Uno de los objetivos más importantes de la genética humana es comprender las relaciones entre las anomalías moleculares y los diversos fenotipos clínicos con que se presentan las enfermedades monogénicas. Esa información es esencial para el desarrollo de programas racionales sobre el consejo genético, el diagnóstico prenatal y, en un futuro ya muy cercano, la terapia génica. Sin embargo, para comprender los mecanismos patogénicos que hacen que una mutación o lesión molecular se manifieste con un fenotipo determinado en las enfermedades causadas por un gen también es necesario tener en cuenta las interacciones complejas entre el genotipo y el medio ambiente, interacciones que subyacen a trastornos comunes como las cardiopatías, la diabetes, las alergias, las psicosis mayores, el cáncer y otros trastornos crónicos. De hecho, el desarrollo de un estado patológico o mórbido debe verse no sólo como la consecuencia de una mutación en un gen directamente involucrado en el desarrollo de la enfermedad, sino también teniendo en cuenta el acervo génico del individuo y su interacción con el medio que lo rodea.
Los trastornos moleculares requieren, pues, un esfuerzo para entender qué efecto tiene una mutación sobre la cantidad o función del producto génico y explicar por qué el cambio producido en la secuencia de DNA es patogénico o no para una célula en particular o para un estadio del desarrollo. Aunque la hipótesis un gen-una enzima o proteína ha sido fundamental para la comprensión de la genética bioquímica y las metabolopatías, en la actualidad sería un gran error pensar la genética médica en términos de un gen-una enfermedad. En los capítulos previos se han explicado cuáles son los distintos tipos de mutaciones y su naturaleza, ya se trate de cambios estáticos o clásicos como de cambios dinámicos; también se ha explicado el fenómeno fundamental de la heterogeneidad genética, por el cual una alteración en distintos genes puede producir un mismo fenotipo. En este capítulo se exponen los efectos de esas mutaciones y las bases moleculares subyacentes en la diversidad de la expresión clínica de las enfermedades.
CLASIFICACIÓN FUNCIONAL DE LAS MUTACIONES
El número y la variación de las mutaciones son muy amplios. Su expresión fenotípica depende de diversos factores, como la naturaleza de la propia mutación, la región del gen que resulta afectada, el tejido donde se expresa el gen y los mecanismos anormales que la mutación condiciona en la expresión génica. Con todo, desde un punto de vista funcional la mutación de un gen puede causar un cambio fenotípico mediante una de dos vías fundamentales: a) el producto puede tener una función reducida o ninguna, esto es, una mutación con pérdida de función, y b) el producto puede actuar a través de una vía funcional anormal, es decir, como una mutación con ganancia de función.
En general, las mutaciones con pérdida de función producen fenotipos recesivos. Esto se debe a que, para la mayoría de los productos génicos, la cantidad necesaria producida por un único alelo, es decir, el 50 % de la dosis génica total, es suficiente para el desarrollo de una correcta función fisiológica. En este sentido, la mayoría de los defectos del metabolismo son recesivos. A veces, sin embargo, el 50 % del producto no basta para la función normal y se observan efectos de dosis dominantes. Las mutaciones con ganancia de función también originan fenotipos dominantes. Lo más común es observar cómo, en estos casos, los genes mutantes causan su efecto anómalo porque se activan en células no adecuadas, o lo hacen en un momento no apropiado, o su efecto se extiende de modo excesivo, sobreexpresándose. Por último, un efecto denominado dominante negativo se produce cuando un producto mutante no sólo pierde su función normal sino que además impide que el producto del alelo normal funcione correctamente en el individuo heterocigoto. Los efectos dominante negativos se observan en las proteínas que actúan como dímeros o multímeros, como ocurre con las distintas proteínas del colágeno.
En términos generales se puede afirmar que el mecanismo de acción de un gen mutante es una pérdida de función cuando las mutaciones puntuales en el gen producen la misma alteración patológica que una deleción. Por el contrario, cuando sólo una mutación específica produce una alteración determinada, el mecanismo es de ganancia de función. Este último sería el caso de las expansiones de tripletes CAG intraexónicos que se observan en la enfermedad de Huntington, las ataxias espinocerebelosas autosómicas dominantes o la atrofia dentatorrubropalidoluisiana.
Mutaciones con pérdida de función
La pérdida de la función puede ser total o parcial. Los alelos que producen una pérdida total se denominan ale los nulos. Existen muchos tipos de mutaciones que pueden abolir o reducir la función de un producto génico.
Entre ellas pueden citarse las deleciones de un gen íntegro, como ocurre en la mayoría de a-talasemias, o deleciones parciales como el 60 % de las mutaciones de la distrofia muscular de Duchenne. Otros mecanismos son las disrup-ciones génicas, por ejemplo, la inversión del gen F8 de la hemofilia A, que causa el 50 % de las formas graves de esta enfermedad, o la inserción de secuencias LINE-1 (elementos largos repetitivos interpuestos) en el mismo gen F8. Otras mutaciones que pueden causar pérdida de función son aquellas que inactivan los sitios de splicing entre exo-nes e intrones del gen, haciendo que parte de un intrón se lea como secuencia codificante o que un exón no sea reconocido como tal y, por lo tanto, la proteína que se sintetiza sea anómala. Las mutaciones puntuales, en general, pueden causar pérdida de función porque generan un cambio en la pauta de lectura y un posterior codón de parada prematura o la sustitución de un aminoácido esencial por otro de propiedades bioquímicas distintas. Por último, hay mutaciones que afectan el procesamiento postranscripcio-nal o la correcta localization celular del producto génico. Este último caso es el mecanismo por cual actúa la mutación más prevalente en la fibrosis quística, la AF508. Ésta es una deleción de tres nucleótidos en el exón 10 del gen CFTR, cuya consecuencia es una proteína a la cual le falta un residuo fenilalanina, lo que la incapacita para alcanzar el polo apical de la célula.
En los últimos años, no obstante, se han descrito nuevos tipos de mutaciones de características distintas de las deleciones, duplicaciones, inserciones o mutaciones puntuales, y que también condicionan una pérdida de función. Dos ejemplos son las enfermedades por inestabilidad del DNA (v. antes) y la impronta génica (imprinting). En los síndromes de Prader-Willi y de Angelman el mecanismo es el de impronta o troquelado. El síndrome de Prader-Willi se caracteriza por hipotonía del lactante, retardo mental moderado, hipogenitalismo en los niños y obesidad. Por el contrario, el síndrome de Angelman se distingue por un retardo mental grave, retraso del crecimiento, movimientos convulsivos y llanto inmotivado. A pesar de que son dos síndromes clínicamente diferenciados, ambos se deben a alteraciones del cromosoma 15. En los dos casos la falta de expresión de una región en 15ql2 condiciona la enfermedad. Si esa falta es de origen paterno el síndrome resultante es el de Prader-Willi, mientras que si es de origen materno se produce el síndrome de Angelman. La pérdida de dominios expresados en 15ql2 puede deberse a deleción parcial o a isodisomía uniparental, en la cual los dos cromosomas 15 del paciente provienen de un único progenitor, ambos maternos en el síndrome de Prader-Willi y ambos paternos en el de Angelman.
MUTACIONES Y FENOTIPO
Existen muchos tipos de mutaciones, como se ha expuesto anteriormente, con distintos mecanismos de producción que involucran cambios pequeños, como la sustitución de un nucleótido, o cambios más grandes, como la deleción o duplicación de un gen que afecta a varios exones. Hasta ahora se ha revisado el modo como se expresan estas mutaciones, conduciendo a un fenotipo clínico que es el fenómeno observable en las alteraciones moleculares. Sin embargo, los sucesivos hallazgos en el campo de la genética molecular humana enseñan que la relación genotipo-fenotipo, es decir, gen mutante y enfermedad, no es siempre unívoca. Se observa que una enfermedad puede estar causada por diversos alelos mutantes de un gen (heterogeneidad alélica) o por mutaciones en distintos genes (heterogeneidad no alélica o de locus). Esta heterogeneidad genética constituye uno de los desafíos para la comprensión de la fisiopatología de las enfermedades genéticas y para el abordaje de nuevas estrategias diagnósticas y terapéuticas (v. cap. 14). Asimismo, hay otros aspectos muy relacionados con el fenotipo y cuyas bases moleculares empiezan a conocerse; son las series alélicas y la correlación entre los síndromes que afectan determinados tejidos y los genes específicos de tejidos.
Series alélicas
Mutaciones con ganancia de función
Las mutaciones que actúan a través de la ganancia de función producen fenotipos dominantes mediante una variedad de mecanismos.
Las ganancias de función verdaderamente nuevas son poco frecuentes, excepto en el cáncer; en lo que respecta a las enfermedades hereditarias, la ganancia de función se expresa en un momento equivocado del desarrollo, en un tejido que no es el que corresponde, en respuesta a señales erróneas o con una intensidad inapropiada. Más adelante se verá que el conjunto de las enfermedades del colágeno ofrece un ejemplo de este tipo de mutaciones.
Con este término se define el fenómeno por el cual las diferentes mutaciones en un mismo gen pueden causar enfermedades distintas. El descubrimiento de estos genes y estas mutaciones ha proporcionado un soporte molecular a la diversidad fenotípica. El concepto de diversidad fenotípica se apoya en la identificación de mutaciones en los genes de pacientes con trastornos aparentemente no relacionados entre sí. En la tabla se indican varios ejemplos de diversidad fenotípica basada en la presencia de series alélicas.
Las neuropatías periféricas hereditarias desmielinizantes constituyen un ejemplo de este concepto. La forma clínica más prevalente es la enfermedad de Charcot-Marie-Tooth tipo la (CMTIA). El locus CMTIA está localizado en la región cromosómica 17pll.2, donde se encuentra un gen codificante de una proteína de mielina periférica, el gen PMP22. La mutación más frecuente, tanto en las formas familiares, autosómicas dominantes, como en los casos esporádicos de CMT1A, es una duplicación en tándem de una región de 1.500 kb, que incluye el gen PMP22. Por otra parte, una neuropatía periférica, en apariencia menos prevalente que CMT1A y más benigna, la neuropatía hereditaria con susceptibilidad a la parálisis por presión (NHPP) o neuropatía tomacular, está causada por una deleción de la misma región de 1.500 kb duplicada en CMT1A. Ambas mutaciones son consecuencia de un mismo mecanismo, un entrecruzamien-to desigual entre cromátides no hermanas de 17p durante la meiosis, fundamentalmente paterna. Las dos mutaciones aparecen de novo y a partir de ese momento se transmiten con carácter autosómico dominante. En ambas, el efecto dosis, tanto de la duplicación como de la deleción, sobre copias salvajes o normales del gen PMP22 constituye el mecanismo de acción patogénico. En el primer caso la duplicación actuaría por un efecto de ganancia de función, y en el segundo la deleción lo haría por un efecto de pérdida de función. Ambas neuropatías son desmielinizantes, pero difieren por completo en sus manifestaciones clínicas, en las alteraciones electrofisiológicas y en los cambios que se observan en los estudios histopatológicos.
Un segundo ejemplo notable de diversidad fenotípica mediante el modelo de series alélicas es el de las mutaciones en el oncogen RET, localizado en 10qll.2. En este gen se han identificado mutaciones en pacientes con enfermedad de Hirschprung o megacolon congénito y en los síndromes de neoplasias endocrinas múltiples 2A (MEN-2A) o 2B (MEN-2B), en el carcinoma medular de tiroides esporádico y familiar. La enfermedad de Hirschprung es un trastorno del desarrollo del sistema nervioso entérico heredado como un rasgo autosómico dominante con penetrancia incompleta y expresividad variable, causado por mutaciones en los diferentes dominios del gen RET. Por el contrario, las mutaciones que afectan los residuos de cisterna específicos del dominio extracelular de RET en los exones 10 y 11 causan MEN-2A, mientras que una mutación específica en el exón 16 del dominio tirosincinasa se encuentra en el 95 % de los casos de MEN-2B.
Defectos del colágeno: el gen en su tejido
Las alteraciones del colágeno ilustran muy bien la compleja relación entre los síndromes que afectan determinados tejidos y los genes específicos de tejido. Existen al menos 18 tipos de colágeno y se han descrito 35 genes que codifican proteínas del colágeno. El colágeno tipo I es el más importante en los huesos, tendones y ligamentos. La molécula está constituida por triples hélices heterotriméri-cas. Todas las mutaciones tienen un efecto dominante negativo. Las mutaciones en los genes COL1A1 y COL1A2 causan osteogénesis imperfecta. El colágeno tipo II se expresa en el cartílago y otros tejidos, como el humor vitreo. Está constituido por triples hélices homotrimericas y las mutaciones en el gen COL2A1 dan lugar a un espectro solapante de displasias esqueléticas como el síndrome de Marshall-Sticker, la displasia espondiloepifisaria y la displasia de Kniest. El síndrome que se produce no depende sólo de que el gen esté mutado sino también del efecto global de las fibrillas de colágeno alteradas en alguno de los tejidos en los que se expresa el colágeno tipo II. Otros genes del colágeno intervienen en diferentes enfermedades cuyas alteraciones dependen del tipo de colágeno afectado. En el caso del síndrome de Alport el que se encuentra alterado es el colágeno tipo IV. Éste se localiza en las membranas básales, lo que condiciona la nefritis por defectos de la membrana basal glomerular de estos pacientes y sordera, también por defecto en la membrana basal de la cóclea.
Un modelo de alteraciones moleculares: las talasemias
Las talasemias son las enfermedades monogénicas más comunes en los seres humanos, y las primeras que se analizaron en el aspecto molecular. Además, muestran una gran variabilidad fenotípica. En este sentido, las talasemias ilustran muy bien la relación genotipo-fenotipo, y constituyen el ejemplo por antonomasia de la patología molecular. Las a-talasemias son muy diversas y causan trastornos clínicos que abarcan desde la muerte in útero hasta estados de portador silentes. La mayoría de las a-talasemias son provocadas por efectos de dosis génica debido a deleciones de los genes de a-globina. Los individuos normales tienen cuatro copias de a-globina (genotipo aa-aa). Las personas con dos genes (en fase a-1 a- o fase aa/- -) presentan síntomas leves; las que tienen un único gen (a-/-) sufren una enfermedad grave, y la falta total de genes (-/-) provoca hidropesía fetal y una hemoglobina fisiológicamente anormal con tetrámeros 74, conocida como hemoglobina de Bart. Por otra parte, se ha descrito una rara variedad de a-talasemia asociada a retardo mental causada por una mutación en el locus ATR-X (gen XH2), ligada al cromosoma X, y que ilustra un mecanismo de control y regulación no alélico del gen a-globina.
Las manifestaciones clínicas de las 3-talasemias son también muy heterogéneas. Tanto en los estados homocigotos (dos mutaciones idénticas) como en los heterocigotos compuestos (dos mutaciones distintas), producen trastornos que varían desde anemias muy graves hasta condiciones completamente silentes. Las mutaciones van desde deleciones hasta mutaciones puntuales en exones, en los sitios de splicing entre exones e intrones, o en secuencias reguladoras o en la señal de poliadenilación situada al final del gen 3-globina. La gravedad clínica de las 3-talasemias se relaciona con el grado de equilibrio de las cadenas de globi-nas. El defecto de la síntesis de cadena conduce a un exceso de cadenas a que precipitan en los precursores de los hematíes y causan una eritropoyesis ineficaz.
Las talasemias y, en conjunto, todas las hemoglobino-patías, ilustran claramente la relación entre las alteraciones moleculares tipos de mutaciones y mecanismos de acción de éstas y la variabilidad fenotípica de las enfermedades. Han constituido el modelo ya clásico de la relación genotipo-fenotipo de las enfermedades monogénicas. Sin embargo, a lo largo de este capítulo se ha visto cómo la diversidad fenotípica de las enfermedades genéticas tiene una base genética muy amplia. La comprensión de estas relaciones causa-efecto en los trastornos que originan enfermedades con herencia mendeliana abrirá el campo para un mejor entendimiento de otros problemas, más comunes, con una herencia multifactorial.
