manosa 6-fosfato a muchas enzimas
lisosómicas elimina la capacidad de las células para reconocer e
interiorizar las enzimas); y un grupo de enzimas pueden estar ausentes o
ser ineficaces si el orgánulo en el que se encuentran normalmente no se
forma o es anormal (p. ej., síndrome de Zellweger, un trastorno de la
biogénesis de peroxisomas).
• Homología fenotípica
Las enfermedades debidas a deficiencias de otras enzimas que intervienen
en la misma vía metabólica (p. ej., las mucopolisacaridosis), así como los
diferentes fenotipos que pueden deberse a los defectos parciales o
completos de una enzima, suelen compartir las características patológicas
y clínicas secundarias a un defecto enzimático. Los defectos parciales
DrBurgos
504
suelen presentar anomalías clínicas que son una parte de las observadas
con la deficiencia completa, aunque la relación etiológica entre ambas
enfermedades puede no ser evidente. Por ejemplo, la deficiencia parcial
de la enzima de la vía de las purinas hipoxantina-guanina
fosforribosiltransferasa sólo provoca hiperuricemia, mientras que la
deficiencia completa causa hiperuricemia y una enfermedad neurológica
grave, el síndrome de Lesch-Nyhan, similar a una parálisis cerebral.
FIGURA 12-3 Modelo de vía metabólica donde se demuestra que los efectos
potenciales de una deficiencia enzimática son la acumulación del sustrato (S) o
sus derivados (S1, S2, S3), y la deficiencia del producto (P) o de sus compuestos
(P1, P2). En algunos casos, los derivados del sustrato son metabolitos menores
que se forman en mayor cantidad cuando se acumula el sustrato (p. ej., el
fenilpiruvato en la fenilcetonuria).
Heterogeneidad alélica y heterogeneidad de locus en las
hiperfenilalaninemias
Heterogeneidad alélica en el gen PAH
Se ha observado un grado extraordinario de heterogeneidad alélica en el
locus PAH (más de 700 mutaciones diferentes en todo el mundo) en pacientes
con hiperfenilalaninemia asociada a PKU clásica, con variante de PKU y con
hiperfenilalaninemia sin PKU (v. tabla 12-1). Siete mutaciones explican la
mayoría de los alelos mutantes conocidos en poblaciones de origen europeo,
mientras que otras seis mutaciones son las responsables de la mayoría de las
mutaciones de PAH en poblaciones asiáticas (v. fig. 12-4). Las mutaciones
restantes causantes de enfermedad son infrecuentes a nivel individual. Para
registrar la información y mantenerla a disposición de la sociedad, un
consorcio internacional ha creado una base de datos relativa a la PAH.
DrBurgos
505
FIGURA 12-4 Naturaleza e identidad de las mutaciones de PAH en grupos
de población de origen europeo y asiático (este último correspondiente a
personas de China, Corea y Japón).
Se utiliza el código de aminoácidos de una letra (v. tabla 3-1). Véase Créditos de
figuras.
La heterogeneidad alélica en el locus PAH tiene consecuencias clínicas
importantes. La principal es el hecho de que la mayoría de los pacientes con
hiperfenilalaninemia son heterocigotos compuestos (es decir, poseen dos
alelos diferentes causantes de la enfermedad) (v. cap. 7). Esta heterogeneidad
DrBurgos
506
alélica explica la mayor parte de la heterogeneidad enzimática y fenotípica
observada en esta población de pacientes. Por tanto, las mutaciones que
eliminan o reducen de manera importante la actividad PAH suelen causar la
PKU clásica, mientras que una actividad enzimática residual mayor se asocia
a fenotipos más leves. No obstante, en los pacientes homocigotos con ciertas
mutaciones PAH se han observado fenotipos que abarcan toda la gama desde
la PKU clásica hasta la hiperfenilalaninemia sin PKU. Por tanto, en la
actualidad es evidente que hay otras variables biológicas aún no identificadas
(incluyendo, indudablemente, los genes modificadores) que generan
variaciones en el fenotipo asociado a cualquier fenotipo específico. Esta falta
de una correlación estricta entre genotipo y fenotipo, que al principio es un
tanto sorprendente, actualmente se considera un rasgo común en muchas
enfermedades monogénicas y subraya el hecho de que incluso los rasgos
monogénicos como la PKU no son trastornos genéticamente «simples».
Defectos en el metabolismo de la tetrahidrobiopterina
En el 1-3% de los pacientes con hiperfenilalaninemia, el gen PAH es normal y
la hiperfenilalaninemia se debe a un defecto en alguno de los pasos de la
biosíntesis o regeneración de la BH4 (el cofactor de la PAH) (v. tabla 12-1 y fig.
12-2). La asociación de un fenotipo bioquímico único, como el de la
hiperfenilalaninemia, con mutaciones en genes distintos, es un ejemplo de
heterogeneidad de locus (v. tabla 11-1). Las proteínas codificadas por los
genes que manifiestan heterogeneidad de locus actúan generalmente en fases
diferentes de una vía bioquímica única, otro principio de enfermedad
genética ilustrado por los genes asociados con la hiperfenilalaninemia (v. fig.
12-2). Los pacientes con deficiencia en BH4 fueron reconocidos inicialmente
porque desarrollaban problemas neurológicos intensos durante las etapas
iniciales de su vida, a pesar de la administración adecuada de una dieta con
contenido bajo en fenilalanina. Esta mala evolución se debe, en parte, al
requerimiento del cofactor BH4 de otras dos enzimas, la tirosina hidroxilasa y
la triptófano hidroxilasa. Estas hidroxilasas son cruciales para la síntesis de
los neurotransmisores monoaminérgicos como dopamina, noradrenalina,
adrenalina y serotonina (v. fig. 12-2).
La heterogeneidad de locus de la hiperfenilalaninemia tiene gran
relevancia, porque el tratamiento de los pacientes con deficiencia del
metabolismo de BH4 es muy distinto en dos aspectos al de los que presentan
mutaciones en el gen PAH. En primer lugar, la enzima PAH de los pacientes
con defectos en la BH4 es normal, su actividad se puede restablecer mediante
dosis elevadas de BH4 por vía oral, lo que da lugar a una disminución en sus
concentraciones plasmáticas de fenilalanina. Esta práctica pone de relieve el
principio de reposición del producto en el tratamiento de algunas
enfermedades genéticas (v. cap. 13). Por consiguiente, la restricción de
fenilalanina puede relajarse considerablemente en la dieta de los pacientes
con defectos en el metabolismo de la BH4 se puede disminuir de manera
DrBurgos
507
significativa y algunos de ellos pueden tolerar una dieta normal (es decir, sin
restricción de fenilalanina). En segundo lugar, también se debe intentar la
normalización de los neurotransmisores en el cerebro de estos pacientes
mediante la administración de los productos de la tirosina hidroxilasa y de la
triptófano hidroxilasa, es decir, L-dopa y 5-hidroxitriptófano,
respectivamente (v. fig. 12-2 y tabla 12-1).
Hay que destacar que las mutaciones de la sepiapterina reductasa, una
enzima de la síntesis de BH4, no causan hiperfenilalaninemia. En este caso,
sólo se observa una distonía sensible a dopa, debido a la alteración de la
síntesis de dopamina y serotonina (v. fig. 12-2). Se cree que existen vías
alternativas para el paso final de la síntesis de BH4, que compensan la
deficiencia de sepiapterina reductasa en los tejidos periféricos, lo que supone
un ejemplo de redundancia genética.
Por estas razones, se debe evaluar a todos los lactantes con
hiperfenilalaninemia para descartar la posibilidad de que su cuadro de
hiperfenilalaninemia se deba a una alteración del metabolismo de la PAH o la
BH4. Por tanto, las hiperfenilalaninemias ilustran la importancia clínica de
obtener un diagnóstico molecular específico en todos los pacientes con un
fenotipo patológico, pues el defecto genético subyacente puede no ser el que
se sospecha en primera instancia, y el tratamiento puede variar de forma
consecuente.
Respuesta a la tetrahidrobiopterina en las mutaciones del gen
PAH
Muchos pacientes con hiperfenilalaninemia y mutaciones en el gen PAH (sin
alteraciones en el metabolismo de la BH4) también responden a dosis orales
elevadas del cofactor BH4, con una disminución sustancial de sus
concentraciones plasmáticas de fenilalanina. Por tanto, la suplementación con
BH4 es un tratamiento complementario importante para los pacientes con
PKU de este tipo y les permite una restricción menor de la ingesta de
fenilalanina en la dieta. Los pacientes con mayores probabilidades de
respuesta son los que muestran una actividad residual significativa de la
PAH (es decir, los pacientes con variante de PKU y con hiperfenilalaninemia
sin PKU), pero incluso también se observa una respuesta en una pequeña
proporción de pacientes con PKU clásica. Sin embargo, la presencia de una
actividad residual de la PAH no garantiza necesariamente un efecto de la
administración de BH4 sobre las concentraciones plasmáticas de fenilalanina.
Más que ello, el grado de respuesta frente a la BH4 va a depender de las
propiedades específicas de cada proteína PAH mutante, lo que refleja la
heterogeneidad alélica subyacente a las mutaciones en el gen PAH.
El aporte de mayores cantidades de un cofactor es una estrategia general
que se ha utilizado para el tratamiento de muchos errores congénitos del
metabolismo enzimático, como se describe con más detalle en el capítulo 13.
De forma general, un cofactor contacta con el componente proteico de una
DrBurgos
508
enzima (denominado apoenzima) para constituir la holoenzima activa, que
consta tanto del cofactor como de la apoenzima que sería inactiva sin él. Un
ejemplo de esta estrategia es la suplementación de BH4, que ha demostrado
ejercer su efecto beneficioso mediante uno o varios mecanismos, que son
secundarios al aumento de la cantidad del cofactor que contacta con la
apoenzima PAH mutante. Entre estos mecanismos, pueden citarse la
estabilización de la enzima mutante, la protección de la enzima de la
degradación por la célula, así como el aumento del aporte del cofactor a una
enzima mutante que tiene una baja afinidad por la BH4.
Cribado neonatal
La PKU es el prototipo de las enfermedades genéticas en las que está
justificado el cribado neonatal masivo (v. cap. 18), ya que es relativamente
frecuente en algunas poblaciones (hasta alrededor de 1 de cada 2.900 nacidos
vivos), el cribado poblacional es factible, la ausencia de tratamiento tiene
consecuencias graves (retraso profundo del desarrollo), y el tratamiento es
eficaz si se inicia en una etapa precoz de la vida. Para dar tiempo a que se
produzca el aumento posnatal de las concentraciones sanguíneas de
fenilalanina, el análisis se realiza después de 24 horas de vida. La sangre de
una punción del talón se analiza en un laboratorio central para determinar los
niveles de fenilalanina en la sangre y de la proporción fenilalanina:tirosina.
Los resultados positivos deben confirmarse rápidamente, porque un retraso
del tratamiento superior a 4 semanas tras el nacimiento tiene consecuencias
graves sobre el resultado intelectual.
Fenilcetonuria materna
Inicialmente, la dieta con contenido bajo en fenilalanina se interrumpía hacia
la etapa media de la niñez en los pacientes con PKU. Sin embargo,
posteriormente se descubrió que casi todos los hijos de mujeres con PKU que
no reciben tratamiento presentan alteraciones clínicas; la mayoría sufre un
retraso del desarrollo grave y muchos presentan microcefalia, retraso del
crecimiento y malformaciones, especialmente cardíacas. Tal como establecen
los principios de la herencia mendeliana, todos estos niños son heterocigotos.
Por tanto, su retraso del neurodesarrollo no se debe a su propia constitución
genética, sino al efecto intensamente teratogénico de las concentraciones
elevadas de fenilalanina en la circulación materna. Por ello, es imprescindible
que las mujeres con PKU que desean quedarse embarazadas comiencen a
tomar una dieta con contenido bajo en fenilalanina antes de que tenga lugar
la fecundación.
Enfermedades de almacenamiento lisosómico:
una clase especial de enzimopatías
Los lisosomas son orgánulos rodeados por membrana que contienen diversas
DrBurgos
509
enzimas hidrolíticas implicadas en la degradación de varias macromoléculas
biológicas. Las mutaciones de estas hidrolasas son especiales, porque dan
lugar a la acumulación de sus sustratos en el interior del lisosoma, donde
quedan atrapados debido a que su gran tamaño impide que salgan del
orgánulo. Su acumulación y, en ocasiones, su toxicidad interfieren con la
función celular normal, lo que acaba causando la muerte celular. Además, la
acumulación del sustrato es responsable de una característica clínica
uniforme de estas enfermedades: su progresión implacable. En la mayoría de
estas enfermedades, el almacenamiento del sustrato aumenta la masa de los
tejidos y órganos afectados. Cuando se afecta el cerebro, el cuadro clínico es el
de un proceso neurodegenerativo. Los fenotipos clínicos son muy específicos
y permiten a menudo establecer de manera sencilla el diagnóstico de una
enfermedad por acumulación lisosómica. Se han descrito más de 50
deficiencias de hidrolasas lisosómicas o de deficiencias del transporte a través
de la membrana lisosómica, casi todas ellas con un patrón de herencia
autosómico recesivo. Con anterioridad, estas enfermedades no tenían
tratamiento. Sin embargo, el trasplante de médula ósea y el tratamiento
enzimático sustitutivo han mejorado drásticamente el pronóstico de estos
trastornos (v. cap. 13).
Enfermedad de Tay-Sachs
La enfermedad de Tay-Sachs (Caso 43) forma parte de un grupo heterogéneo
de enfermedades por acumulación lisosómica denominado gangliosidosis
GM2 y que se debe a la imposibilidad de degradación de un esfingolípido, el
gangliósido GM2 (fig. 12-5). La alteración bioquímica es una deficiencia
importante de hexosaminidasa A (hex A). A pesar de que esta enzima es
ubicua, la enfermedad causa alteraciones clínicas casi únicamente en el
cerebro, que es el órgano en el que predomina la síntesis del gangliósido GM2.
La enzima hex A catalíticamente activa es el producto de un sistema
constituido por tres genes (v. fig. 12-5). Estos codifican las subunidades α y β
de la enzima (los genes HEXA y HEXB, respectivamente), y también una
proteína activadora que debe entrar en contacto con el sustrato y la enzima
antes de que la propia enzima pueda fragmentar el residuo N-acetil-βgalactosamina terminal del gangliósido.
DrBurgos
510
FIGURA 12-5 Sistema de tres genes necesario para la actividad de la
hexosaminidasa A y las enfermedades producidas por defectos en cada uno
de los genes.
La función de la proteína activadora es enlazar el sustrato gangliósido y
presentarlo a la enzima. Hex A, hexosaminidasa A; hex B, hexosaminidasa B;
NANA, ácido N-actil neuramínico. Véase Créditos de figuras.
Las manifestaciones clínicas de los defectos en estos tres genes son
indistinguibles, pero se pueden diferenciar a través del análisis enzimático.
Las mutaciones en el gen HEXA afectan a la subunidades α y alteran la
actividad de la enzima hex A dando lugar a la enfermedad de Tay-Sachs (o a
variantes menos graves de deficiencias de hex A). Los defectos en el gen
HEXB y en el gen que codifica la proteína activadora disminuyen la actividad
de las enzimas hex A y hex B (v. fig. 12-5) dando lugar, respectivamente, a la
enfermedad de Sandhoff o a una deficiencia de la proteína activadora (que es
muy infrecuente).
La evolución clínica de la enfermedad de Tay-Sachs es trágica. Los lactantes
afectados tienen características externas normales hasta alrededor de los 3-6
meses de edad, cuando empiezan a desarrollar gradualmente un deterioro
neurológico progresivo hasta su fallecimiento a los 2-4 años. Los efectos de la
muerte neuronal se pueden observar directamente al formarse la denominada
mancha «rojo cereza» de la retina (Caso 43). Por el contrario, los alelos HEXA
con una cierta actividad residual dan lugar a formas de inicio tardío de la
afectación neurológica con manifestaciones como cuadros de disfunción de la
segunda motoneurona y cuadros de ataxia secundaria a degeneración
espinocerebelosa. A diferencia de lo que ocurre con las formas infantiles, la
visión y la inteligencia suelen ser normales, aunque una tercera parte de estos
pacientes desarrolla psicosis. Por último, los alelos de pseudodeficiencia
(que se describen a continuación) no causan ninguna enfermedad.
DrBurgos
511
Alelos de pseudodeficiencia de hex A y su significado clínico
Una consecuencia inesperada de la detección de los portadores de la
enfermedad de Tay-Sachs en la población de judíos asquenazíes fue el
descubrimiento de una clase específica de alelos hex A, los denominados
alelos de pseudodeficiencia. Aunque los dos alelos de pseudodeficiencia son
clínicamente benignos, los individuos en quienes se diagnostica una
pseudodeficiencia en las pruebas de cribado son compuestos genéticos con
un alelo de pseudodeficiencia en un cromosoma y una mutación habitual de
Tay-Sachs en el otro cromosoma. Estos individuos muestran un nivel bajo de
actividad hex A (alrededor del 20% de la existente en los controles) que
todavía es suficiente para evitar la acumulación del gangliósido GM2 en el
cerebro. La importancia de los alelos de pseudodeficiencia hex A es doble. En
primer lugar, complican el diagnóstico prenatal debido a que un feto con
estos alelos de pseudodeficiencia puede ser diagnosticado incorrectamente
como afectado por la enfermedad. En términos más generales, el
reconocimiento de los alelos de pseudodeficiencia hex A indica que los
programas de cribado para otras enfermedades genéticas deben reconocer
que puede haber alelos comparables en otros loci y es posible que se
produzcan errores en la caracterización correcta de los individuos en las
pruebas de cribado o en las pruebas diagnósticas.
Genética de grupos de población concretos
En muchas enfermedades monogénicas, algunos alelos se observan con una
frecuencia mayor en algunos grupos concretos de la población (v. cap. 9). Esta
situación queda ilustrada por la enfermedad de Tay-Sachs, en la que tres
alelos constituyen el 99% de las mutaciones observadas en los pacientes
judíos asquenazíes. La más frecuente de ellas (fig. 12-6) supone alrededor del
80% de los casos. Aproximadamente, uno de cada 27 judíos de origen
asquenazí es portador de un alelo Tay-Sachs, y la incidencia de lactantes
afectados es 100 veces mayor que en otros grupos de población. La
explicación más probable de esta elevada frecuencia es la existencia de un
efecto fundador o de una ventaja heterocigota (v. cap. 9). Debido a que la
mayoría de los judíos asquenazíes portadores presentan uno de los tres alelos
comunes, un resultado útil de la caracterización molecular de la enfermedad
en este grupo de población es la mayor sencillez de la detección de los
portadores mediante técnicas de cribado.
DrBurgos
512
FIGURA 12-6 Inserción de cuatro bases (TATC) en el gen de la
hexosaminidasa A (hex A) en la enfermedad de Tay-Sachs, que origina una
mutación de cambio de marco de lectura.
Esta mutación es la causa principal de la enfermedad de Tay-Sachs en los judíos
asquenazíes. No se produce proteína hex A detectable, lo que origina la
deficiencia total de enzima que se observa en estos pacientes y que se inicia en la
infancia.
Alteración de la función de la proteína debido a
una modificación postraduccional anómala
Pérdida de la glucosilación: enfermedad de células I
Algunas proteínas poseen una información en su secuencia primaria de
aminoácidos que las dirige hacia sus zonas de localización subcelular,
mientras que otras se localizan en función de modificaciones
postraduccionales. Este último mecanismo sucede con las hidrolasas ácidas
que se encuentran en los lisosomas, aunque esta forma de tráfico de señales
celulares no fue reconocida hasta el descubrimiento de la enfermedad de
células I, una enfermedad por acumulación lisosómica autosómica recesiva
grave. Este trastorno cursa con una gama de efectos fenotípicos que consisten
en rasgos faciales, alteraciones esqueléticas, retraso del crecimiento y
discapacidad intelectual, así como una supervivencia menor de 10 años (fig.
12-7). El citoplasma de los fibroblastos cutáneos cultivados a partir de
pacientes con enfermedad de células I contiene numerosos lisosomas
anómalos o inclusiones (por lo que se denominan células con inclusiones o
células I).
DrBurgos
513
FIGURA 12-7
Características faciales y corporales de la enfermedad de células I
en una niña de 18 meses. Véase Créditos de figuras.
En la enfermedad de células I, los niveles celulares de muchas de las
hidrolasas ácidas lisosómicas aparecen en exceso en los líquidos corporales.
Esta situación excepcional se debe a que las hidrolasas de estos pacientes no
se han modificado adecuadamente después de la traducción. Una hidrolasa
típica es una glucoproteína cuya parte de azúcar contiene residuos manosa,
algunos de los cuales están fosforilados. Los residuos de manosa 6-fosfato son
esenciales para el reconocimiento de las hidrolasas por parte de receptores
localizados en la superficie de la membrana celular y lisosómica. En la
enfermedad de células I hay un defecto en la enzima que transfiere un grupo
fosfato a los residuos de manosa. El hecho de que estén afectadas muchas
enzimas es congruente con la diversidad de las alteraciones clínicas que se
DrBurgos
514
observan en estos pacientes.
Incremento de la glucosilación: mutaciones que crean nuevos
sitios (anómalos) de glucosilación
A diferencia de lo que ocurre en las situaciones de falta de glucosilación de
las proteínas (cuyo ejemplo principal es la enfermedad de células I), también
se ha observado que una proporción inesperadamente elevada (alrededor del
1,5%) de las mutaciones de cambio de sentido que causan enfermedades
humanas se pueden asociar a un incremento anómalo de la N-glucosilación
debido a mutaciones que crean nuevos sitios de consenso para la Nglucosilación en las proteínas mutantes. El hecho de que estos nuevos sitios
puedan dar lugar realmente a una glucosilación inapropiada de la proteína
mutante, con consecuencias patogénicas, se pone de relieve en un trastorno
autosómico recesivo infrecuente, la susceptibilidad mendeliana frente a las
enfermedades micobacterianas (MSMD, mendelian susceptibility to
mycobacterial disease).
Los pacientes con MSMD tienen defectos en diversos genes que regulan los
mecanismos de defensa frente a algunas infecciones. Por tanto, son
susceptibles a las infecciones diseminadas tras una exposición a especies de
micobacterias moderadamente virulentas, tal como el bacilo de CalmetteGuérin (BCG) utilizado en todo el mundo como vacuna frente a la
tuberculosis, y también cuando quedan expuestas a bacterias no tuberculosas
del ambiente que normalmente no causan enfermedad. Algunos pacientes
con MSMD son portadores de mutaciones de cambio de sentido en el gen del
receptor 2 del interferón γ (IFNFGR2) que genera sitios nuevos para la Nglucosilación en la proteína IFNFGR2 mutante. Estos nuevos sitios dan lugar
a la síntesis de un receptor excesivamente grande y excesivamente
glucosilado. Los receptores mutantes alcanzan la superficie celular, pero no
responden frente al interferón γ. También se ha observado que las
mutaciones que dan lugar a un incremento de la glucosilación inducen una
disminución de la función proteica en algunos otros trastornos monogénicos.
El descubrimiento de que la eliminación de los polisacáridos anormales
restaura la función de las proteínas IFNFGR2 mutantes en la MSMD ofrece
esperanzas de que las enfermedades de este tipo se puedan tratar con terapias
químicas que reduzcan la glucosilación excesiva.
Disminución de la función proteica debido a la
alteración de la unión o el metabolismo de los
cofactores
Algunas proteínas adquieren actividad biológica solamente después de
unirse a cofactores, tal como la BH4 en el caso de la PAH, ya comentado.
También son conocidas las mutaciones que interfieren con la síntesis, la unión
o el transporte de un cofactor, y la separación entre la proteína y el cofactor
DrBurgos
515
(en los casos en los que la unión del ligando es covalente). En lo que se refiere
a muchas de estas proteínas mutantes, el incremento en la concentración
intracelular del cofactor es, a menudo, capaz de restablecer parte de la
actividad residual de la enzima mutante; por ejemplo, mediante el
incremento de la estabilidad de la proteína mutante. En consecuencia, los
defectos enzimáticos de este tipo están en el grupo de los trastornos genéticos
con una respuesta mayor frente a tratamientos bioquímicos específicos,
debido a que el cofactor de su precursor es, con frecuencia, una vitamina
hidrosoluble que se puede administrar con seguridad en grandes cantidades
(v. cap. 13).
Alteración de la unión al cofactor: homocistinuria secundaria a
deficiencia de cistationina sintasa
La homocistinuria secundaria a la deficiencia de cistationina sintasa (fig. 128) fue una de las primeras aminoacidopatías reconocidas. El fenotipo clínico
de este trastorno autosómico recesivo es, a menudo, espectacular. Las
características más habituales son luxación del cristalino, discapacidad
intelectual, osteoporosis, huesos largos y tromboembolia en venas y arterias,
un fenotipo que se puede confundir con el del síndrome de Marfan, un
trastorno del tejido conjuntivo (Caso 30). Se considera que la acumulación de
homocisteína es clave en la mayor parte o la totalidad de la patología.
FIGURA 12-8 Defectos genéticos en las vías que afectan a la cistationina
sintasa, o a la propia enzima, y que causan homocistinuria.
La homocistinuria clásica se debe a una cistationina sintasa defectiva. Varios
defectos distintos del metabolismo intracelular de las cobalaminas (no se
muestran) disminuyen la síntesis de metilcobalamina (metil-B12) y, por tanto, de la
función de la metionina sintasa. Los defectos de metilén-H4-folato reductasa (no
se muestran) reducen la cantidad de metil-H4-folato, lo que también altera la
función de la metionina sintasa. Algunos pacientes con anomalías de la
cistationina sintasa responden a dosis elevadas de vitamina B6, con un
incremento de la síntesis de piridoxal fosfato, que a su vez aumenta la actividad
de la cistationina sintasa y constituye un tratamiento de la enfermedad (v. cap.
13).
La homocistinuria fue una de las primeras enfermedades genéticas en las
que se demostró la respuesta terapéutica frente a una vitamina; el fosfato de
DrBurgos
516
piridoxal es el cofactor de la enzima, y la administración de cantidades
elevadas de piridoxina (el precursor vitamínico del cofactor) alivia a menudo
las alteraciones bioquímicas y la enfermedad clínica (v. cap. 13). En muchos
pacientes, la afinidad de la enzima mutante por el fosfato de piridoxal está
disminuida, lo que indica que la anomalía en la conformación de la proteína
altera su unión al cofactor.
No todos los casos de homocistinuria se deben a mutaciones de la
cistationina sintasa. Las mutaciones de cinco enzimas diferentes del
metabolismo de la cobalamina (vitamina B12) o del ácido fólico también
pueden aumentar los niveles de homocisteína en los líquidos corporales.
Estas mutaciones alteran la provisión del cofactor de la vitamina B12, la
metilcobalamina (metil-B12), o de metil-H4-folato (v. fig. 12-8), por lo que son
otro ejemplo (como los defectos de la síntesis de BH4 causantes de
hiperfenilalaninemia) de enfermedades genéticas debidas a defectos de la
biogénesis de cofactores enzimáticos. La manifestación clínica de estos
trastornos es variable, pero incluye la anemia megaloblástica y los cuadros de
retraso del desarrollo y de falta de crecimiento. Estas enfermedades, todas
ellas autosómicas recesivas, se pueden tratar a menudo de manera parcial o
completa mediante la administración de dosis elevadas de vitamina B12.
Mutaciones de un inhibidor enzimático:
deficiencia de α1-antitripsina
La deficiencia de α1-antitripsina (α1AT) es un trastorno autosómico recesivo
importante que se acompaña de un riesgo sustancial de enfermedad
pulmonar obstructiva crónica (enfisema) (fig. 12-9) y de cirrosis hepática. La
proteína α1AT pertenece a una familia importante de inhibidores de la
proteasa, los inhibidores de la proteasa de serina o serpinas; el nombre formal del
gen es SERPINA1. A pesar de la especificidad que sugiere su nombre, la
α1AT realmente inhibe una amplia gama de proteasas, especialmente la
elastasa liberada por los neutrófilos en el tracto respiratorio inferior.
DrBurgos
517
FIGURA 12-9 Efecto del tabaquismo sobre la supervivencia de los
pacientes con deficiencia de α1-antitripsina.
Las curvas muestran la probabilidad de supervivencia acumulada hasta edades
determinadas de los fumadores con o sin deficiencia de α1-antitripsina. Véase
Créditos de figuras.
En los grupos de población de raza blanca, la deficiencia de α1AT afecta a
alrededor de una de cada 6.700 personas y el 4% de la población general es
portadora. Hay aproximadamente una docena de alelos α1AT asociados a un
mayor riesgo de enfermedad pulmonar o hepática, pero únicamente el alelo Z
(Glu342Lys) es algo más frecuente. La razón de la frecuencia relativamente
elevada del alelo Z en los grupos de población de raza blanca es desconocida,
pero el análisis de haplotipos del DNA sugiere un origen único con
propagación subsiguiente por el norte de Europa. Dado el aumento del riesgo
de enfisema, la deficiencia de α1AT constituye un importante problema de
salud pública que solamente en Estados Unidos afecta aproximadamente a
60.000 personas.
El gen α1AT se expresa principalmente en el hígado, que normalmente
segrega α1AT hacia el plasma. Alrededor del 17% de los homocigotos Z/Z
presenta ictericia neonatal, y en torno al 20% de estos pacientes desarrolla
posteriormente cirrosis. La hepatopatía asociada al alelo Z parece ser el
resultado de la adquisición de una propiedad nueva por la proteína mutante,
es decir, su tendencia a la agregación; esta nueva propiedad afecta a la
proteína que queda atrapada en el retículo endoplásmico (RE) rugoso de los
hepatocitos. Las bases moleculares de la agregación de la proteína Z son
consecuencia de las alteraciones estructurales que tienen lugar en la proteína
Z y que predisponen a la formación de polímeros largos en forma de collares
de perlas correspondientes a la proteína α1AT mutante. Así, igual que ocurre
con la mutación falciforme en la β-globina (v. cap. 11), el alelo Z de la α1AT
es un ejemplo claro de una mutación que confiere una propiedad nueva a la
proteína (en ambos ejemplos, una tendencia a la agregación) (v. fig. 11-1).
DrBurgos
518
Tanto la anemia falciforme como la deficiencia de α1AT que presentan los
homocigotos para el alelo Z son ejemplos de enfermedades
conformacionales hereditarias. Estas enfermedades aparecen cuando una
mutación da lugar al cambio de la configuración o el tamaño de una proteína
de manera que adquiere una predisposición a la autoagregación y a su
depósito en los tejidos. En especial, una parte de la proteína mutante presenta
invariablemente un plegamiento correcto en estos trastornos, incluida la
deficiencia de α1AT. Es destacable el hecho de que no todas las enfermedades
conformacionales son trastornos monogénicos, tal como queda ilustrado –por
ejemplo– por la enfermedad de Alzheimer no familiar (se expone más
adelante) y por las enfermedades causadas por priones.
La enfermedad pulmonar asociada al alelo Z de la deficiencia de α1AT se
debe a la alteración del equilibrio normal entre la elastasa y la α1AT, lo que
da lugar a una degradación progresiva de la elastina de las paredes alveolares
(fig. 12-10). Hay dos mecanismos que contribuyen al equilibrio elastasa:
α1AT. En primer lugar, el bloqueo de la secreción hepática de la proteína Z es
intenso (aunque incompleto), y los pacientes Z/Z muestran tan sólo alrededor
de un 15% de la concentración plasmática normal de α1AT. En segundo
lugar, la proteína Z sólo muestra una capacidad de alrededor del 20% de la
que presenta la proteína α1AT normal respecto a la inhibición de la elastasa
de los neutrófilos. La infusión intravenosa de la α1AT normal se ha llevado a
cabo en algunos pacientes para incrementar la concentración de α1AT en el
plasma con objeto de modificar el desequilibrio elastasa:α1AT. En la
actualidad, aún no está claro si la progresión de la enfermedad pulmonar se
enlentece por el aumento de la α1AT.
DrBurgos
519
FIGURA 12-10 Radiografía torácica posteroanterior de un individuo portador de
dos alelos Z del gen α1AT, con insuflación excesiva e incremento de la
radiotransparencia basal, características del enfisema. Véase Créditos de figuras.
Deficiencia de α1-antitripsina como enfermedad ecogenética
La aparición de enfermedad pulmonar o hepatopatía en los pacientes con
deficiencia de α1AT muestra una gran variabilidad y, a pesar de que hasta el
momento no se han identificado genes modificadores, hay un factor
ambiental (el humo de los cigarrillos) que influye de manera espectacular en
la probabilidad de desarrollar enfisema. El impacto del tabaquismo sobre la
progresión del enfisema es un ejemplo manifiesto del efecto que pueden
causar los factores ambientales en el fenotipo de una enfermedad
monogénica. Así, el porcentaje de personas con el genotipo Z/Z que
sobreviven hasta los 60 años es de alrededor del 60% en el caso de los no
fumadores y sólo de alrededor del 10% en el caso de los fumadores (v. fig. 129). Una explicación molecular del efecto del humo de los cigarrillos es el
DrBurgos
520
hecho de que tanto el humo de los cigarrillos como las células inflamatorias
dan lugar a la oxidación del sitio activo de la α1AT, en la metionina 358,
reduciendo así su afinidad por la elastasa en aproximadamente 2.000 veces.
El campo de la ecogenética, ilustrado por la deficiencia de α1AT, se refiere
a la interacción entre los factores ambientales y diferentes genotipos
humanos. Este área de la genética médica va a adquirir posiblemente una
importancia cada vez mayor a medida que se identifiquen genotipos
indicativos de un incremento en el riesgo de padecimiento de una
enfermedad tras la exposición a ciertos agentes ambientales (p. ej.,
medicamentos, alimentos, productos químicos industriales y virus). En el
momento presente, el área más desarrollada de la ecogenética es la de la
farmacogenética, que se describe en el capítulo 16.
Disregulación de una vía biosintética: porfiria
aguda intermitente
La porfiria aguda intermitente (PAI) es una enfermedad autosómica
dominante que cursa con disfunción neurológica intermitente. El defecto
primario es una deficiencia de porfobilinógeno (PBG) desaminasa, una
enzima de la vía biosintética del grupo hemo, necesaria para la síntesis tanto
de la hemoglobina como de las enzimas metabolizadoras de fármacos del
citocromo P-450 hepático (fig. 12-11). Todas las personas con PAI tienen una
reducción de alrededor del 50% de la actividad enzimática PBD desaminasa,
tanto si muestran una enfermedad clínicamente latente (el 90% de los
pacientes a lo largo de su vida) como si sufren una enfermedad clínicamente
manifiesta (alrededor del 10%). Esta reducción es congruente con un patrón
de herencia autosómica dominante (v. cap. 7). La deficiencia homocigota de
PBG desaminasa (una enzima crucial en la biosíntesis del hemo) sería
presumiblemente incompatible con la vida. La PAI es un ejemplo de
mecanismo molecular por el que una enfermedad autosómica dominante
puede manifestarse sólo episódicamente.
FIGURA 12-11 Patogenia de la porfiria aguda intermitente (PAI).
Los pacientes con PAI clínicamente latentes o afectados tienen alrededor la mitad
del valor de porfobilinógeno (PBG) desaminasa que los controles. Cuando se
incrementa la actividad de la ácido δ-aminolevulínico (ALA) sintasa hepática en
DrBurgos
521
los portadores por exposición a agentes inductores (p. ej., fármacos, agentes
químicos), aumenta la síntesis de ALA y de PBG. La actividad residual de la PBG
desaminasa (aproximadamente el 50% de la de los controles) se sobrecarga, y la
acumulación de ALA y PBG causa la enfermedad clínica. CoA, coenzima A. Véase
Créditos de figuras.
La patogenia de la enfermedad en el sistema nervioso central no se conoce
con certeza, pero puede que esté mediada directamente por el aumento de la
concentración de ácido δ-aminolevulínico (ALA) y PBG que se acumulan
debido a la reducción del 50% de la PBG desaminasa (v. fig. 12-11). Se afectan
los sistemas nerviosos periférico, autonómico y central, con manifestaciones
clínicas diversas. De hecho, este trastorno es uno de los grandes simuladores
en medicina clínica, con manifestaciones que oscilan del dolor abdominal
agudo a la psicosis.
Las crisis clínicas de PAI se desencadenan por diversos factores
precipitantes: fármacos (principalmente, los barbitúricos y, en este sentido, la
porfiria aguda intermitente es una enfermedad farmacogenética; v. cap. 18),
algunas hormonas esteroideas (las enfermedades clínicas causadas por las
mismas son infrecuentes antes de la pubertad y después de la menopausia) y
los estados catabólicos que tienen lugar en las situaciones de reducción de la
dieta, enfermedades intercurrentes e intervenciones quirúrgicas. Los
fármacos provocan manifestaciones clínicas al interactuar con receptores
nucleares sensibles a fármacos en los hepatocitos, que después se unen a
elementos reguladores transcripcionales del gen ALA sintetasa, lo que
aumenta la producción tanto de ALA como de PBG. En individuos normales,
el aumento de ALA sintetasa relacionado con los fármacos es beneficioso,
porque incrementa la síntesis de hemo, lo que permite una mayor formación
de enzimas del citocromo-P450 hepático que metabolizan muchos fármacos.
Sin embargo, en pacientes con PAI, el incremento de ALA sintetasa provoca
la acumulación de ALA y PBG debido a la reducción del 50% de actividad
PBG desaminasa (v. fig. 12-11). El hecho de que la mitad de la actividad
normal de PBG desaminasa sea inadecuada para afrontar los mayores
requerimientos de síntesis de hemo en algunas situaciones explica tanto la
herencia dominante del trastorno como la naturaleza episódica de la
enfermedad clínica.
DrBurgos
522
Defectos de los receptores proteicos
El reconocimiento de una clase de enfermedad debida a la presencia de
defectos en las moléculas receptoras se inició con la identificación, por parte
de Goldstein y Brown, del receptor de las lipoproteínas de densidad baja
(LDL, low density lipoprotein) como el polipéptido afectado en la forma más
frecuente de la hipercolesterolemia familiar. Este trastorno, que da lugar a un
incremento importante del riesgo de infarto miocárdico, se caracteriza por la
elevación de la cantidad de colesterol plasmático transportada por las LDL,
que constituyen la principal proteína transportadora de colesterol en el
plasma. El descubrimiento de Goldstein y Brown ha arrojado mucha luz
sobre el metabolismo normal del colesterol y sobre la biología de los
receptores de la superficie celular en general. La deficiencia del receptor de
LDL es representativa de un cierto número de enfermedades que en la
actualidad se consideran debidas a defectos del receptor.
Hipercolesterolemia familiar: una hiperlipemia
genética
La hipercolesterolemia familiar pertenece a un grupo de trastornos
metabólicos denominados hiperlipoproteinemias, que se caracterizan por la
presencia de concentraciones plasmáticas elevadas de lípidos (colesterol,
triglicéridos o ambos), transportados por lipoproteínas que contienen
apolipoproteína B (apoB). También se han descrito otras
hiperlipoproteinemias monogénicas, cada una de ellas con un genotipo
bioquímico y clínico concreto.
Además de las mutaciones del gen del receptor de LDL (tabla 12-2), las
alteraciones en otros tres genes también pueden causar hipercolesterolemia
familiar (fig. 12-12). De manera específica, los cuatro genes asociados a la
hipercolesterolemia familiar alteran la función o la abundancia del receptor
de LDL en la superficie celular y de la apoB, que es el principal componente
proteico del receptor de LDL y un ligando del receptor de LDL. Dada su
importancia, en primer lugar se revisará la hipercolesterolemia familiar
debida a mutaciones en el receptor de LDL. También se van a exponer las
mutaciones del gen de la proteasa PCSK9; a pesar de que algunas mutaciones
de ganancia de función de este gen causan hipercolesterolemia, la
importancia principal del gen PCSK9 radica en el hecho de que algunas de
sus variantes de secuencia con pérdida de función más frecuentes reducen las
concentraciones plasmáticas de LDL-colesterol, lo que confiere una protección
sustancial frente a la coronariopatía.
Tabla 12-2
Cuatro genes asociados con hipercolesterolemia familiar
DrBurgos
523
Modificada parcialmente de Goldstein JL, Brown MS: The cholesterol quartet. Science 292:1310–1312,
2001.
LDL, lipoproteína de baja densidad.
*
Principalmente en individuos de ascendencia europea.
†
Principalmente en individuos de ascendencia Italiana y de Oriente Medio.
FIGURA 12-12
Las cuatro proteínas relacionadas con la
hipercolesterolemia familiar.
El receptor de lipoproteínas de baja densidad (LDL) se une a la apoproteína B100. Las mutaciones en el dominio de unión al receptor de LDL de la apoproteína
B-100 alteran la unión de las LDL a su receptor, lo que reduce la eliminación de
las LDL-colesterol de la circulación. El agrupamiento del complejo receptor de
LDL-apoproteína B-100 en las depresiones revestidas por clatrina requiere la
proteína adaptadora ARH, que pone en relación al receptor con los mecanismos
endocíticos de la depresión revestida. Las mutaciones homocigotas en la proteína
ARH alteran la internalización del complejo receptor de LDL:LDL, reduciendo así
la eliminación de las LDL. La actividad de la proteasa PCSK9 da lugar a la
degradación lisosómica del receptor de LDL, lo que impide que se recicle para
volver a la membrana plasmática (v. texto).
Hipercolesterolemia familiar debida a mutaciones del receptor de
LDL
Las mutaciones del gen del receptor de LDL (LDLR) constituyen la causa más
frecuente de la hipercolesterolemia familiar (Caso 16). El receptor es una
proteína de la superficie celular responsable de la unión a las LDL y de su
DrBurgos
524
introducción en el interior de la célula. La elevación de las concentraciones
plasmáticas de LDL-colesterol provocan aterosclerosis prematura
(acumulación de colesterol por los macrófagos en el espacio subendotelial de
las arterias principales) y un mayor riesgo de infarto de miocardio y de ictus
tanto en heterocigotos no tratados como en portadores homocigotos de alelos
mutantes. Los estigmas físicos de la hipercolesterolemia son xantomas
(depósitos de colesterol en la piel y los tendones) (Caso 16) y arco corneal
(depósitos de colesterol en la zona periférica de la córnea). Pocas
enfermedades han sido caracterizadas con tanto detalle; se ha documentado
de manera meticulosa la secuencia de acontecimientos patológicos desde el
locus afectado hasta su efecto en los individuos y en los grupos de población.
Genética
La hipercolesterolemia familiar debida a mutaciones en el gen LDLR se
hereda en forma de un rasgo autosómico semidominante. Pueden aparecer
fenotipos homocigotos y heterocigotos, y es evidente un efecto claro de dosis
génica; la enfermedad se manifiesta de manera más temprana y con mucha
mayor gravedad en los homocigotos que en los heterocigotos, lo que refleja
una reducción más intensa en el número de receptores LDL y una elevación
mayor en la concentración plasmática de LDL-colesterol (fig. 12-13). Los
homocigotos pueden presentar una coronariopatía clínicamente significativa
durante la infancia y, si no se tratan, pocos sobreviven más allá de la tercera
década. La forma heterocigota de la enfermedad, que tiene una incidencia
aproximada del 2 por 1.000, es uno de los trastornos monogénicos más
frecuentes. Los heterocigotos presentan concentraciones plasmáticas de
colesterol que son aproximadamente el doble de las que se observan en los
controles (v. fig. 12-13). Dada la naturaleza hereditaria de la
hipercolesterolemia familiar, es importante establecer el diagnóstico en
aproximadamente el 5% de las personas que sobreviven a un infarto
miocárdico prematuro (en menores de 50 años de edad) y que son
heterocigotas para un defecto en el receptor de LDL. Sin embargo, se debe
destacar que, entre las personas de la población general con concentraciones
plasmáticas de colesterol superiores al percentil 95 para la edad y el sexo, sólo
sufre hipercolesterolemia familiar alrededor de una de cada 20 personas; la
mayoría de estos individuos tienen una hipercolesterolemia indefinida
debido a múltiples variantes genéticas frecuentes, como se describe en el
capítulo 8.
DrBurgos
525
FIGURA 12-13
Dosis génica en la deficiencia de lipoproteína de baja
densidad (LDL).
Se muestra la distribución de los valores plasmáticos de colesterol total en 49
pacientes homocigotos para la deficiencia del receptor de LDL, en sus
progenitores (heterocigotos obligados) y en controles normales. Véase Créditos de
figuras.
Captación de colesterol por el receptor de LDL
DrBurgos
526
Las células normales obtienen colesterol a partir de la síntesis de novo o de la
captación a partir del plasma de colesterol exógeno unido a lipoproteínas,
sobre todo LDL. La mayor parte de la captación de LDL está mediada por el
receptor de LDL, que reconoce la apoproteína B-100, la parte proteica de la
LDL. Los receptores LDL localizados en la superficie celular se sitúan en
invaginaciones (depresiones revestidas) recubiertas por la proteína clatrina
(fig. 12-14). Las LDL unidas a su receptor son introducidas en el interior de la
célula mediante la endocitosis de las depresiones revestidas, que –en última
instancia– se convierten en lisosomas en los que las LDL son hidrolizadas con
liberación de colesterol libre. El incremento de la cantidad de colesterol libre
en el medio intracelular reduce la formación endógena de colesterol a través
de la supresión de la enzima limitante de reacción de la vía sintética, 3hidroxi-3-metilglutaril coenzima A (HMG CoA) reductasa. El colesterol que
no es necesario para el metabolismo celular ni la síntesis de las membranas
puede ser reesterificado para su almacenamiento en forma de ésteres de
colesterol, un proceso estimulado por la activación de la acil coenzima
A:colesterol aciltransferasa (ACAT). El incremento del colesterol intracelular
también reduce la síntesis del receptor de LDL (v. fig. 12-14).
FIGURA 12-14 Biología celular y papel bioquímico del receptor de la
lipoproteína de baja densidad (LDL) y las seis clases de mutaciones que
alteran su función.
Tras su síntesis en el retículo endoplásmico, el receptor es transportado al
aparato de Golgi y después a la superficie celular. Los receptores normales se
localizan en depresiones revestidas por clatrina, que se invaginan creando
vesículas revestidas y después endosomas, los precursores de los lisosomas.
Normalmente, la acumulación intracelular de colesterol libre se impide porque el
incremento de éste (A) hace descender la formación de receptores de LDL (B)
reduce la síntesis de colesterol de novo y (C) incrementa el almacenamiento de
ésteres de colesterol. El fenotipo bioquímico de cada clase de mutante se expone
DrBurgos
527
en el texto. ACAT, acil coenzima A:colesterol aciltransferasa; HMG CoA
reductasa, 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima A reductasa. Véase Créditos de figuras.
Clases de mutaciones del receptor de LDL
En el gen LDLR se han identificado más de 1.100 mutaciones diferentes,
distribuidas en toda la secuencia génica y de la proteína. No todas las
mutaciones descritas tienen relevancia funcional, y algunas alteran la función
del receptor en mayor medida que otras. La gran mayoría de los alelos son
sustituciones de nucleótidos únicos, inserciones pequeñas o deleciones; el
reordenamiento estructural explica solamente el 2-10% de los alelos del LDLR
en la mayoría de las poblaciones. El receptor de LDL maduro presenta cinco
dominios estructurales bien definidos que, en su mayoría, realizan funciones
diferenciadas que intermedian en los pasos del ciclo celular de un receptor de
LDL, que se muestran en la figura 12-14. El análisis del efecto de las
mutaciones sobre el receptor según el dominio ha ayudado a definir la
función de cada uno de los dominios. Estos estudios representan un ejemplo
de la importante contribución que puede realizar el análisis genético para la
determinación de las relaciones estructura-función de una proteína.
Los fibroblastos en cultivo procedentes de pacientes afectados se han
utilizado para caracterizar los receptores mutantes y las alteraciones
resultantes en el metabolismo del colesterol celular. Las mutaciones en el gen
LDLR se pueden agrupar en seis clases, según la fase del itinerario celular
normal del receptor alterada por la mutación (v. fig. 12-14).
• Las mutaciones de clase 1 son alelos nulos que impiden la síntesis de
cualquier cantidad detectable del receptor; constituyen el tipo más
frecuente de mutaciones causantes de la enfermedad en este locus. En las
cinco clases restantes el receptor se sintetiza normalmente, pero su función
está alterada.
• Las mutaciones de la clase 2 (al igual que las de clases 4 y 6) definen las
características del polipéptido que es clave para su localización subcelular.
Las mutaciones relativamente frecuentes de clase 2 se denominan
mutaciones con deficiencia de transporte debido a que los receptores LDL se
acumulan en la zona en la que son sintetizados, el RE, y no son
transportados hasta el complejo de Golgi. Se ha determinado que estos
alelos impiden el plegamiento apropiado de la proteína, un requisito
aparente para su salida del RE.
• Los receptores mutantes de clase 3 alcanzan la superficie celular pero son
incapaces de unirse a las LDL.
• Las mutaciones de clase 4 alteran la localización del receptor en la
depresión de la membrana recubierta de clatrina (coated pit) y, en
consecuencia, no tiene lugar la internalización de las LDL unidas al
receptor. Estas mutaciones alteran o eliminan el dominio citoplasmático en
el extremo carboxilo del receptor, lo que demuestra que esta región dirige
normalmente el receptor hacia la depresión recubierta.
DrBurgos
528
• Las mutaciones de clase 5 son alelos de alteración del reciclado. El reciclado
del receptor requiere la disociación entre el receptor y la LDL unidos en el
endosoma. Las mutaciones en el dominio de homología del precursor del
factor de crecimiento epidérmico impiden la liberación del ligando LDL.
Esta falta de liberación da lugar a la degradación del receptor,
presumiblemente debido a que un receptor ocupado no puede volver a la
superficie celular.
• Las mutaciones de clase 6 provocan un direccionamiento defectuoso del
receptor mutante a la membrana basolateral, proceso que depende de una
señal de clasificación en el dominio citoplasmático del receptor. Las
mutaciones que afectan a la señal pueden dirigir erróneamente al receptor
mutante hacia la superficie apical de las células hepáticas, lo que altera el
reciclaje del receptor a la membrana basolateral y causa una reducción
global de la endocitosis del receptor de LDL.
La proteasa PCSK9, una posible diana farmacológica para
reducir el LDL-colesterol
Algunos casos infrecuentes de hipercolesterolemia familiar autosómica
dominante se deben a mutaciones con cambio de sentido que provocan un
aumento de la función del gen que codifica la proteasa PCSK9 (proproteína
convertasa subtilisina/kexina tipo 9). El papel de la PCSK9 es direccionar el
receptor de LDL para su degradación lisosómica, lo que disminuye la
abundancia del receptor en la superficie celular (v. fig. 12-12). Por
consiguiente, el aumento de la actividad de la PSCK9 asociado a mutaciones
con aumento de la función reduce la concentración del receptor de LDL en la
superficie celular por debajo de lo normal, de modo que aumenta la
concentración sanguínea del LDL-colesterol y se incrementa la
coronariopatía.
Por el contrario, las mutaciones con pérdida de función del gen PCSK9
incrementan el número de receptores de LDL en la superficie celular al
reducir la actividad de la proteasa. El aumento de receptores incrementa la
captación celular de LDL-colesterol, lo que disminuye su concentración
sanguínea y protege contra la coronariopatía. Hay que destacar que la
ausencia completa de actividad de PDSK9 en los pocos individuos conocidos
con dos alelos nulos del gen PCSK9 no parece tener consecuencias clínicas
adversas.
Algunas secuencias variantes del gen PCSK9 ofrecen protección
frente a la coronariopatía
El vínculo entre la hipercolesterolemia familiar monogénica y el gen PCSK9
ha sugerido la posibilidad de que algunas secuencias variantes comunes de
este gen pudieran estar relacionadas con concentraciones muy elevadas o
muy bajas de LDL-colesterol en la población general. Un aspecto importante
es la demostración de que diversas variantes de secuencia del gen PCSK9
DrBurgos
529
están relacionadas estrechamente con las concentraciones plasmáticas bajas
de LDL-colesterol (tabla 12-3). Por ejemplo, en la población afroamericana se
observa una de dos variantes PCSK9 sin sentido en el 2,6% de todos los
individuos; cada variante se asocia a una reducción media de alrededor del
40% en las concentraciones de LDL-colesterol. Esta reducción del LDLcolesterol induce un poderoso efecto protector frente a la coronariopatía,
disminuyendo el riesgo en alrededor del 90%; sólo en torno al 1% de las
personas afroamericanas portadoras de una de estas dos variantes sin sentido
de PCSK9 desarrolló coronariopatía en un estudio realizado a lo largo de 15
años, en comparación con casi el 10% de los individuos que no presentaban
ninguna de estas variantes. Un alelo con cambio de sentido (Arg46Leu) es
más frecuente en las personas de raza blanca (detectado en el 3,2% de los
individuos), pero parece conferir sólo una reducción del 50% de la incidencia
de coronariopatía. Estos resultados conllevan implicaciones importantes en
salud pública debido a que indican que las reducciones ligeras pero
sostenidas en las concentraciones plasmáticas de LDL-colesterol de 20-40
mg/dl podrían disminuir significativamente la incidencia de coronariopatía
en la población general. El fuerte efecto protector de los alelos con pérdida de
función del gen PCSK9, junto con la aparente ausencia de secuelas clínicas en
las personas con una ausencia total de actividad PCSK9, ha hecho que la
proteína PCSK9 sea una interesante diana candidata para los fármacos que
inactivan o disminuyen la actividad de la enzima.
Tabla 12-3
Variantes de PCSK9 asociadas con niveles bajos de LDL-colesterol
De Cohen JC, Boerwinkle E, Mosley TH, Hobbs H: Sequence variants in PCSK9, low LDL, and protection
against coronary heart disease, N Engl J Med 354:1264–1272, 2006.
LDL, lipoproteína de baja densidad.
Por último, estos descubrimientos subrayan la manera con la que la
investigación de las enfermedades genéticas infrecuentes puede aportar
conocimientos nuevos importantes respecto a la contribución genética frente
a las enfermedades comunes genéticamente complejas.
Implicaciones clínicas de la genética de la hipercolesterolemia
familiar
DrBurgos
530
El diagnóstico precoz de las hipercolesterolemias familiares es esencial tanto
para permitir la aplicación temprana de tratamientos hipocolesterolemiantes
dirigidos a evitar la coronariopatía como para iniciar el cribado genético de
los familiares de primer grado. Con un tratamiento farmacológico adecuado,
los heterocigotos para la hipercolesterolemia familiar tienen una esperanza de
vida normal. En los homocigotos, el inicio de la coronariopatía puede
diferirse en gran medida con plasmaféresis (que elimina el plasma
hipercolesterolémico), pero al final requerirán un trasplante hepático.
Por último, la definición de las bases bioquímicas de la hipercolesterolemia
familiar ha impactado profundamente sobre el tratamiento de las formas
mucho más frecuentes de hipercolesterolemia esporádica a través del
desarrollo de los fármacos de la clase de las estatinas que inhiben la
biosíntesis de novo de colesterol (v. cap. 13). Las nuevas terapias consisten en
anticuerpos monoclonales que actúan directamente sobre la PCSK9, lo que
reduce el LDL-colesterol un 60% adicional en los ensayos clínicos.
DrBurgos
531
Defectos del transporte
Fibrosis quística
Desde la década de 1960, la fibrosis quística (CF en textos en inglés, de cystic
fibrosis) ha sido una de las enfermedades monogénicas humanas más visible
en los medios de comunicación (Caso 12). Es el trastorno genético autosómico
recesivo mortal más frecuente en los niños de raza blanca, con una incidencia
de aproximadamente un caso por cada 2.500 recién nacidos vivos de raza
blanca (y, por tanto, con una frecuencia del estado de portador de alrededor
de un individuo por cada 25 personas), mientras que es mucho menos
prevalente en otros grupos étnicos, como afroamericanos (1/15.000
nacimientos) y asiático-americanos (1/31.000 nacimientos). El aislamiento del
gen de la CF (denominado CFTR, por regulador transmembrana de la CF) (v.
cap. 10) hace más de 25 años fue uno de los primeros ejemplos de la eficacia
de las estrategias genéticas y genómicas para la identificación de los genes
asociados a enfermedades. Los estudios fisiológicos han demostrado que la
proteína CFTR es un canal del cloruro regulado que se localiza en la
membrana apical de las células epiteliales afectadas por la enfermedad.
Fenotipos de la fibrosis quística
Los pulmones y el páncreas exocrino son los principales órganos afectados
por la CF (Caso 12), aunque una característica diagnóstica principal es el
incremento de las concentraciones de sodio y de cloruro en el sudor (lo suelen
notar en primer lugar los padres del lactante cuando le besan). En la mayoría
de los pacientes con CF, el diagnóstico se basa inicialmente en las alteraciones
pulmonares y pancreáticas, y también en la demostración de una elevación en
la concentración de cloruro en el sudor. Menos del 2% de los pacientes
presenta concentraciones normales de cloruro en el sudor a pesar de
manifestar un cuadro clínico por lo demás típico; en estos casos, el análisis
molecular puede ser útil para descartar la existencia de mutaciones en el gen
CFTR.
El defecto pancreático en la CF es un síndrome de alteraciones digestivas
debido a la deficiencia en la secreción de enzimas pancreáticas (lipasa,
tripsina, quimotripsina). Alrededor del 5-10% de los pacientes con CF
presenta una función exocrina pancreática residual suficiente como para
realizar una digestión normal y, por ello, esta forma de la enfermedad se
denomina fibrosis quística con suficiencia pancreática. Por otra parte, los
pacientes con CF y suficiencia pancreática muestran un crecimiento y un
pronóstico global mejores que la mayoría de los pacientes, que presentan la
forma de insuficiencia pancreática. La heterogeneidad clínica de la afectación
pancreática se debe, al menos en parte, a heterogeneidad alélica, tal como se
expone más adelante.
En los pacientes con CF se pueden observar otros muchos fenotipos. Por
DrBurgos
532
ejemplo, el 10-20% de los recién nacidos con CF presentan obstrucción
neonatal del tracto intestinal bajo (íleo meconial). También está afectado el
tracto genital. Las mujeres con CF muestran sólo una cierta reducción de la
fertilidad, pero más del 95% de los hombres con CF son infértiles debido a la
ausencia de los conductos deferentes, un fenotipo que se ha denominado
ausencia congénita bilateral de los conductos deferentes (ACBCD). En lo
que representa un ejemplo extraordinario de heterogeneidad alélica que
origina un fenotipo parcial, se ha observado que algunos hombres infértiles y
sin otras alteraciones clínicas (es decir, sin enfermedad pulmonar ni
pancreática) presentan ACBCD asociada a alelos mutantes específicos en el
gen CFTR. De la misma manera, algunos individuos con pancreatitis crónica
idiopática son portadores de mutaciones en el gen CFTR a pesar de que
carecen de otros signos clínicos de la CF.
El gen CFTR y su proteína
El gen CFTR tiene 27 exones y abarca unas 190 kb de DNA. Este gen codifica
una gran proteína integral de membrana de unos 170 kD (fig. 12-15). La
proteína pertenece a la denominada familia ABC (casete de unión a
adenosina trifosfato [adenosine triphosphate-binding cassette]) constituida por
proteínas de transporte. Al menos 22 transportadores ABC han sido
implicados en trastornos mendelianos y en fenotipos de rasgos complejos.
FIGURA 12-15
Estructura del gen CFTR y representación esquemática de la
proteína CFTR.
Se muestran mutaciones seleccionadas. Los exones, los intrones y los dominios
de la proteína no están trazados a escala. ∆F508 se produce por la deleción de
TCT o CTT, que sustituye al codón Ile con ATT, con deleción del codón Phe. CF,
fibrosis quística; DM, dominio de membrana; DUN, dominio de unión a nucleótido;
dominio R, dominio regulador. Véase Créditos de figuras.
DrBurgos
533
El canal de cloruro CFTR muestra cinco dominios, tal como se recoge en la
figura 12-15: dos dominios de membrana, cada uno de ellos con seis
secuencias transmembrana; dos dominios de unión a nucleótidos (ATP,
adenosine triphosphate), y un dominio regulador con múltiples sitios de
fosforilación. La importancia de cada dominio quedó demostrada por la
identificación de mutaciones de cambio de sentido que causan CF en todos
ellos (v. fig. 12-15). El poro del canal del cloruro está formado por 12
segmentos transmembrana. El ATP se une a los dominios de unión a
nucleótidos y es hidrolizado, de manera que la energía liberada se utiliza
para la apertura y el cierre del canal. La regulación del canal está mediada, al
menos en parte, por la fosforilación del dominio regulador.
Fisiopatología de la fibrosis quística
La CF se debe a una alteración del transporte de líquidos y electrólitos a
través de las membranas apicales del epitelio. Esta alteración causa
enfermedad en el pulmón, el páncreas, el intestino, el árbol hepatobiliar y el
tracto genital masculino. Las alteraciones fisiológicas se han estudiado con
mayor detalle en lo relativo a las glándulas sudoríparas. La pérdida de la
función del CFTR significa que el cloruro existente en el conducto de las
glándulas sudoríparas no puede ser reabsorbido, lo que da lugar a una
disminución del gradiente electroquímico que permite normalmente que el
sodio atraviese la membrana apical. A su vez, este defecto induce un
incremento de las concentraciones de cloruro y sodio en el sudor. Los efectos
de las alteraciones de la proteína CFTR sobre el transporte de los electrólitos
también han sido estudiados con detalle en los epitelios de las vías
respiratorias y el páncreas. En el pulmón, la absorción excesiva de sodio y la
disminución de la secreción de cloruro dan lugar a una disminución del
componente líquido de la superficie respiratoria. En consecuencia, la capa de
moco del pulmón se adhiere fuertemente a las superficies celulares, alterando
los mecanismos de eliminación del moco correspondientes a la tos y
dependientes de los cilios, y ofreciendo un nicho favorable para el
crecimiento de Pseudomonas aeruginosa, que representa la causa principal de
infección pulmonar crónica en los pacientes con CF.
Genética de la fibrosis quística
Mutaciones en el polipéptido regulador transmembrana de la
fibrosis quística
La mutación más frecuente en la CF es la deleción de un residuo fenilalanina
en la posición 508 (∆F508) del primer pliegue de unión a ATP (NBD1; v. fig.
12-15), que representa alrededor del 70% de todos los alelos CF en los grupos
de población de raza blanca. En estos grupos, sólo hay otras siete mutaciones
con una frecuencia superior al 0,5%; el resto de las mutaciones es muy
infrecuente. Se han identificado mutaciones de todos los tipos, pero el grupo
DrBurgos
534
más abundante (casi la mitad) corresponde a sustituciones de cambio de
sentido. Las mutaciones restantes son puntuales de otros tipos, y el porcentaje
de reordenamiento genómico es inferior al 1%. A pesar de que hay casi 2.000
secuencias variantes del gen de la CF asociadas a enfermedad, el número real
de mutaciones de cambio de sentido que causan enfermedad es desconocido
debido a que sólo unas pocas de ellas han sido evaluadas mediante análisis
funcional. Sin embargo, un nuevo proyecto, denominado Traducción clínica y
funcional de CFTR (Clinical and Functional Translation of CFTR [CFTR2 project;
cftr2.org]) ha logrado asignar con éxito la patogenicidad de más de 125
mutaciones del gen CFTR, que en conjunto suponen al menos el 96% de todos
los alelos del gen CFTR en todo el mundo.
A pesar de que se desconocen las alteraciones bioquímicas específicas
asociadas a la mayoría de las mutaciones CF, se han descrito hasta el
momento seis clases generales de disfunción de la proteína CFTR. Los alelos
representativos de cada clase se muestran en la figura 12-15.
• Las mutaciones de la clase 1 son alelos nulos (no se produce polipéptido
CFTR). Esta clase incluye los alelos con codones de interrupción
prematuros o que generan RNA muy inestables. Debido a que la CFTR es
una proteína de membrana glucosilada, debe ser procesada en el retículo
endoplásmico y en el aparato de Golgi para su glucosilación y secreción.
• Las mutaciones de la clase 2 alteran el plegamiento de la proteína CFTR, lo
que detiene su maduración. El mutante ∆F508 es un ejemplo típico de esta
clase; esta proteína mutante mal plegada no puede salir del retículo
endoplásmico. Sin embargo, el fenotipo bioquímico asociado de la proteína
∆F508 es complejo, debido a que también presenta defectos en la
estabilidad y la activación, además del plegamiento.
• Las mutaciones de clase 3 permiten que la proteína CFTR llegue
normalmente a la superficie celular, pero alteran su función (v. fig. 12-15).
El ejemplo principal es la mutación Gly551Asp, que impide la apertura y
cierre del canal iónico CFTR en la superficie celular. Esta mutación es
particularmente importante, porque aunque supone sólo alrededor del 2%
de los alelos del gen CFTR, se ha demostrado que el fármaco ivacaftor es
muy eficaz a la hora de corregir la función de la proteína mutante
Gly551Asp en la superficie celular, lo que produce una mejoría tanto
fisiológica como clínica (v. cap. 13).
• Las mutaciones de clase 4 se localizan en los dominios de membrana y, en
congruencia con esta localización, dan lugar a alteraciones en la conducción
del ión cloruro.
• Las mutaciones de clase 5 reducen el número de transcritos del gen CFTR.
• Las proteínas mutantes de clase 6 son sintetizadas normalmente, pero
muestran inestabilidad en la superficie celular.
Una genocopia de la fibrosis quística: mutaciones en el gen del
canal epitelial del sodio SCNN1
A pesar de que el gen CFTR es el único que se ha asociado con la CF clásica,
DrBurgos
535
hay varias familias con cuadros clínicos no clásicos (incluidas las infecciones
pulmonares de tipo CF, una afectación intestinal menos grave y la elevación
en las concentraciones de cloruro en el sudor) en las que se han detectado
mutaciones en el gen del canal epitelial del sodio SCNN1, lo que se denomina
genocopia, es decir, un fenotipo que, pese a ser genéticamente distinto, tiene
un fenotipo muy parecido. Esta observación es congruente con la interacción
funcional entre la proteína CFTR y el canal epitelial del sodio. Su significado
clínico principal en el momento presente es la demostración de que los
pacientes con CF no clásica muestran heterogeneidad de locus, y que si no se
identifican mutaciones CFTR en un caso en particular, es necesario considerar
la posibilidad de que existan anomalías del gen SCNN1.
Correlaciones genotipo-fenotipo en la fibrosis quística
Ya que todos los pacientes con la forma clásica de CF parecen presentar
mutaciones en el gen CFTR, la heterogeneidad clínica en la CF ha de deberse
a la heterogeneidad alélica, al efecto de otros loci modificadores o al efecto de
factores no genéticos. Con independencia de los alelos CFTR que pueda tener
un paciente en particular, se ha identificado una contribución genética
significativa de otros genes (modificadores) a varios fenotipos de CF, con
efectos sobre la función pulmonar, la obstrucción intestinal neonatal y la
diabetes.
En los estudios genéticos y clínicos de los pacientes con CF se han
establecido dos principios generales. En primer lugar, el genotipo CFTR
específico es un buen factor predictivo de la función pancreática exocrina. Por
ejemplo, los pacientes que son homocigotos para la mutación ∆F508 común o
para los alelos nulos sufren generalmente insuficiencia pancreática. Por otra
parte, los alelos que permiten la síntesis de una proteína CFTR parcialmente
funcional, tal como Arg117His (v. fig. 12-15) suelen asociarse a insuficiencia
pancreática.
En segundo lugar, sin embargo, el genotipo CFTR específico es un mal
factor predictivo de la gravedad de la enfermedad pulmonar. Por ejemplo,
entre los pacientes que son homocigotos para la mutación ∆F508, la gravedad
de la enfermedad pulmonar es variable. Una razón de esta escasa correlación
genotipo-fenotipo es la variación heredada del gen que codifica el factor de
crecimiento transformante β1 (TGFβ1), como también se describió en el
capítulo 8. De forma global, la evidencia indica que los alelos del gen TGFB1
que aumentan la expresión del TGFβ1 dan lugar a una enfermedad pulmonar
más grave por CF, tal vez al modular la remodelación tisular y las respuestas
inflamatorias. Otros modificadores genéticos de la función pulmonar en la
CF, incluidos los alelos del gen del regulador del desarrollo relacionado con
interferón 1 (IFRD1) y el gen de la interleucina 8 (IL8) pueden actuar al influir
la capacidad del pulmón con CF de tolerar las infecciones. De forma similar,
se han identificado varios genes modificadores para los otros fenotipos
relacionados con la CF, incluida la diabetes, la hepatopatía y el íleo meconial.
DrBurgos
536
El gen de la fibrosis quística en los distintos grupos de
población
En el momento presente no es posible explicar la elevada frecuencia del alelo
mutante CFTR (en uno de cada 50 alelos) que se observa en los grupos de
población de raza blanca (v. cap. 9). Esta enfermedad es mucho menos
frecuente en las personas de razas distintas a la blanca, aunque también se ha
observado en norteamericanos nativos, afroamericanos y asiáticos (p. ej.,
aproximadamente en uno de cada 90.000 hawaianos de origen asiático). El
alelo ∆F508 es el único que hasta el momento ha sido detectado en la práctica
totalidad de los grupos de población de raza blanca, pero su frecuencia (entre
todos los alelos mutantes) muestra variaciones significativas en los diferentes
grupos de población europeos, desde el 88% en Dinamarca hasta el 45% en el
sur de Italia.
En las poblaciones en las que la frecuencia del alelo ∆F508 es de
aproximadamente el 70% de todos los alelos mutantes, alrededor del 50% de
los pacientes son homocigotos para dicho alelo; un 40% adicional son
compuestos genéticos para el alelo ∆F508 y para otro alelo mutante. Además,
aproximadamente el 70% de los portadores de la CF muestra la mutación
∆F508. Como ya se ha comentado previamente, excepto en lo que se refiere a
la mutación ∆F508, otras mutaciones del locus CFTR son infrecuentes, aunque
en algunas poblaciones específicas algunos alelos son relativamente comunes.
Pruebas de cribado en la población general
En el capítulo 18 se exponen los criterios para la aplicación de pruebas de
cribado en la población general respecto a enfermedades como la CF. En la
actualidad, la CF cumple la mayoría de los criterios para su inclusión en las
pruebas de cribado a aplicar en el recién nacido, excepto por el hecho de que
no se ha demostrado que la identificación temprana de los lactantes afectados
mejore significativamente su pronóstico a largo plazo. No obstante, las
ventajas del diagnóstico temprano (como la mejora de la nutrición mediante
la provisión de enzimas pancreáticas) ha hecho que algunos países pongan en
marcha programas de cribado en los recién nacidos. Se suele aceptar en
términos generales que la aplicación universal de pruebas de cribado en los
portadores no se debe considerar hasta que sea posible la detección de al
menos el 90% de las mutaciones en una población. Aunque en Estados
Unidos se han realizado durante varios años pruebas de cribado a las parejas,
la sensibilidad del cribado en portadores para la CF ha estado por debajo del
90% hasta hace poco.
Análisis genético de las familias de los pacientes y diagnóstico
prenatal
La elevada frecuencia del alelo ∆F508 tiene utilidad cuando los pacientes con
CF y sin antecedentes familiares solicitan un test genético. La identificación
del alelo ∆F508 en combinación con un conjunto de 127 mutaciones
DrBurgos
537
frecuentes, sugerida por el American College of Medical Genetics, puede
tener utilidad para predecir las características de los familiares respecto a la
confirmación de la enfermedad (p. ej., en un recién nacido o en el hermano de
un paciente con un cuadro clínico de carácter ambiguo), para la detección de
los portadores y para el diagnóstico prenatal. Teniendo en cuenta el elevado
grado de conocimiento de las mutaciones de la CF en muchos grupos de
población, la detección directa de la mutación es el método de elección para el
análisis genético. Sin embargo, si se aplica el método del análisis de
ligamiento en ausencia del conocimiento de una mutación específica, es
posible un diagnóstico preciso en la práctica totalidad de las familias. En lo
que se refiere a los fetos con un riesgo del 25%, el método de elección es el
diagnóstico prenatal mediante el análisis del DNA a las 10-12 semanas (en el
tejido obtenido mediante biopsia de las vellosidades coriónicas) (v. cap. 17).
Genética molecular y tratamiento de la fibrosis quística
Clásicamente, el tratamiento de la CF se ha dirigido hacia el control de la
infección pulmonar y hacia la mejora de la nutrición. El conocimiento cada
vez mayor de la patogenia molecular ha permitido el diseño de
intervenciones farmacológicas, como el fármaco ivacaftor, que modula la
función del CFTR en algunos pacientes (v. cap. 13). Alternativamente, en la
CF es posible la terapia de transferencia génica, aunque todavía existen
dificultades.
DrBurgos
538
Trastornos de las proteínas estructurales
Complejo de distrofina-glucoproteína:
distrofias de Duchenne y de Becker y otras
distrofias musculares
Al igual que la CF, la distrofia muscular de Duchenne (DMD) ha recibido
una gran atención por parte de la población general y de la comunidad
médica debido a que es una enfermedad causante de atrofia muscular
relativamente frecuente, progresiva y grave, que se asocia a un deterioro
clínico imparable (Caso 14). El aislamiento del gen afectado en esta
enfermedad ligada al cromosoma X y la caracterización de su proteína
(denominada distrofina debido a su asociación con la DMD) han permitido
conocer diversos aspectos de la enfermedad, han mejorado en gran medida el
asesoramiento genético en las familias afectadas y han facilitado la propuesta
de estrategias de tratamiento. El estudio de la distrofina permitió identificar
un complejo mayor de otras proteínas de la membrana muscular asociadas a
distrofias musculares, el complejo distrofina-glucoproteína (DGC, dystrophin
glycoprotein complex), que se describe más adelante en esta sección.
Fenotipo clínico de la distrofia muscular de Duchenne
Los niños afectados son normales durante sus primeros 1-2 años de vida,
pero desarrollan debilidad muscular hacia los 3-5 años (fig. 12-16), cuando
comienzan a tener dificultades para subir escaleras y para levantarse desde la
posición de sentado. El niño suele depender de la silla de ruedas hacia los 12
años de edad. Aunque la DMD es incurable en la actualidad, los avances
recientes en el tratamiento de las complicaciones pulmonares y cardíacas (que
eran las causas principales de mortalidad en los niños con DMD) han
cambiado la enfermedad, pasando de ser un trastorno limitante de la vida a
un cuadro potencialmente mortal. En las fases preclínica y temprana de la
enfermedad, la concentración sérica de creatincinasa es muy elevada (50-100
veces superior al límite alto de la normalidad) debido a que esta enzima es
liberada a partir del músculo afectado. También se observa una afectación
cerebral; en promedio, los niños muestran una disminución moderada del
cociente intelectual (CI) de alrededor de 20 puntos.
DrBurgos
539
FIGURA 12-16 Pseudohipertrofia de las pantorrillas debida a la sustitución del
tejido muscular por tejidos conjuntivo y adiposo en un niño de 8 años con distrofia
muscular de Duchenne. Véase Créditos de figuras.
Fenotipo clínico de la distrofia muscular de Becker
La distrofia muscular de Becker (DMB) también se debe a mutaciones en el
gen de la distrofina, pero los alelos de la DMB dan lugar a un genotipo
mucho más leve. Se establece el diagnóstico de DMB si los pacientes todavía
DrBurgos
540
pueden caminar a los 16 años de edad. Hay una variabilidad significativa en
la progresión de la enfermedad y algunos pacientes mantienen la capacidad
para caminar durante muchos años. En general, los pacientes con DMB son
portadores de alelos mutados que mantienen el marco de lectura de la
proteína de forma que expresan algo de distrofina, aunque a menudo esta
proteína está alterada y aparece con niveles bajos. La distrofina se puede
observar en el músculo de los pacientes con DMB (fig. 12-17). Por el contrario,
los pacientes con DMD muestran una ausencia completa o una cantidad muy
escasa de distrofina.
FIGURA 12-17 Visualización microscópica del efecto de las mutaciones en
el gen de la distrofina en un paciente con distrofia muscular de Becker
(DMB) y en un paciente con distrofia muscular de Duchenne (DMD).
Columna de la izquierda, tinción del músculo con hematoxilina y eosina. Columna
de la derecha, microscopia de inmunofluorescencia con tinción con un anticuerpo
específico para la distrofina. Obsérvense la localización de la distrofina en la
membrana del miocito en el músculo normal, la cantidad reducida de distrofina en
el músculo en la DMB y la ausencia total de distrofina en los miocitos del músculo
en la DMD. Las cantidades de tejido conectivo existente entre los miocitos se
incrementan en el músculo de la DMD. Véase Créditos de figuras.
Genética de la distrofia muscular de Duchenne y de la distrofia
DrBurgos
541
muscular de Becker
Herencia
La DMD presenta una incidencia de alrededor de un paciente por cada 3.300
recién nacidos vivos de sexo masculino, con una tasa de mutación calculada
de 10–4, es decir, un factor de 10 superior a la tasa observada en los genes
afectados en la mayor parte del resto de enfermedades genéticas (v. cap. 4).
De hecho, con una producción de alrededor de 8 × 107 espermatozoides al día,
un hombre normal produce un espermatozoide con una nueva mutación en
el gen DMD cada 10-11 segundos. En el capítulo 7, la DMD aparecía
contemplada como un típico trastorno recesivo ligado al cromosoma X que es
letal en los niños de sexo masculino, de manera que se considera que la
tercera parte de los casos se deben a mutaciones nuevas y que en las dos
terceras partes restantes de los pacientes la madre es portadora (v. también
cap. 16). La inmensa mayoría de las mujeres portadoras no presenta
manifestaciones clínicas, aunque alrededor del 70% muestra concentraciones
séricas de creatincinasa ligeramente elevadas. No obstante, en concordancia
con la inactivación aleatoria del cromosoma X (v. cap. 7), el cromosoma X que
porta el alelo DMD normal parece estar inactivado por encima de un umbral
crítico de células en algunos heterocigotos del sexo femenino. Casi el 20% de
las mujeres adultas portadoras muestra una cierta debilidad muscular,
mientras que el 8% se observan cuadros de miocardiopatía potencialmente
mortal y de discapacidad muscular proximal intensa. En algunos casos
infrecuentes, se han descrito mujeres con el cuadro clínico de la DMD.
Algunas de estas pacientes presentan translocaciones X;autosoma (v. cap. 6),
mientras que otras sólo muestran un cromosoma X (síndrome de Turner) con
una mutación DMD en dicho cromosoma.
La DMB constituye alrededor del 15% de las mutaciones en este locus. Una
diferencia genética importante entre estos fenotipos alélicos es el hecho de
que mientras la DMD es una enfermedad genética mortal, la capacidad
reproductiva de los pacientes de sexo masculino con DMB es elevada (hasta
alrededor del 70% de la normal), de manera que estas personas pueden
transmitir el gen mutante a sus hijas. Por consiguiente, y a diferencia de la
DMD, una elevada proporción de casos de DMB tienen un origen hereditario,
y la proporción de mutaciones nuevas es relativamente escasa (sólo alrededor
del 10%).
El gen DMD y su producto
La característica más destacada del gen DMD es su tamaño, que se ha
estimado en 2.300 kb (el 1,5% de todo el cromosoma X). Este gen de tamaño
enorme es uno de los de mayor tamaño de toda la especie, al menos en un
factor de 10. Su elevada tasa de mutación se podría explicar –al menos
parcialmente– por el hecho de que al tener un gran tamaño tenga más
posibilidades de que se produzcan mutaciones, pero como se describe
DrBurgos
542
después, también es estructuralmente propenso a la deleción y duplicación.
El gen DMD tiene una estructura compleja, con 79 exones y siete promotores
con especificidad tisular. En el músculo, el gran transcrito de la distrofina (14
kb) codifica una proteína enorme de 427 kD (fig. 12-18). En concordancia con
el fenotipo clínico, la proteína es más abundante en los músculos esquelético
y cardíaco, aunque muchos tejidos expresan al menos una isoforma de la
distrofina.
FIGURA 12-18 Representación de la proteína distrofina de longitud
completa, su DNA complementario (cDNA) correspondiente y la distribución
de las deleciones representativas en los pacientes con distrofia muscular de
Becker (DMB) y con distrofia muscular de Duchenne (DMD).
Las duplicaciones parciales del gen (no se muestran) suponen alrededor del 6%
de los alelos de DMD o DMB. El dominio de unión a la actina pone en relación a la
proteína con el citoesqueleto de actina filamentosa. El dominio en varilla actúa
presumiblemente en forma de espaciador entre los dominios N-terminal y Cterminal. El dominio rico en cisteína intermedia interacciones proteína-proteína. El
dominio C-terminal, que está relacionado con un gran complejo glucoproteico
transmembrana (v. fig. 12-19) también existe en tres proteínas relacionadas con la
distrofina (DRP, dystrophin-related proteins): utrofina (DRP-1), DRP-2 y
distrobrevina. Los dominios proteicos no están trazados a escala.
Defectos moleculares y fisiológicos en las distrofias musculares
de Becker y Duchenne
Los defectos moleculares más frecuentes en los pacientes con DMD son las
deleciones (60% de los alelos) (v. figs. 12-18 y 12-19), que no se distribuyen de
forma aleatoria, sino que se agrupan en la mitad 5’ del gen o en una región
central que se observa recurrentemente delecionada (v. figura 12-18). El
mecanismo de la deleción en esta región central es desconocido, pero parece
implicar a la estructura terciaria del genoma y, en algunos casos, a la
recombinación entre secuen