Eduardo Tizzano Departmento de Genética Hospital Sant Pau, Barcelona 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 mRNA PROTEINA FENOTIPO

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

Varios genes Varios RNA Varias PROTEINAS FENOTIPO MULTIFACTORIALES Medio ambiente Medio ambiente Varios RNA Varias PROTEINAS FENOTIPO

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.

EL EFECTO FINAL DE UN GEN ESTA INFLUENCIADO POR Secuencia del gen o su RNA Factores EPIGENETICOS 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 1 Exón 26 GRAN DELECION (EXON 14) Exón 1 Exón 13 Exón 15 Exón 26 INVERSION INTRON 22 Exón 23 Exón 26 Exón 22 Exón 1 INVERSION INTRON 1 Exón 26 Exón 1 Exón 2

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

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

FVL Gen del Factor V en el cromosoma 1 Sustitución de una G  A en nucleótido 1691  Arginina506Glutamina (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.

PT20210A 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 + PT20210A Inversión - PT20210A n=5 n=11 edad promedio=30 ES=hasta 5 (p=0.008) CFcVIII=15400 U/año (+/- 18105) (p=0.016) Artropatías=<4 (p<0.0005) Inversión - PT20210A n=11 edad promedio=32 ES=mas de 6 (excepto 1 caso con <5) CFcVIII=90636 U/año (+/- 49515) Artropatías=4 o mas

Conclusiones GEN 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. FENOTIPO MODIFICADORES

Conclusiones El FVL y la PT20210A 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

????? PT20210A FVL Protein C Proten S Antithrombin III Factor XI 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.

SMN 2 SMN 1 SMN 1 SMN 2 SMN 1 SMN 2 SMN 2 A SMN 2 SMN 1 SMN 2 SMN 1 Individuo no afectado con cuatro copias de gen SMN (2 de SMN1 y dos de SMN2) SMN 2 SMN 1 B SMN 2 Individuo portador con una copia de gen SMN 1 y dos de SMN2 SMN 2 C SMN 2 Individuo afectado con ninguna copia de SMN1 y dos de SMN2

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

DNA SMN1 SMN2

SMA patients have one or more SMN2 genes which modulate the disease severity SMN 2 SMN 2 I SMN 2 No patient was described with total absence of the SMN genes

SMN 2 SMN 2 SMN 2 II / III SMN 2 SMN 2 SMN 2 SMN 2

Five nucleotides differences between SMN1 and SMN2 Exon 7 Exon 8 Intron 6 Intron 7 G C A A G SMN 2 Exon 7 Exon 8 Intron 6 Intron 7 A T G G A

SMN 1 SMN 2 ADN ARN mensajero INTRONES EXONES PROTEINA SMN2 (sin exon 7) parcialmente funcionante PROTEINA SMN1 (completa) totalmente funcionante

Cuscó et al., Journal of Neurology, 2005 Efecto de la dosis del gen SMN2 Determinar la correlación entre el número de copias del gen SMN2 y el fenotipo : 16 tipo I 87.5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias 14 tipo II 86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias 15 tipo III 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

F1 F2 F3 F4 1 2

Conclusiones El gen SMN2 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 SMN2 no es categórico, lo que indica la existencia de otros genes modificadores El tratamiento con fármacos para aumentar la expresión del gen SMN2 es estudiado como posible terapia en la AME

SMN1 SMN2 ?????

EJEMPLOS DE ENFERMEDADES MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES GENES MODIFICADORES INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL. Fibrosis quística CFTR Enfermedad de Hirschsprung RET, GNDF, EDN3, EDNRB Neurofibromatosis tipo 2 NF2 Craniosinostosis coronal FGFR3 Hipoplasia adrenal congénita DAX1 Enfermedad de Gaucher GBA Fenilcetonuria PAH Sindrome del QT prolongado KVLQT1, HERQ, SCN5A, KCNE1

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 mRNA PROTEINA FENOTIPO GENOMICA TRANSCRIPTOMICA PROTEOMICA MODIFICADORES DETERMINANTE

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

¿Qué debemos saber de un gen en términos de su función? 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 mRNA 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 mRNA 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 GENOMA TRANSCRIPTOMA PROTEOMA PERFILES DE SUSCEPTIBILIDAD 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 mRNA PROTEOMA Caracterizar las moléculas funcionales de las células teniendo en cuenta modificaciones postraduccionales PERFILES DE SUSCEPTIBILIDAD