Genes modificadores en enfermedades monognicas la hemofilia y

Genes modificadores en enfermedades monogénicas: la hemofilia y la atrofia muscular espinal como ejemplos TRANSFORMANDO LAS ENFERMEDADES MONOGENICAS EN COMPLEJAS Eduardo Tizzano Departmento de Genética Hospital Sant Pau, Barcelona

TIPOS DE ENFERMEDAD GENETICA MONOGENICAS PRODUCIDAS POR LA MUTACIÓN EN UN GEN MAYOR NUCLEO MITOCONDRIAS CROMOSOMICAS EXCESO O DÈFICIT DE GENES CONTENIDOS EN UN SEGMENTO O TODO UN CROMOSOMA MULTIFACTORIALES RESULTADO DE LA COMBINACION DEL EFECTO DE GENES Y EL MEDIO AMBIENTE

MONOGENICOS GEN m. RNA PROTEINA FENOTIPO

Enfermedades Genéticas Monogénicas o Mendelianas Patrones de herencia Autosómica Dominante Autosómico Recesivo Ligada al X

MULTIFACTORIALES Varios genes M e d i o a m b i e n t e Varios RNA Varias PROTEINAS FENOTIPO M e d i o a m b i e n t e

ORGANISM SYSTEM ORGAN TISSUE CELL GENE

¿CUÁNDO SOSPECHAR LA INFLUENCIA DE GENES MODIFICADORES EN UNA ENFERMEDAD MONOGÉNICA? Cuando el genotipo por sí solo no explica los cambios en el fenotipo, es decir correlación genotipo-fenotipo incompleta. Cuando el efecto del medio ambiente sobre ese fenotipo no es claro o determinante. Es decir, casi siempre.

Secuencia del gen RNAGEN ESTA EL EFECTO FINAL DEo su. UN Factores EPIGENETICOS INFLUENCIADO POR METABOLISMO Y DEGRADACION DE LA PROTEINA GENES MODIFICADORES FACTORES AMBIENTALES

Hemofilias • Déficit de factor VIII (HA) y IX (HB) • Ambos genes localizados en el brazo largo del cromosoma X • Grave (0 -1%), moderada (2 -5%), leve (5 -30%) de acuerdo a los niveles de actividad de los respectivos factores

Hemofilias • Mas de la mitad de los pacientes con HA grave tienen rearreglos estructurales (inversiones intron 22 e intron 1) • En el resto se han descrito más de 500 mutaciones diferentes • En la hemofilia B no se han descubierto mutaciones recurrentes como las inversiones de la hemofilia A

GEN INTACTO Exón 26 Exón 1 GRAN DELECION (EXON 14) Exón 13 Exón 15 Exón 26 INVERSION INTRON 22 Exón 23 Exón 1 INVERSION INTRON 1 Exón 26

Cuadro clínico de la Hemofilia A Clasificación Valor del Fc. VIII GRAVE 1% del normal 0, 01 U/ m. L MODERADO 2 a 5% del normal 0, 01 -0, 05 U/ m. L Cuadro Clínico Hemorragia espontánea desde la infancia. Hemartrosis recurrente. Frecuencia 60% Hematomas gigantes. Hemorragias secundarias a traumatismos. Hemartrosis ocasional. 15% Hematomas rara vez. LEVE 6 a 30% del normal 0, 05 -0, 4 U/m. L Hemorragias secundarias a traumatismos graves o cirugía 25%

EPISODIOS DE HEMORRAGIAS CONSUMO DE FACTORES DE REEMPLAZO NUMERO DE ARTROPATIAS

Observaciones • En los hemofílicos graves se pensó que sangraban de manera diferente por el tipo de mutación en el factor VIII • Posteriormente se observó que los pacientes con inversiones también sangraban de maneras diferentes

Initial reaction TFPI TF + VIIa II X XI IIa XIIa VIIIa Va Xa Va IIa IX VIIa IXa VIIIa X Va Xa IIa AT PC Thrombus Haemostatic clot Spread stage XIa

FVL • Gen del Factor V en el cromosoma 1 – Sustitución de una G A en nucleótido 1691 Arginina 506 Glutamina (FVLeiden) • Para la inactivación eficaz del factor V por la proteína C activada, es necesario una arginina en la posición 509. • El FVL se considera uno de los factores genéticos mas frecuentes de riesgo para padecer trombofilia.

PT 20210 A • Gen de la Protrombina en el cromosoma 11 20210 G A (región 3´ no traducida). • Los portadores de esta variante tienen niveles elevados de protrombina en plasma incrementando 3 veces el factor de riesgo para trombofilia. No está claro si aumenta la transcripción, la estabilidad o la eficiencia de traducción a proteína. • Constituye el factor genético mas prevalente de tromboembolismo venoso en población española (Souto et al, Thromb Haemost 1998).

Observaciones • El déficit de factor VIII y XI combinados puede ocasionar mayor gravedad que cada una de ellas por separado (Berg et al. Blood Coag Fibrin, 1994) • La presencia de factor V Leiden (FVL) y déficit de proteína C combinados cursa con mayor riesgo de trombosis que cada una de ellas por separado (Koleman et al. Blood, 1994)

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

Resultados • • Inversión - PT 20210 A n=11 edad promedio=32 ES=mas de 6 (excepto 1 caso con <5) • CFc. VIII=90636 U/año (+/- 49515) • Artropatías=4 o mas • • • Inversión + PT 20210 A n=5 edad promedio=30 ES=hasta 5 (p=0. 008) CFc. VIII=15400 U/año (+/- 18105) (p=0. 016) • Artropatías=<4 (p<0. 0005)

GEN Conclusiones MODIFICADORES • En el estado actual de conocimientos, cabe considerar a las hemofilia A y B (y otras coagulopatías hereditarias) como la consecuencia de una mutación en un gen determinante, responsable primario de la patogénesis de la enfermedad y el efecto de genes modificadores independientes que pueden influenciar el fenotipo. MODIFICADORES FENOTIPO

Conclusiones • El FVL y la PT 20210 A parecen ser los primeros (la punta del iceberg) de una larga lista de factores genéticos que deberán ser investigados para que puedan ser aplicados posteriormente a la elaboración de perfiles de susceptibilidad

PT 20210 A FVL ? ? ? Protein C Proten S Antithrombin III Factor XII

ASTA ANTERIOR de la médula espinal Neurona motora Aspecto de las neuronas motoras postnatales normales Aspecto de las neuronas motoras postnatales en la AME

ATROFIA MUSCULAR ESPINAL (AME) • La pérdida y degeneración de las neuronas motoras del la médula espinal hacen que el músculo pierda la inervación y se atrofie. • El gen que falta o está alterado se denomima Survival Motor Neuron (SMN) y se identificó en 1995.

A SMN 2 SMN 1 Individuo no afectado con cuatro copias de gen SMN (2 de SMN 1 y dos de SMN 2) B SMN 2 SMN 1 SMN 2 Individuo portador con una copia de gen SMN 1 y dos de SMN 2 C SMN 2 Individuo afectado con ninguna copia de SMN 1 y dos de SMN 2

TIPO III - Kugelberg -Welander TIPO Intermedia TIPOIIII - Intermedia TIPO I Werdnig-Hoffmann Nacimiento 18 meses 6 meses VIDA ADULTA 2 -3 años

DNA SMN 1 SMN 2

SMA patients have one or more SMN 2 genes which modulate the disease severity SMN 2 I SMN 2 No patient was described with total absence of the SMN genes

SMN 2 II / III SMN 2

Five nucleotides differences between SMN 1 and SMN 2 SMN 1 Intron 6 G Exon 7 C Intron 7 A A Exon 8 G SMN 2 Intron 6 A Exon 7 T Intron 7 G G Exon 8 A

ADN SMN 2 SMN 1 INTRONES EXONES ARN mensajero PROTEINA SMN 2 (sin exon 7) PROTEINA SMN 1 (completa) parcialmente funcionante totalmente funcionante

Efecto de la dosis del gen SMN 2 Determinar la correlación entre el número de copias del gen SMN 2 y el fenotipo : 16 tipo I 14 tipo II 15 tipo III 87. 5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias 86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias 87% tienen 3 o 4 copias, mayoría 3 ninguno con 1 copia 1 Copia 2 Copias 3 Copias 4 Copias Cuscó et al. , Journal of Neurology, 2005

F 1 1 F 2 2 F 3 1 1 2 F 4 2

Conclusiones • El gen SMN 2 es importante en la definición del tipo de AME que va a presentar el paciente. • En los casos de AME tipo II y III con hermanos de fenotipo discordante, el gen SMN 2 no es categórico, lo que indica la existencia de otros genes modificadores • El tratamiento con fármacos para aumentar la expresión del gen SMN 2 es estudiado como posible terapia en la AME

SMN 1 SMN 2 ? ? ?

EJEMPLOS DE ENFERMEDADES MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES GENES MODIFICADORES INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL. • • Fibrosis quística Enfermedad de Hirschsprung Neurofibromatosis tipo 2 Craniosinostosis coronal Hipoplasia adrenal congénita Enfermedad de Gaucher Fenilcetonuria Sindrome del QT prolongado CFTR RET, GNDF, EDN 3, EDNRB NF 2 FGFR 3 DAX 1 GBA PAH KVLQT 1, HERQ, SCN 5 A, KCNE 1

Conclusiones • La diferencia histórica entre las enfermedades monogénicas (Mendelianas) y multigénicas o complejas son productos mas bien de la percepción humana que de la realidad biológica. • Las dos categorías serían parte de un continuo que va desde un gen determinante, responsable primario de la patogénesis de la enfermedad con uno o mas genes modificadores independientes que influencian el fenotipo hasta el efecto de dos, tres o múltiples genes que comparten su influencia en el fenotipo.

Oligogenic

GEN m. RNA PROTEINA GENOMICA TRANSCRIPTOMICA PROTEOMICA FENOTIPO DETERMINANTE MODIFICADORES

Genómica Estudio del genoma de un organismo y de su función Genoma Todo el material genético contenido en los cromosomas de un organismo

La genómica estructural está orientada a la caracterización y localización de las secuencias que componen el DNA de los genes. La genómica funcional plantea el estudio de la función de los genes que una célula expresa en condiciones determinadas. ¿Qué debemos saber de un gen en términos de su función? Caracterizar el producto (s): Bioquímico (quinasa, proteína de unión, etc. ) Celular (núcleo, citoplasma, membrana, etc. ) Tejido (abundancia total, tipo de células) Organismo (órgano, aparato o sistema donde es imprescindible)

LA GENOMICA FUNCIONAL SE SIRVE DE LA TRANSCRIPTOMICA (RNA) Y DE LA PROTEOMICA El transcriptoma es una colección completa de m. RNA en una célula en particular y en determinadas condiciones. Incluye la transcripción, el procesamiento del RNA y su metabolismo. Un gen puede producir muchos tipos de RNA (por splicing alternativo, por promotores alternativos, por inhibidores o estimuladores de la transcripción) Las proteínas sintetizadas a partir de estos m. RNA pueden ser modificadas por proteólisis, fosforilación, glicosilación.

Proteómica Estudio del proteoma de un organismo: estructura, función, interrelaciones Proteoma El conjunto de proteínas que sintetiza una célula o un organismo y su interrelación específica Imagen dinámica de todas las proteínas expresadas por un organismo en un momento dado y en determinadas condiciones. Combina los estudios bidimensionales de proteínas y la espectrometría de masas

GEN Tipo de mutación, regulación, expresión, variación secuencia, degradación de la proteína GENOMA Identificar variantes en genes candidatos ya caracterizados Análisis del genoma completo (genome wide analysis) TRANSCRIPTOMA Caracterizar los patrones de expresión de diversos genes o la abundancia de determinados m. RNA PROTEOMA Caracterizar las moléculas funcionales de las células teniendo en cuenta modificaciones postraduccionales PERFILES DE SUSCEPTIBILIDAD