Se denomina heterogeneidad genética al hecho de que una determinada enfermedad, caracterizada por una serie de rasgos clínicos concretos, esté causada por defectos en genes diferentes.
Existen muchos ejemplos de enfermedades genéticamente heterogéneas; los avances en el conocimiento de las bases moleculares subyacentes a las enfermedades hereditarias permiten vislumbrar que un buen número de ellas lo son.
En realidad, no son infrecuentes los casos en los cuales toda la descendencia de una pareja en la que ambos progenitores están afectados por una enfermedad recesiva como cierto tipo de sordera, ceguera o enanismo es normal, cuando cabría esperar un 100 % de afectados; esto se debe a que los padres son homocigotos para genes distintos, y estos genes distintos son responsables de la misma enfermedad.
RETINOSIS PIGMENTARIA: UN MODELO DE HETEROGENEIDAD GENÉTICA
La enfermedad que define con más claridad el concepto de heterogeneidad genética, al menos con los conocimientos que se tienen hasta ahora, es probablemente la retinosis pigmentaria.
Esta degeneración progresiva hereditaria de la retina, que es una de las causas de ceguera más comunes en todo el mundo, se caracteriza por una afectación frecuentemente bilateral de las células fotorreceptoras de la retina; comienza con una pérdida de función de los bastones que se extiende de manera progresiva a los conos y luego a las células del epitelio pigmentario.
Clínicamente el primer síntoma suele ser una adaptación deficiente a la oscuridad, seguida por una pérdida de visión periférica (visión en tubo) y de agudeza visual. Los estudios de fondo de ojo revelan alteraciones en forma de manchas o espículas; éstas se deben a depósitos de pigmentos causados probablemente por la degradación de los fotorreceptores afuncionales, y son estos depósitos los que dan nombre a la enfermedad.
Desde el punto de vista neurofisiológico en los pacientes con retinosis pigmentaria se comprueba la ausencia o una disminución de la respuesta de los fotorreceptores en el electrorretinograma (ERG).
Según el modo de transmisión de la enfermedad, la retinosis pigmentaria se clasifica en formas de herencia autosómica dominante (adRP), autosómica recesiva (arRP) y ligada al cromosoma X (XLRP).
Causas de la heterogeneidad genética
Para comprender bien el fenómeno de la heterogeneidad genética en la retinosis pigmentaria es preciso conocer los mecanismos fisiológicos y bioquímicos del órgano o los órganos afectados.
La visión es un proceso bioquímicamente complejo en el cual interviene gran cantidad de proteínas distintas. La primera etapa de este proceso se lleva a cabo en la retina y, más concretamente, en los fotorreceptores, conos y bastones. En el aspecto estructural, tanto los conos como los bastones presentan un segmento interno donde están localizados el núcleo y los restantes organeles celulares, y un segmento externo unido al primero mediante una conexión ciliar; este último tiene forma de dedo de guante, en cuyo interior se observa una serie de discos formados en el 90 % por rodopsina en el caso de los bastones y otros tres tipos de opsinas diferentes en el de los conos. En las márgenes de los discos en los bastones se localizan unas estructuras formadas por un dímero de una proteína denominada periferina/RDS y otro dímero de otra proteína, ROM1, ambas estrechamente asociadas entre sí. Su función parece ser la de mantener la estructura tridimensional del disco para que la incidencia de la luz sobre él sea óptima. En el espacio intracelular, entre los discos, existe toda una serie de proteínas que forman parte de la maquinaria enzimática que transforma la luz en impulso nervioso (fototransducción). Por otra parte, la membrana plasmática de los segmentos externos presenta una serie de canales de intercambio catiónico entre el interior y el exterior de la célula que también tienen una función fundamental en esta transformación.
Los fotorreceptores son excelentes detectores sensoriales. Los estudios psicofisiológicos realizados desde hace 50 años demuestran que un bastón puede ser activado por un solo fotón. En las décadas siguientes, cientos de investigadores intentaron descubrir cómo un bastón consigue esta sensibilidad. Ahora se conoce la respuesta y está representada básicamente en la figura.
Esencialmente, la luz activa la molécula de rodopsina mediante la fotoisomerización de su cromóforo, el 11-ris-retinal, a todo-traws-retinal. La rodopsina resultante es capaz de activar a la transducina (T), formada por tres subunidades (a, (3 y 7), mediante la sustitución de la molécula de GDP unida a la subunidad a por GTP. Esto provoca la escisión de la transducina en To¿ (transducina activa) y T(37 (subunidades inhibidoras). La transducina activa, por su parte, puede activar la siguiente proteína de la vía, la fosfodiesterasa del cGMP (PDE), constituida por tres cadenas polipeptídicas, formando un tetrámero. Cada una de las subunidades catalíticas, están inhibidas en la oscuridad por la acción de una molécula 7. La To¿ escinde una de las dos subunidades 7 de la PDE creando una molécula parcialmente activa, y es necesaria otra molécula de To¿ para eliminar la segunda subunidad inhibidora y conseguir una PDE completamente activa. La PDE activada lineariza el cGMP que es la molécula que mantiene abiertos los canales de intercambio cationico presentes en la membrana plasmática de los fotorreceptores, permitiendo el intercambio de cationes, Na+, K+ y Ca++, entre el interior de éstos y el exterior de la célula. La hidrólisis del cGMP hace que estos canales se cierren, lo cual provoca la hiper-polarización de la célula; esta hiperpolarización es precisamente la señal que, después de su integración en la capa de las células bipolares, se transmite como impulso nervioso a través del nervio óptico hasta el cerebro.
El cierre de los canales de intercambio iónico provoca un descenso en el nivel intracelular de Ca++; éste es captado por la recoverina (RCV), la cual, a su vez, activa a la guanil-ciclasa que cataliza el paso de GTP a cGMP y, por consiguiente, aumenta la concentración de esta última molécula y produce la reapertura de los canales de intercambio cationico, la recuperación de los niveles de Ca++ y los otros cationes en el interior de la célula y la vuelta del fotorreceptor al estado inicial, previo a la incidencia de la luz (estado oscuro).
El aumento de la concentración de Ca++ intracelular inhibe nuevamente la RCV. Por otro lado, la acción de la transducina GTPasa cataliza el paso de transducina activa a inactiva, provocando la separación de la Ta-PDEap1 y la posterior unión de las dos moléculas a sus respectivas subunidades inhibidoras. La recuperación del estado oscuro se completa con la acción de la rodopsincinasa, que fos-forila la rodopsina activa. Otra proteína, la arrestina o antí-geno S (Ag-S), captura varias moléculas de rodopsina fosforiladas para prevenir la interacción de éstas con la transducina.
Por otra parte, el todo-£raKS-retinal es transportado por las proteínas intersticiales de unión al retinol (IRBP), a través de la matriz existente entre los fotorreceptores, hasta el epitelio pigmentario de la retina, donde se transforma en 11-ris-retinal mediante la acción de las proteínas celulares de unión al retinol (CRBP1 y CRBP2) y de la proteína celular de unión al retinaldehído (CRALBP). El 11-ris-retinal, así regenerado, es transportado nuevamente por la IRBP hasta el interior de los fotorreceptores, donde se unirá a la rodopsina.
Es lógico pensar que los defectos en cualquiera de las proteínas participantes en este complejo proceso pueden originar problemas en la visión de origen retiniano. Así, pues, las mutaciones en los genes que codifican para cualquiera de estas proteínas podrían producir la retinosis pigmentaria.
El rápido desarrollo de polimorfismos de DNA muy informativos que pueden usarse como marcadores genéticos ha facilitado la localization de los genes causantes de la retinosis pigmentaria. Además, la aparición de técnicas para la detección de variaciones en la secuencia de DNA ha permitido el estudio directo de los genes presuntamente responsables. Así pues, mediante estas técnicas se ha visto que existen por lo menos 8 genes que intervienen en la forma adRP, otros 8 en la forma arRP y 3 o 4, según distintos autores, en la forma XLRP. Algunas de las características clínicas de la enfermedad, la adaptación deficiente a la oscuridad o la visión en tubo sugerían que los bastones, encargados de la visión en condiciones de luz débil (visión escotópica), que se localizan preferentemente en la periferia de la retina, debían de tener un papel importante en la patogenia de la retinosis pigmentaria, y hacían pensar en la rodopsina como la principal responsable de esta ceguera.
En la actualidad se han encontrado más de 60 mutaciones en el gen de la rodopsina que causan adRP. También se detectaron varias mutaciones en el gen de la periferina/RDS (localizado en 6p) que también producen adRP, y mediante métodos indirectos se ha encontrado un ligamiento entre la adRP y varios loci todavía no identificados en la región pericentromérica del cromosoma 8, en ambos brazos del cromosoma 7, en el brazo largo del cromosoma 19 y en ambos brazos del cromosoma 17.
El gen de la rodopsina es también responsable de algunas formas de retinosis pigmentaria autosómicas recesivas, aunque en menor número que las formas autosómicas dominantes; también se han encontrado mutaciones que causan este subtipo de la enfermedad en los genes que codifican para las subunidades a y (3 de la PDE localizados en los cromosomas 5q y 4p, respectivamente, y en el gen de la subunidad a del canal de intercambio catiónico dependiente del cGMP; asimismo se ha descrito un ligamiento genético con dos loci aún no identificados, uno en el brazo corto del cromosoma 6, pero distinto del gen de la periferina/RDS, y otro en el brazo largo del cromosoma 1. Además, la retinosis pigmentaria puede aparecer por un tipo de herencia peculiar, que se ha dado en llamar herencia digénica; es decir que mutaciones en dos genes distintos que cuando están en heterocigosis no se asocian con la enfermedad, la causan cuando aparecen ambas a la vez en un mismo individuo (doble heterocigoto). Concretamente, en el caso de la retinosis pigmentaria esta herencia digénica ocurre entre determinadas mutaciones de los genes de la periferina/RDS y de la ROM1.
De todos los genes y los loci implicados, los que se han estudiado mejor son el de la periferina/RDS, el de la PDE del cGMP y, especialmente, el de la rodopsina. Las mutaciones en el gen de la rodopsina que originan retinosis pigmentaria son, la mayoría de las veces, mutaciones puntuales, que producen un cambio de un aminoácido por otro en la cadena polipeptídica de la proteína; sin embargo, también se describieron casos de mutaciones sin sentido, que dan lugar a un desplazamiento de la pauta de lectura del gen produciendo una proteína truncada, deleciones e inserciones. Además, se ha comprobado que estas mutaciones no se acumulan en una región determinada de la proteína sino que pueden afectar el punto de unión de la opsina con el 11-ris-retinal, la región de la proteína que se une a la transducina, la rodopsincinasa o la arrestina, los dominios en contacto con el espacio intradiscal, a la que da al citoplasma interdiscal o, simplemente, las regiones transmembrana, afectando la conformación tridimensional de la rodopsina en los discos. Lo mismo ocurre en el caso de la periferina/RDS o la subunidad (3 de la PDE. Muchas de estas mutaciones, que afectan distintas proteínas y diversas funciones dentro de éstas, provocan finalmente una degeneración de los fotorreceptores, y el efecto citotóxico de estos fotorreceptores degenerados origina la misma enfermedad.
Heterogeneidad genética y pleiotropismo
El estudio de los genes que participan en la fototrans-ducción ha permitido comprobar otro fenómeno. Se ha observado que estos genes no son responsables de un solo tipo de enfermedad retiniana, sino que, según la naturaleza de la mutación, pueden producir distintos tipos de distrofias maculares, cegueras nocturnas no progresivas y otras. Este fenómeno se conoce como pleiotropismo. Se ha visto que de todas las mutaciones puntuales que aparecen en el gen de la periferina/RDS localizadas en el mismo dominio intradiscal, algunas producen retinosis pigmentaria y otras son responsables de distrofias maculares. Se ha observado también que una determinada mutación puntual causa retinosis pigmentaria mientras que una mutación en el codón vecino provoca degeneración macular. Los tetrámeros formados por periferina/RDS y ROM1 están presentes sólo en los bastones; en los conos existe periferina/RDS, supuestamente asociada con otra proteína semejante a ROM1 que por el momento se desconoce. Es posible que determinadas mutaciones en el gen de la periferina/RDS afecten la unión de ésta con la ROM1; por lo tanto, sería deletérea para los bastones y provocaría retinosis pigmentaria. En cambio, otras mutaciones en el mismo gen al parecer afectarían a la unión de la periferina/RDS con la proteína semejante a ROM1 presente en los conos y más deletérea para éstos, que al acumularse preferentemente en la zona central de la retina provocarían una visión deficiente en la mácula.
Con respecto a las cegueras nocturnas no progresivas se conocen 3 genes de la vía de la fototransducción que intervienen en la patogenia de la enfermedad: el gen de la rodopsina, el gen de la subunidad (3 de la PDE y el gen de la arrestina, aparte de dos loci más, aún no identificados en el cromosoma X.
Una mutación en el gen de la rodopsina, un cambio de una alanina por un ácido aspártico en la posición 292 de la cadena aminoacídica, causa ceguera nocturna congénita estable. Esta mutación está muy cerca del punto de unión de la opsina con su grupo prostético, el 11-ris-retinal (una lisina en la posición 296). Se ha sugerido que este cambio afectaría en tal forma la unión con el cromóforo que el equilibrio existente en la retina entre las formas cis y trans del 11-retinal, claramente desplazado hacia la forma cis en la oscuridad, se vería alterado ligeramente hacia la forma trans por una pérdida de afinidad de la rodopsina mutante con el grupo prostético, lo que produciría una activación de la transducina mayor que la existente en condiciones normales y, por consiguiente, una fototransducción constante que insensibilizaría al fotorreceptor para la captación de la luz. De hecho, se ha comprobado que en los simios, una luz débil y constante que active unas pocas moléculas de rodopsina puede reducir de modo considerable la respuesta eléctrica de los bastones. Si esto fuera así, la mutación Lys296Glu encontrada en la rodopsina no podría unirse al 11-ris-retinal, provocando una fototransducción permanente. Por lo tanto, una diferencia cuantitativa de rodopsina constantemente activa, debida a dos sustituciones en la secuencia aminoacídica situadas en el mismo dominio transmembrana y separadas por una sola vuelta de la a-hélice, explicaría la diferencia fenotípica entre una disfunción retiniana progresiva con efectos tóxicos sobre el fotorreceptor y otra estacionaria más leve, que no los tiene.
Otra forma de ceguera nocturna congénita estable se ha asociado a una mutación en heterocigosis en el gen de la subunidad (3 de la PDE. Esta mutación (His258Asp) estaba presente en el dominio de unión de la subunidad (3 con la subunidad 7. Se ha sugerido que, mientras que las mutaciones que afectan el sitio catalítico de la cadena (3 provocan arRP, y esto es extrapolable a la subunidad a, también catalítica, cuando una mutación afecta el punto de unión entre una de las dos subunidades catalíticas y las inhibidoras, no se formará el complejo funcional o¿(372 sino que en algunas moléculas de PDE no podrá producirse la unión correcta de una de las dos cadenas 7 a su correspondiente cadena (3 y existirá cierta proporción de moléculas de PDE activa constantemente; esto provocará la hiperpolarización permanente de los bastones, incluso en la oscuridad, incapacitándolos para responder ante el impulso nervioso y volver al estado oscuro, causando así la ceguera nocturna.
Por último, el gen de la arrestina es responsable de un tipo de ceguera nocturna congénita estable recesiva, el síndrome de Oguchi. La arrestina y la To¿ presentan una gran similitud; la rodopsina actúa como sustrato de ambas, las cuales compiten por su unión a ella. Una arrestina defectuosa provocaría la activación prolongada de la rodopsina que se traduciría en un cierre constante de los canales de intercambio catiónico y en la hiperpolarización permanente del fotorreceptor. Se puede especular que los efectos de las mutaciones en la To¿ pueden ser los contrarios, es decir, la apertura permanente de los canales de intercambio catiónico de manera que nunca se llegue a finalizar el proceso de la fototransducción.
Por último, se han localizado tres loci distintos en el cromosoma X que también producen retinosis pigmentaria, y algunos autores consideran la posibilidad de la existencia de un cuarto.
Los estudios genéticos en familias afectadas por retinosis pigmentaria de todo el mundo revelan que algunas de estas familias no presentan ligamiento genético ni mutaciones en las regiones y genes descritos anteriormente, por lo cual se piensa que debe existir al menos un gen más, o quizá varios, responsables de la enfermedad que todavía no han sido localizados.
La heterogeneidad genética es frecuente en las enfermedades de origen retiniano, consecuencia lógica del complicado proceso de la fototransducción. De hecho, también aparece en varias maculopatías, distrofias de conos, ceguera nocturna de carácter hereditario y vitreo-rretinopatías, en las que intervienen varios genes tanto autosómicos como del cromosoma X.
OTROS EJEMPLOS DE HETEROGENEIDAD GENÉTICA
Otra enfermedad que presenta una amplia heterogeneidad genética es el síndrome de Usher. Este síndrome, que se hereda en forma recesiva y en el que se asocia retinosis pigmentaria con sordera, se ha clasificado clínicamente en Usher tipo I, con retinosis pigmentaria y pérdida auditiva sensorineural profunda con ausencia de respuesta vestibular; Usher tipo II, en el que la retinosis pigmentaria se asocia a una pérdida auditiva moderada a profunda y una función vestibular normal, y Usher tipo III, mucho menos frecuente que los anteriores, que presenta retinosis pigmentaria y pérdida auditiva progresiva. Hasta ahora se describieron tres loci distintos para el Usher tipo I, el USH1A en 14q32, el USH1B en llql3.5 y el USH1C en llpl5; un locus más para el Usher II en lq, que es el responsable del 85 % de los casos de este tipo, y otro locus en 3q21-25, que causaría el Usher tipo III.
Recientemente se ha aislado el gen que produce el USH1B en llq. Se ha visto que es una miosinano convencional, la miosina VIIA, cuyos defectos provocarían la disfunción en el movimiento ciliar causando probablemente la formación incorrecta de los discos de los fotorreceptores y la pérdida auditiva, así como los trastornos olfativos y la baja fertilidad, característicos de los individuos varones afectados por este síndrome. Además, convierte a las proteínas del citoesqueleto en el objetivo de continuas investigaciones sobre las causas fisiopatológicas de la enfermedad.
El síndrome de Charcot-Marie-Tooth es otro buen ejemplo. Se caracteriza por debilidad y atrofia de la musculatura peronea, de progresión lenta. Al igual que la retinosis pigmentaria, presenta los tres tipos de patrón hereditario, autosómico dominante, autosómico recesivo y ligado al cromosoma X.
La mayoría de los casos de este síndrome se heredan en forma autosómica dominante, y de éstos el 70-85 % se debe a una duplicación en el cromosoma 17pll.2; un porcentaje menor presenta ligamiento a Iq21-q23, y existe aun un pequeño porcentaje de familias en las que el gen causante de la enfermedad no está localizado en ninguna de estas dos regiones. Asimismo, se ha localizado un gen para las formas autosómicas recesivas en Ip35-p36 y otro en 8ql3-q21, pero la existencia de familias no ligadas a este locus indica que debe haber al menos un gen más implicado.
Los estudios recientes han permitido aislar los genes que intervienen en el síndrome de Charcot-Marie-Tooth, que están localizados en 17p, lq y Xq; éstos son el gen PMP-22 o proteína 22 de la mielina, el P0 o proteína cero de la mielina y el Cx32 o conexina 32, respectivamente. En las tres proteínas se han encontrado varias mutaciones puntuales que son directamente responsables.
Un último ejemplo de enfermedad genéticamente heterogénea es la neurofibromatosis. Varios genes son responsables de esta enfermedad: en el cromosoma 17qll.2, el gen NF1, en el que se han encontrado algunas mutaciones puntuales causantes de la enfermedad, así como una pequeña deleción y una inserción de un elemento repetitivo Alu en un intrón que provoca la eliminación del exón siguiente durante el procesamiento del DNA complementario de este gen. Del mismo modo, participa un segundo gen, el SCH (que codifica para la proteína schwanomina) localizado en 22qll-ql3. Se trata de un gen que, al igual que NF1, es supresor de tumores. Se ha encontrado cierto número de mutaciones en este gen responsables de esta enfermedad, la inmensa mayoría de las cuales son mutaciones sin sentido que producen una proteína truncada. Existen, además, casos de neurofibromatosis que no se deben a mutaciones en ninguno de estos dos genes.
Los procesos fisiológicos que conducen a una determinada función son, la mayoría de las veces, complejos y en ellos suelen participar varias proteínas. Ya se ha visto cómo los defectos en la visión, la audición, la transmisión del impulso nervioso o la aparición de procesos tumorales pueden estar causados por alteraciones en distintos genes dispersos por todo el genoma, pero que forman parte de una misma maquinaria enzimática. Un defecto en cualquiera de esos genes puede producir el mal funcionamiento de ese entramado enzimático y ser responsable de la patogenia de una misma entidad clínica. Asimismo, mucho otros procesos no mencionados en este capitulo, como la pigmentación de la piel y el crecimiento, presentan este fenómeno.
Desde el punto de vista del diagnóstico genético molecular, la heterogeneidad supone una complicación importante cuando se trata de localizar el gen responsable de una determinada enfermedad, dado que ante los mismos síntomas aparece todo un abanico de loci para estudiar, con lo que esto representa en cuanto a tiempo, esfuerzo y recursos necesarios, máxime cuando todavía no se conocen todos los genes implicados en la mayoría de las enfermedades genéticamente heterogéneas.
