Genética molecular y la fisiopatología de las enfermedades hereditarias

Dr. Ricardo Fujita Alarcón Ph. D. (*)

Resumen

El ADN, la molécula de la información genética tiene 2 funciones fundamentales: i) replicarse y transmitirse sin errores, sea desde el cigoto hasta las 1014 células de un individuo adulto, o para transmitirse a través de las generaciones; y ii) contener en su secuencia de bases la información de las decenas de miles de genes que codifican todas las proteínas de nuestro organismo. Los avances de la biología molecular han permitido determinar las mutaciones (errores) en genes que producen proteínas anómalas, o que son expresadas en cantidades anormales en diversas patologías genéticas. En este manuscrito se presentan algunos ejemplos de estas enfermedades y se esboza el impacto de las mutaciones a diferentes niveles para explicar sus fenotipos.

Summary

The DNA of molecule has 2 main roles: i) to replicate and transmit itself virtually error-free from the zygote up to a whole adult individual, and through successive generations; and ii) to carry the information for the tens of thousands genes coding for all the proteins of our organism. Advances in Molecular Biology have allowed to isolate and determine mutations and abnormal proteins which are the primary cause of several genetic diseases. A few examples of genetic diseases where mutations at different levels explain the phenotype shown by the disease are presented.

"Así como el conocimiento y la práctica actual de la medicina se basa en el conocimiento sofisticado de la anatomía, fisiología y bioquímica, igualmente tratar una enfermedad en el futuro requerirá un conocimiento detallado de la anatomía molecular, fisiología y bioquímica del genoma humano…debemos tener médicos tan buenos en anatomía y fisiología molecular de cromosomas y genes, como el cardiólogo lo es con la estructura del corazón"(Paul Berg, Premio Nobel de Química 1980, co-creador de la técnica del ADN recombinante).

Indudablemente la genética molecular es ya un elemento básico en casi todas las especialidades de la medicina contemporánea. Su importancia se refleja en la rapidez de los avances y la generación de la información a ritmo casi exponencial, lo que hace difícil una compilación actualizada. Por otro lado se está creando gran expectativa debido a su potencial para resolver problemas de salud mediante una farmacología diseñada con conocimiento de los mecanismos moleculares de las enfermedades y la promesa de la terapia génica. En julio de este año se presentó el llamado "borrador del genoma" que contenía la secuencia de cerca del 98% de la secuencia completa de nuestro ADN que se piensa estará completo para el 2,003. Y pensar que hasta hace menos de 2 décadas, la genética era relegada frecuentemente al ejercicio teórico de observación de síntomas de enfermedades genéticas. El análisis cromosómico, algunos estudios bioquímicos y la inmunología estaban entre las pocas ventanas para estudiar materialmente las enfermedades genéticas. Sin embargo, estas tecnologías nunca llegaron al problema medular: caracterizar los genes, entes que eran puramente conceptuales.

Genética Molecular

La biología molecular "resucitó" a la genética materializando al gen, permitiendo su aislamiento, clonación, análisis, caracterización e incluso su manipulación. Además a partir de la secuencia de bases de un gen, se puede deducir la naturaleza de su producto: la proteína. La disciplina híbrida de genética y biología molecular es llamada genética molecular, que en conjunción con las ciencias fisiológicas estudia la estructura, expresión y función de los genes y proteínas dentro de los organismos. Gran parte del interés inicial de la genética molecular se centró en el origen de las patologías hereditarias monogénicas (en general raras). La búsqueda de estos genes inspiró el llamado "Proyecto Genoma Humano" y está ampliando el interés también a enfermedades comunes (frecuentemente mutigénicas y multifactoriales). Actualmente se conoce genes involucrados en la propensión a diabetes, asma, cáncer, enfermedades cardiovasculares, siquiátricas, infecciones, suceptibilidad a fármacos o afinidad por la música entre otras características hereditarias.

El conocimiento de la estructura de los genes y sus proteínas han permitido hacer una "disección molecular" de las enfermedades correlacionando los síntomas con el tipo y lugar de mutaciones, revelando la importancia y función de las diferentes regiones. A veces distintas mutaciones en el mismo gen causan enfermedades clínicamente diferentes, como las distrofias musculares de Duchenne (muy severa y letal) y la de Becker (a veces imperceptible) causadas por mutaciones en distintas partes del gen de la distrofina. Otro ejemplo de un gen con mutaciones con diferentes fenotipos es el gen PPARG cuyas diferentes mutaciones están asociadas con obesidad, diabetes tipo 2 o con cáncer al colon (ver tabla 3). La utilización de organismos modelos mutantes, transgénicos o con genes inactivados (noqueo de genes), así como la inmunocitoquímica permiten estudiar con más detalle la distribución y función de la proteína normal y mutante. El análisis de las mutaciones en humanos sirve para el diagnóstico, pronóstico y en algunos casos prevención de enfermedades. Además el conocimiento de una anomalía a nivel molecular permite el diseño de terapias usando "farmacología inteligente o dirigida" tomando en cuenta las distorsiones de proteínas mutantes; proteínas recombinantes y la promisoria utilización en la terapia génica.

Mutación del ADN: Base molecular de las enfermedades hereditarias

Una carta al editor, que sólo ocupó una página de la revista Nature, es el artículo más trascendente en las ciencias biológicas y médicas del siglo XX (1). Allí se revelaba la estructura del ácido desorribonucleico (ADN) formada por las dos cadenas complementarias antiparalelas explicando 2 requisitos para ser la molécula de la herencia: 1) que se autorreplique y pase de célula a célula y de generación a generación y 2) que contenga información que pueda ser traducida en caracteres.

La replicación del ADN se basa en la complementariedad antiparalela de sus bases. Conociendo la secuencia de una de las cadenas podemos copiar una complementaria (Ver J. Espinoza en este mismo número). Este proceso ocurre normalmente sin errores en la duplicación del material desde el cigoto hasta las 1014 células de un adulto. La información genética está contenida en la secuencia de sus bases y puede ser de 2 tipos: reguladora o codante. Las secuencias reguladoras pueden activar, silenciar, aumentar, disminuir o modular la expresión de un gen en tejidos específicos. Las secuencias codantes contienen una información codificada en grupo de tres bases (codones) y que es traducida en los aminoácidos que componen las proteínas. Así las secuencias reguladoras nos dicen cuándo, cómo y dónde se expresa un gen y las secuencias codantes nos indican qué proteína es producida.

Eventualmente un cambio (mutación) en la secuencia del ADN puede destruir una señal de regulación, cambiar un aminoácido por otro produciendo una distorsión o truncar una proteína. Estos cambios en la expresión y estructura de la proteína serán generalmente contraproducentes y sólo en rarísimas ocasiones una mutación mejorará la eficiencia del producto. Cada proteína tiene un rol bien definido en la célula y en el organismo (estructural, enzimático, regulador, transportador, etc.), rol optimizado, en algunos casos, a través de miles de millones de años de evolución. Si la mutación se produce en células germinales (precursoras de gametos) la información de las proteínas anómalas será transmitidas a través de generaciones.

Una proteína anormal va a producir un disturbio en su entorno ya sea a nivel estructural o funcional que afectará la actividad de un tejido, un órgano o un sistema provocando frecuentemente un cuadro clínico. La severidad dependerá de la distorsión de la proteína, la importancia del tejido, órgano o sistema afectado; o de alternativas para compensar la anomalía (ejm. algunas isoenzimas o vías metabólicas).

Búsqueda de genes responsables de enfermedades

A la fecha se han catalogado alrededor de 5,000 enfermedades genéticas, es decir anomalías causadas por mutaciones en genes y frecuentemente heredadas. OMIM - On Line Mendelian Inheritance in Man -, la biblia de los genetistas clínicos, es una recopilación de enfermedades genéticas clasificadas durante muchos años. OMIM es mantenida al día por Victor McKusick y su equipo y se puede encontrar en http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/searchomim.html. Se percibe un déficit aparente de la cantidad de enfermedades con la cantidad de genes en el genoma (probablemente entre 40,000-80,000) y esto tiene 2 razones principales: la primera es que casi todos de genes se expresan individualmente en estado embrionario y fetal como en un concierto sinfónico: en el momento y con la intensidad precisa para formar, modelar y disolver los diferentes tejidos y órganos a través del desarrollo. Una mutación en esta mayoría de genes dará embriones y fetos con problemas para proseguir en el desarrollo y que no llegan a término. La segunda razón es un problema de percepción médica: lo que parece ser una enfermedad homogénea (el mismo cuadro clínico-fenotipo), se trata en realidad de muchas enfermedades causadas por mutaciones en genes totalmente diferentes. Tenemos el caso de la retinitis pigmentosa (retinosis pigmentaria), degeneración progresiva de la retina que produce visión en túnel y puede llevar hasta la ceguera total. Mutaciones en cualquiera de los más de 30 genes localizados en diferentes cromosomas causan la enfermedad y se cree que hay varias decenas más por descubrir.

La citogenética nos permite reconocer los cromosomas con una zonificación longitudinal clara y oscura, formando las llamadas bandas cromosómicas (como ejemplo ver figura 1). Estas bandas son constantes y características de cada cromosoma, estimándose alrededor de 300 en todo el genoma nuclear (22 autosomas y los cromosomas sexuales). Cada banda contiene genes específicos (un estimado promedio de 200 genes/banda) y centenas de marcadores genéticos, las bandas sirven de hitos en la localización y cartografía de genes. A veces un gen no ha sido identificado; pero su localización en una banda cromosómica es suficiente para trazar su cosegregación en una familia con marcadores genéticos a modo de etiquetas que identifican específicamente una región del genoma. Dentro del llamado "Proyecto del Genoma Humano" se están localizando e identificando genes conocidos y nuevos a paso acelerado y para el futuro inmediato queda la tarea de determinar su actividad y averiguar su responsabilidad en enfermedades (ver Espinoza en este número).

Algunos genes responsables de enfermedades genéticas

El estudio de genes y proteínas involucrados en diferentes enfermedades genéticas ayuda a entender y formular hipótesis acerca de los mecanismos por los que mutaciones en los genes resultan en una enfermedad. A continuación se presenta una revisión arbitraria pero tratando de mostrar diferentes enfermedades cuyos genes responsables ya han sido identificados y que nos ayudan a explicar la mecánica de las anomalías. Por convención, las iniciales en nomenclatura genética son abreviaturas en inglés y se utilizará de esta manera en este artículo.

Síndrome de Down
El síndrome de Down es un desorden genético bastante frecuente con una frecuencia aproximada de 1: 150 embarazos y 1: 600 nacidos. El síndrome de Down es también la causa más común de retardo mental, y ocurre con similar frecuencia en todos los grupos étnicos. El retardo mental (de grado variable) y la hipotonía neonatal están en el 100% de los pacientes; hacia los treinta años los pacientes presentan placas amiloides en el cerebro y con amasijos neurofibrilares, similar a la patología de Alzheimer. Rasgos físicos conspicuos son braquicefalia, nariz achatada con puentes elevados, epicanto, protusión de la lengua, cuello corto. Hay otros rasgos que no son conspicuos; pero son mucho más frecuentes que en sujetos normales: deficiencia cardiovascular, deterioro de huesos y coyunturas, inmunodeficiencia, leucemia, cataratas, etc.

La mayoría de pacientes con síndrome de Down presenta 3 copias completas del cromosoma 21 (trisomía libre). Sin embargo trisomías parciales con o sin síndrome de Down delimitan a 21q22 como la zona crítica que contiene los genes que producen el síndrome, aunque todavía no se descarta la acción de otros genes en 21q21. La detección se hace mediante la observación microscópica de preparaciones cromosómicas debiendo recurrir al bandeo o a la técnica de hibridación in situ con fluorescencia (FISH) en caso de rearreglos que involucran trisomías parciales. Cabe comentar que el cromosoma 21 es el más pequeño del genoma y el más pobre en genes después del cromosoma Y, lo que explica en parte la alta viabilidad de la trisomía 21 en comparación con trisomías de otros cromosomas. Hay genes que están óptimamente dosificados con 2 cromosomas; una copia extra derivará en la sobreproducción de ciertas proteínas originando un desequilibrio en la homeostasis de las células.

La relativa pobreza en genes del cromosoma 21 ha sido confirmada recientemente, por su comparación con la secuencia del cromosoma 22, similar en tamaño (2). Varios de los genes de la región crítica 21q21-q22 ya han sido aislados, clonados y analizados en enfermedades humanas y modelos animales. Por su actividad son candidatos para formar parte del grupo de genes responsables de algunas características fenotípicas del síndrome de Down (3, 4, 5).

1. APP (proteína precursora de placa amiloide), localizada en 21q21 cuya mutación produce un tipo hereditario de la enfermedad de Alzheimer.
2. DSCR1 (Down syndrome critical region protein 1) es una proteína cuyo gen está en 21q22 y se expresa exclusivamente en cerebro y corazón sugiriendo una influencia en retardo mental y propensión a enfermedades cardiovasculares .
3. T1AMP1 (gen del mieloma del linfocito T1) produce leucemia, que estaría ligado a la alta incidencia en el síndrome de Down. Leucemias tipo ALL and AML son 10-20 veces más comunes y leucemia megacariocítica aguda llega a 200 veces la frecuencia normal, felizmente es temporal desapareciendo en los primeros meses de vida.
4. SOD1 (sulfóxido dismutasa 1). Gen mutante en esclerosis lateral múltiple familiar. Ratones mutantes en SOD1 tienen lenguas engrosadas y "envejecimiento prematuro" de articulaciones.
5. MNBH (Minibrain Drosophila). Homólogo encontrado en una cepa mutante de mosca de fruta Drosophila melanogaster que presenta un cerebro pequeño y problemas en "test de aprendizaje".
6. SIM (Single-minded Drosophila homolog). Gen homólogo de Drosophila, el mutante presenta problemas en "tests de memoria".
7. COL18A1, COL6A1, COL6A2 (colágenos), expresados en tejido óseo y conectivo; quizás asociados con características faciales, corporales y está probada la actividad de COL6A1 yCOL6A2 en tejido cardiaco fetal en ratón. También se demostró una propensión a problemas cardiacos asociados a alelos de COL6A1 en pacientes Down.
8. CRYAA (Crystallin aA). Mutaciones producen catarata familiar.
9. IFNR1, IFNR2, IFNR3 (receptores de interferón), CPA1 (b integrina o CD18) involucrados en la respuesta inmune, que puede ser asociado a la alta propensión de infecciones en los pacientes Down. Figura 1. Esquema de cromosoma 21 con la posición relativa de los genes APP1, SOD1, IFNR y CRYA1. Los cromosomas se dividen en bandas que contienen genes específicos. El brazo corto se designa p y el brazo largo q. En el síndrome de Down (niña a la derecha) existe generalmente 3 cromosomas 21 en vez de 2, ocasionalmente hay trisomía parcial que involucra solamente 21q21 y 21q22 indicando que ésta es la región crítica para los síntomas.

FIGURA 1

Esquema de cromosoma 21 con la posición relativa de los genes APP1, SOD1, IFNR y CRYA1. Los cromosomas se dividen en bandas que contienen genes específicos. El brazo corto se designa p y el brazo largo q. En el síndrome de Down (niña a la derecha) existe generalmente 3 cromosomas 21 en vez de 2, ocasionalmente hay trisomía parcial que involucra solamente 21q21 y 21q22 indicando que ésta es la región crítica para los síntomas.

La Enfermedad de Huntington

Enfermedad neurodegenerativa, hasta hace poco conocida como "corea de Huntington" por los movimientos involuntarios que recordaban una coreografía. El estudio patológico muestra degeneración en los núcleos basales con la muerte de las neuronas espinosas medias. Hay perturbación emocional con demencia progresiva, el paciente muere aproximadamente 20 años después del inicio de la enfermedad. Pertenece a un grupo de enfermedades neurológicas que presenta un curioso fenómeno llamado anticipación: con el paso de cada generación la enfermedad se expresa a menor edad. En la enfermedad de Huntington esta anticipación está sesgada: generalmente aparece cuando la herencia es paterna, probablemente asociada a la fisiología de la espermatogénesis.

La enfermedad de Huntington es autosómica dominante y su gen, HD o IT15 (Huntington disease o important transcript #15) se localiza en 4p16 - brazo corto del cromosoma 4, banda 16- y su proteína producto es la huntingtina (6). El gen HD se expresa en el cerebro y varios otros tipos celulares como linfocitos, tejido muscular o en gónadas; curiosamente esta expresión no corresponde exactamente a los órganos afectados por la enfermedad. Estudios de inmunocitoquímica muestran que la proteína huntingtina se localiza en neuronas especialmente en el striatum coincidiendo con las primeras áreas afectadas. A nivel subcelular la huntingtina se encuentra asociada frecuentemente con microtúbulos en las regiones somatodendríticas de las neuronas y también se le detecta asociada con vesículas sinápticas. Aunque no se conoce su función exacta, se cree que la huntingtina tiene función de anclaje o transporte de organelas (7). Experimentos en ratones con genes "noqueados" (inactivados) revelan que mutantes homocigotos se pierden inmediatamente después de la gastrulación revelando su papel en el desarrollo (8).

La única mutación en HD detectada a la fecha es la expansión de un triplete (CAG)n que normalmente se encuentra repetido de 9 a 35 veces mientras que en pacientes se repite entre 40 a 100 repeticiones, de 36 a 39 unidades tiene penetrancia variable (9). Este tipo de mutaciones llamadas dinámicas, han sido descubiertas hace sólo 10 años, en el síndrome del X-frágil, otra enfermedad neurodegenerativa, 2da causa de retardo mental después del síndrome de Down, (10). Las mutaciones dinámicas son inestables y pueden aumentar (o disminuir) en sucesivas divisiones celulares o sucesivas generaciones. En Huntington la longitud de las expansiones están en proporción directa con la severidad de la enfermedad e inversa con la edad de inicio: en sucesivas generaciones hay más unidades del triplete (CAG)n. Esto dificulta la replicación provocando en general "patinadas" de la ADN polimerasa expandiendo (insertando) unidades extras en el ADN original (11). La expansión a través de varias generaciones explica su aumento progresivo en longitud haciéndola gradualmente más severa lo que explica la anticipación. La detección y diagnóstico en laboratorio es realizada por la técnica de la amplificación PCR del segmento genómico conteniendo la repetición (CAG)n.

El triplete CAG corresponde a glutamina en el código genético, así una expansión de CAG dará una cantidad de glutamina anormalmente mayor. Esta proteína mutante es reconocida por su región poliglutamina (poliGlu) y clivada en el citoplasma por proteólisis. El segmento que contiene poliGlu se traslada al núcleo donde precipita formando inclusiones y posiblemente interfiera con la maquinaria de transcripción y gatille apoptosis. La inmunohistología muestra inclusiones de la proteína mutante en los núcleos de los ganglios basales. Se produce lo que en genética molecular se llama "ganancia de función" o sea una propiedad nueva, ausente en la proteína normal: La localización nuclear, la baja solubilidad y agregación provocada por el exceso de glutamina, y posible interferencia con la transcripción y apoptosis (12).

FIGURA 2

Diagrama del gen HD (IT15) que tiene 67 exones y está ubicado en el brazo corto del cromosoma 4 (4p16). Su proteína producto (huntingtina) es rica en glutaminas. Una mutación en el exón 1 causa la enfermedad de Huntington, la región rica en el trinucleótido (CAG) provoca la enfermedad siempre que pasa de 40 repeticiones. Adaptado de ref. 11.

Mucoviscidosis (Fibrosis Quística)

Enfermedad caracterizada por disfunciones en las glándulas exocrinas del páncreas, del intestino, bronquios y glándulas sudoríparas con niveles de cloro y sodio encima del nivel normal. La mayoría de pacientes presentan insuficiencia de las enzimas pancreáticas con la consecuente desnutrición. Sin embargo la mortalidad está más relacionada a problemas pulmonares, por la formación de una mucosidad poco hidratada, viscosa, difícil de remover por las células ciliares del tracto respiratorio. A consecuencia de esto hay mala ventilación por estrechez de la luz bronquial, además se acumula material contaminante facilitando la infección recurrente principalmente por Pseudomona aeruginosa. Existe variabilidad en la afección en los diferentes órganos y la enfermedad frecuentemente provoca la muerte antes de los 20 años; sin embargo hay casos menos severos con pacientes que sobreviven hasta edades avanzadas.

La enfermedad es recesiva, su gen responsable CFTR (cystic fibrosis transmembrane regulator) está localizado en el brazo largo del cromosoma 7 (7q21) (13). La proteína es en sí misma un canal (o bomba) de cloro, perteneciente a una familia de transportadores de membrana muy activos que usan la energía del ATP. La estructura la conforman los dominios hidrofóbicos transmembranares insertados en la capa bilipídica, 2 dominios que ligan ATP y una región regulatoria (ver figura 3).

FIGURA 3a

Esquema lineal del gen CFTR con un espectro de mutaciones y su consecuencia en la proteína: cuadrado negro, posición de un cambio de aminionácido; triángulo punta arriba deleción de aminoácidos; círculo azul, truncamiento; círculo celeste, mutación de encuadre, mutación del mRNA (ref. 16).

FIGURA 3b

Esquema de la proteína "desdoblada", mostrando la estructura secundaria con los diferentes dominios y regiones (adaptado de ref. 16).

FIGURA 3c

Representación terciaria y cuaternaria de la proteína CFTR con su posición en la membrana celular y la disposición de los dominios, regiones y la región afectada por la mutación A508F.

Se han detectado alrededor de 800 diferentes mutaciones correlacionadas con diferentes fenotipos. El 70% de los pacientes (caucásicos en Europa y Norteamérica) tienen una mutación (llamada DF508) que elimina la fenilalanina del codón (aminoácido) 508. Esta fenilalanina es el sitio de una señal de glicosilación -como tarjeta de embarque- para trasladar CFTR desde el retículo endoplásmico a la membrana celular (a través del Golgi). La proteína mutante es rápidamente reconocida por un sistema que degrada proteínas de membrana/secreción defectuosas y es eliminada en el mismo retículo, por lo tanto no se insertará en la membrana como normalmente corresponde (14).

Una mutación que inactiva la proteína funcional como (DF508), que trunque, no produzca o distorsione drásticamente la proteína, provocará una mucoviscidosis más severa con insuficiencia pancreática además del problema bronquial. Un ejemplo es la mutación Gln551Asp que cambia una glicina (básica) por un aspartato (ácido) en una zona de adhesión del ATP, lo que inactiva el transporte de cloro a pesar de ubicarse correctamente en la membrana (14, 15) . Una mutación que no cambie drásticamente la naturaleza del aminoácido dará una proteína subóptima; pero parcialmente funcional. La enfermedad en estos casos es menos severa, usualmente con actividad normal o aceptable del páncreas, como el caso de la mutación Arg117His que cambia una arginina (aminoácido básico) por una histidina (también básico) (15).

Experimentos in vitro han demostrado que sólo se necesita alrededor de 6% de células expresando un gen CFTR normal para que la población tisular tenga una actividad exocrina normal. Esto explica la recesividad de esta enfermedad: una persona heterocigota (un gen afectado y uno normal) produce más que suficiente (50%) para suplir la necesidad de esta proteína en los tejidos. Esta razón será también la base de estrategias para la corrección mediante terapia génica; concentrándose quizás en una reducida población de las células del tracto respiratorio, ya que estas determinan la vida de los pacientes (16).

Diabetes mellitus
En los números 1 y 2 del volumen 39 de esta revista se presentó un simposio muy completo sobre diabetes mellitus revisándose los conceptos clínicos y las complicaciones en los diferentes sistemas. Aunque el aporte genético se menciona directamente en un artículo (17), en los otros se puede vislumbrar la participación de distintos genes. Esto es sugerido por la variedad de síntomas, las diferentes proteínas involucradas y las variaciones poblacionales.

La diabetes es uno de los paradigmas de las enfermedades multifactoriales o complejas, producidas por la conjunción factores ambientales y genes con influencia variable. Una mutación en un gen predispone; pero no siempre es factor suficiente para provocar la enfermedad. Esto contrasta con la mayoría de las enfermedades monogénicas (mendelianas), como Huntington o mucoviscidosis donde la mutación en un gen es suficiente para desencadenar la patología. En enfermedades complejas el riesgo de tener la enfermedad es del orden de 5-15% en cada generación, se dice que la enfermedad "corre en familias" aunque en pocas familias parezca herencia mendeliana (con riesgo de 25 a 50%). Esta herencia atípica hizo que la diabetes fuera vista hasta hace poco una pesadilla para los genetistas.

La clasificación de la diabetes desde el punto de vista genético ha sido facilitada por la distinción clínica de 2 tipos principales de diabetes: tipo 1 ó IDDM (insuline-dependent diabetes mellitus, diabetes tipo 2 ó NIDDM (non-insuline-dependent diabetes mellitus). En la IDDM hay carencia de insulina, aparece a corta edad y está asociada con obesidad. En la NIDDM hay insulina; pero las células blanco no responden al estímulo, el inicio de la enfermedad es generalmente en la edad madura, se puede controlar con dieta y está frecuentemente asociada con obesidad. Además hay una tercera variante llamada MODY (maturity-onset diabetes of the young), poco frecuente, de herencia dominante, no dependiente de insulina; pero la edad de inicio en la niñez o pubertad. El análisis molecular ha mostrado que mutaciones en un mismo gen pueden causar MODY o NIDDM dependiendo de la naturaleza de la mutación (ver Tabla 3).

Los avances con el estudio de genes y del genoma han permitido refinar los estudios y demostrar que la diabetes es en realidad una constelación de enfermedades provocadas en parte por mutaciones en decenas de genes y que convergen en síntomas similares.

La IDDM es producida principalmente por autoinmunidad a la insulina o a proteínas de los islotes de Langerhans y el gen más frecuente fue denominado IDDM1. Estudios iniciales indicaban como candidato IDDM1 al gen HLA-DR (con los alelos DR3 y DR4) del cluster HLA (Human Leukocyte Antigen), parte del complejo mayor de histocompatibilidad en 6p21. Sin embargo estudios posteriores señalan al vecino gen HLA-DQb (proteína DQB) que presenta una mayor correlación entre mutaciones y la enfermedad. Un aspartato en posición 57 (asp57) en DQB parece importante para un funcionamiento normal: 96% de los pacientes IDDM1 carece de asp57 en ambos cromosomas, presentando otro aminoácido en esa posición, mientras que esto se observa sólo en 19% de personas normales (19). Estudios cristalográficos muestran que DQB tiene una conformación distinta a los otros HLA en los alrededores de asp57, que le da preferencia por péptidos específicos, un cambio de aminoácido distorsionaría este sitio de reconocimiento (20). Otro gen en IDDM es por supuesto, el gen de la insulina (INS referida a la proteína, IMMD2 referida a la enfermedad), localizado en 11p15. Hay indicación de otros genes que han sido mapeados a distintas regiones del genoma; pero aún no han sido aislados y caracterizados como IDDM4 en 11q13, IDDM5 en 6q25, IDDM8 en 6q27 y IDDM12 en 2q33.

Mientras que algunos genes propuestos como IMMD han sido descartados como artefactos del análisis estadístico, como por ejemplo IDMM5 (21).

Los análisis genéticos en NIDDM son menos claros que los IDDM, parece haber más genes; pero con menos influencia en la enfermedad. Como consecuencia, la variación genética en NIDDM es más marcada y los genes parecen tener diferente prevalencia en las distintas poblaciones estudiadas. En algunos grupos nativos de Norteamérica, Sudáfrica y Finlandia hay asociación con alelos del grupo HLA lo que indicaría que uno de los genes de la región estaría involucrado en la enfermedad en estas etnias. En los descendientes de mejicanos en EE.UU. hay genes que están localizados en 2q37, 16q22 y 19p13.

Trabajos clásicos con los nativos del Suroeste de EE.UU., especialmente la etnia Pima de Nuevo Méjico, muestran alta incidencia de NIMMD y obesidad en condiciones de vida occidentalizada (sedentaria, con dieta con exceso de azúcar y grasa). La contraparte son los miembros de la misma etnia que se separaron hace algunos cientos de años y que viven en México en condiciones de vida no occidentalizadas y que no presentan problemas de diabetes ni obesidad: las 2 poblaciones son casi idénticas genéticamente; pero el estilo de vida desencadena la anomalía. Al menos 4 genes de suceptibilidad pre-diabética en el grupo Pima han sido mapeados tentativamente en 3q21-24 (concentración de insulina en ayunas y acción in vivo), 4p15-q12 (concentration de insulina en ayunas), 9q21 (test de tolerancia a glucosa oral, concentración de insulina luego de 2 horas) y 22q12-13 (glucosa plasmática en ayunas) (22).

Estudios de segregación en una gran familia con MODY sirvieron para apuntar al gen de la glucoquinasa (GCK ó MODY2 en 7p15-p13), que mostró ulteriormente mutaciones en más familias con MODY y otras mutaciones con familias con NIDDM. A la fecha se han determinado 5 genes que producen MODY con ciertas mutaciones y NIDDM con otras. Los genetistas asignan los genes de acuerdo a la enfermedad y un número, este nombre puede tener sinónimos cuando el gen y su proteína han sido identificadas, como el ejemplo MODY2 = gen de la glucoquinasa (GCK).

Por otro lado los modelos animales pueden dar luces de procesos que todavía no detectamos en anomalías humanas: hay un alelo (variante genética) del gen IRS-1 (insulin receptor substrate # 1) que es bastante más frecuente en los pacientes con NIDDM que en la población normal; pero se ignora su rol en la enfermedad. La proteína IRS-1 es sustrato de la tirosin kinasa del receptor de la insulina (INSR), y probablemente tenga función de adherir y activar otras señales de transducción luego de ser fosforilada. La deficiencia de IRS-1 en ratones produce una ligera hiperglicemia apenas detectable. Una proteína análoga llamada IRS-2 fue identificada en ratones produciéndoles NIMMD cuando se inactiva, e igualmente se desconoce su rol en humanos.

Para analizar el efecto aditivo de estos genes se inactivaron IRS-1, IRS-2 y INSR en ratones y luego se cruzaron líneas para obtener combinaciones de los distintos genes en heterocigosis. La diabetes se desarrolló en 40% de los ratones con la inactivación heterocigota de los 3 genes a la vez, en 20% para INRS e IRS-1, en 17% para INRS e IRS-2 y en 5% para INRS solo. A pesar que las combinaciones INSR IRS-1 e INRS IRS-2 dan número parecidos, la fisiología era diferente. Mutantes INSR IRS-1 produce resistencia severa a la insulina en músculo esquelético e hígado con hiperplasia de células b. Mientras que mutantes INSR IRS-2 producía resistencia severa en hígado, resistencia leve en músculo esquelético e hiperplasia modesta de células b (23).

Conclusiones y Perspectivas

Las enfermedades hereditarias son causadas por falta, deficiencia o distorsión de proteínas que a su vez han sido provocadas por errores en la información genética contenida en la secuencia de ADN. La genética molecular nacida de la conjunción de la genética y las técnicas de biología molecular ha permitido analizar directamente los genes y proteínas que están involucradas en enfermedades hereditarias.

La mayoría de las enfermedades hereditarias carecen de causa primaria conocida, es decir no se ha caracterizado el gen/la proteína deficiente que las produce, aunque a la fecha decenas de genes y proteínas han sido identificados como causa o predisposición de algunas de ellas. Ejemplos como los genes cuyas mutaciones provocan la mucoviscidosis (CFTR), la enfermedad de Huntington (HD) u otros genes que predisponen a la diabetes (INS, DQB, GCK). La comparación entre los genes normales y mutados dan una explicación del mecanismo causal en estas enfermedades. Por otro lado los avances en el Proyecto del Genoma Humano están revelando decenas de miles de genes localizados en todas las regiones cromosómicas. Aunque la mayor parte de estos genes son desconocidos, el próximo paso será estudiar sus funciones. Los genes de enfermedades localizadas en regiones cromosómicas específicas (por ejemplo varios de los IDDM o NIDDM) contarán en adelante con un catálogo de genes candidatos de la región para verificar la presencia de mutaciones en pacientes.

El análisis del gen y su proteína nos permite conocer las causas íntimas de las enfermedades genéticas, sean estas provocadas por la mutación en un sólo gen o por la interacción de varios genes mutados. Ahora podemos explicar a nivel molecular y celular la razón de algunas enfermedades recesivas o dominantes ya que la lesión genética ha sido determinada, la anomalía en su proteína comprobada y en muchos casos se ha podido correlacionar el tipo mutación con la severidad de fenotipos. Los mecanismos de las mutaciones y la mecánica molecular y celular de las patologías son variados, aquí se ha presentado algunos ejemplos; tratando de demostrar la causalidad de las mutaciones en la presentación del fenotipo.

Además conocer el gen será útil para diagnóstico y pronóstico de enfermedades determinando quién tiene el gen afectado en una familia. Por otro lado este conocimiento sirve para la búsqueda de terapias farmacológicas "inteligentes" o dirigidas en base al conocimiento de la proteína; modificación o reemplazo de la proteína defectuosa/ausente con terapia génica.

Las perspectivas para el estudio de la genética molecular en enfermedades en nuestro país son grandes; pero poco se ha hecho en el campo y los trabajos con muestras peruanas han sido generalmente procesados en el exterior. En el Perú tenemos una gran variedad de grupos étnicos nativos y otros que migraron después de la conquista, con un bagaje genético propio de enfermedades y de frecuencias que resta a explorar y será necesario estudiar.

De especial importancia en salud pública será determinar la propensión genética a enfermedades comunes como las cardiovasculares, diabetes, asma, cáncer o incluso determinar la propensión a las infecciones o sensibilidad a los fármacos. Si bien en corto o mediano plazo no contaremos con la terapia génica en estas enfermedades, si es posible identificar las personas con mutaciones para hacerles un seguimiento cuidadoso y monitorear los factores externos como dietas, ejercicios, etc.

Bibliografía

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(*) Profesor Investigador, Instituto de Génetica y Biología Molecular - Facultad de Medicina Humana, Universidad de San Martín de Porres