ENFERMEDADES POR ALTERACIONES DE LA IMPRONTA GENÓMICA

Vista previa del material en texto

ENFERMEDADES POR ALTERACIONES DE LA IMPRONTA
GENÓMICA
 
Como ya se ha expresado en la parte correspondiente al mecanismo de disomía uniparental,
el desarrollo normal del organismo requiere la aportación de la información genética de
ambos padres. Una anomalía que lleve al desequilibrio de la herencia biparental de esta
información, y de acuerdo con la región cromosómica involucrada, causa alteración y
produce diferentes enfermedades. La impronta genómica (en inglés genomic imprinting) es
una marca o sello que los padres confieren a un subgrupo de genes en su descendencia,
según quién sea el progenitor (el padre o la madre) que lo herede, y tendrá efectos en la
regulación de la expresión génica de una región cromosómica dada; a este grupo de genes
se lo conoce como genes improntados.
En el mecanismo de impronta genómica participan eventos epigenéticos, ya que las
alteraciones que dan lugar a la aparición de la enfermedad no guardan relación con la
presencia de mutaciones en la secuencia del DNA, sino que estas alteraciones están
presentes en los mecanismos que regulan la expresión génica, también llamados
mecanismos epigenéticos. El término epigenética se define como el estudio de la regulación
de la actividad génica que no depende de la secuencia de los genes y que incluye
alteraciones heredables y no heredables, tanto en la actividad génica como en el potencial
transcripcional de la célula. En algunas enfermedades, en relación con regiones
improntadas, también se ha identificado que mutaciones en genes específicos en estas
regiones pueden causar un cierto porcentaje de los casos dado que está alterada su
expresión.
El proceso de impronta genómica es un mecanismo regulado de modo epigenético, el cual
da lugar a que los genes se expresen según sea el origen (paterno o materno) que tengan y
no, como es lo habitual, que se expresen de ambos cromosomas homólogos; en este sentido,
es un silencio transcripcional específico, según sea el padre de origen de un subgrupo de
genes en la descendencia. Se considera que el mecanismo de impronta genómica ocurrió
entre 210 y 310 millones de años antes; en los mamíferos, los genes improntados regulan el
desarrollo placentario y el crecimiento fetal y se cree que ha coevolucionado con la
placentación. Es posible que existan entre 100 y 200 genes improntados, algunos de ellos
con impronta específicamente en ciertos tejidos. En el ratón se han identificado alrededor
de 150 genes improntados y hasta 2015 se han descrito 92 genes improntados en el genoma
humano (excluidos los de tipo miRNA).
Esta situación es muy interesante ya que hace evidente que ciertas enfermedades pueden
ser resultado no precisamente de las alteraciones en la secuencia del genoma, sino de
alteraciones en otros planos diferentes en relación con la expresión génica, lo que si bien es
complejo también añade un grado más al entendimiento de los mecanismos normales de
regulación génica y a su vez de su relación con la presentación de enfermedad.
El mecanismo de impronta genómica se identificó en la década de 1980 con base en los
experimentos de trasplante pronuclear en el ratón que demostraron que para un desarrollo
adecuado, ambos genomas (paterno y materno) son necesarios para que el embrión llegue a
término. Los genes improntados se localizan con frecuencia en grupos (clusters) con
tamaños variables, desde kilobases hasta megabases, lo que significa que ciertos locus
contienen genes que se hallan bajo un control coordinado de la impronta.
Puesto que en la impronta genómica no hay alteración en la secuencia de los genes y las
enfermedades derivadas se relacionan con mecanismos de expresión génica, como se ha
explicado en la parte correspondiente a las bases moleculares del DNA, es preciso
considerar que estos cambios se relacionarán con el control epigenético del DNA, que
incluirá por ejemplo a los patrones de metilación del DNA, modificaciones
postraduccionales de las histonas y cambios en la estructura de la cromatina.
La metilación del DNA se refiere a la adición de un grupo metilo en la posición 5 de la
base cisteína; esta reacción la realizan las enzimas DNT metiltransferasas. Los eventos de
metilación en citocinas en regiones reguladoras de genes, en términos generales, causan
represión de la expresión o su silenciamiento; si estas regiones están desmetiladas hay
expresión génica. Las regiones bajo impronta tienen una marca de metilación diferente en el
alelo materno o paterno que son las regiones diferencialmente metiladas (DMR,
differentially methylated region) con extensiones en general de 2 a 5 kb. A estas regiones
también se las conoce como centros de control de la impronta (ICC, imprinting control
centers), ya que pueden regular la expresión de los genes en las regiones en que se
encuentran. Otros cambios posibles se relacionan por ejemplo con fosforilación. Los
cambios en el estado de metilación pueden analizarse por diversas técnicas, incluidas las de
enzimas sensibles a metilación.
Otro mecanismo es la acetilación o desacetilación de las histonas, dado que participan en
la regulación de los estados de la cromatina, en el que por ejemplo la acetilación de las
histonas introduce un estado de relajación de la cromatina que facilita la expresión génica.
Cambios en los extremos de las histonas o colas de histonas, en particular con los
fragmentos de lisina, influyen en la expresión de los genes. Un ejemplo de lo anterior es
que si la lisina 4 (K4) de la histona 3 o H3 está metilada se produce actividad
transcripcional, pero si se trata de la metilación de la lisina 9 (K9) hay silenciamiento.
Además, en la regulación de la impronta participan RNA de tipo largo no codificantes o
lncRNA (long noncoding RNAs).
Para entender cómo los genes improntados se regulan se han considerado los mecanismos
de lncRNA que pueden hallarse en regiones intergénicas, intrónicas, antisentido, y en los
enhancers o potenciadores actuando en cis. Otro mecanismo se basa en la regulación de la
interacción entre los potenciadores y los promotores de los genes; uno de los mejor
conocidos es la unión diferencial que depende de la metilación de la proteína CTCF.
Las marcas de la impronta se heredan en los gametos de los padres y se mantienen en las
células somáticas, de tal manera que hay un ciclo de reprogramación epigenética, de
acuerdo con el género del padre del cual se heredan a la siguiente generación. Los
desórdenes de la impronta pueden ser efecto de a) cambios o mutaciones epigenéticas como
las alteraciones de la metilación, b) desbalances genómicos que son alteraciones en la dosis
ya sea por deleciones o duplicaciones; c) disomía uniparental y d) mutaciones en algún gen
específico improntado que se encuentra en estas regiones. Los síndromes relacionados con
las regiones improntadas tienen sus características particulares que hacen posible su
identificación diagnóstica; se ha observado que comparten algunas características, por
ejemplo que hay alteraciones en el crecimiento ya sea restricción o retraso de éste y en
algunos casos sobrecrecimiento prenatal y posnatal; desregulación de la glucemia
(hipoglucemia o hiperglucemia), problemas de la alimentación y del comportamiento.
Algunas de las regiones improntadas mejor conocidas en el ser humano guardan relación
con las enfermedades que su desregulación ocasiona; algunas son el cromosoma 6q24
relacionado con la presentación de la diabetes mellitus neonatal transitoria; 15q11-q13
vinculado con la presentación de los síndromes de Prader-Willi y Angelman (véase el anexo
correspondiente); 11p15.5 en relación con la presentación de los síndromes de Beckwith-
Wiedemann (SBW) y Silver-Russell (SSR); 14q32 con los síndromes de Temple y Kagami-
Ogata; y la región 20q13 respecto de la presentación de pseudohipoparatiroidismo (cuadro
9-1).
Entre las alteraciones descritas por mutaciones específicas figura el caso de los genes
improntados CDKN1 en SBW y SSR; de UBE3A en el síndrome de Angelman y en el alelo
paterno de MKRN3 en la pubertad precoz central (MIM615346) en 15q11. Se han
identificado mutaciones en KCNK9 heredadas de forma materna como causa del síndrome
de retraso mental de Birk-Barel (MIM 612292) en 8q24.3. La desregulación de la impronta
en sucesos somáticos, así como la mola completa hidatiforme que es una alteración global
de la impronta, se relacionan con un incremento del riesgo de cáncer, en particular tumores
embrionarios (como el tumor de Wilms), por ejemplo por la pérdida de la impronta (LOI,
loss of imprinting) de algunos genes como IGF2 en 11p15.
Estudios recientes han puesto de manifiesto que puede haber alteraciones en la metilación
en múltiples regiones diferencialmente metiladas y a las que se ha llamado desórdenes de la
impronta en múltiples locus (MLID, multilocus imprinting disturbances). Estos estudios se
encuentran en curso para entender mejor su fundamento. Existen diferentes iniciativas
referentes a bases de datos en las cuales puede consultarse la información sobre las
alteraciones de la impronta; una de ellas es el consorcio EUCID.net (European network of
congenital imprinting disorders).
La región improntada 11p15.5 se expande aproximadamente 1 Mb; en esta región se han
identificado 12 genes improntados y es en particular interesante porque tiene dos regiones
de control de la impronta o ICR (figura 9-3). La región de control de la impronta 1 es la
telomérica o ICR1, está metilada en el alelo paterno y regula a los genes H19 con expresión
en el alelo materno e IGF2 expresado en el alelo paterno. El gen H19 codifica a un lncRNA
de 2.3 kb y junto con el gen IGF2 (insuline growth factor type 2) regula a la región
improntada en 11p15. La expresión de estos genes se halla bajo regulación de la unión de la
proteína CTCF en el ICR que está hipometilado en el alelo materno. La región 2 o ICR2 es
centromérica o proximal y está metilada en el alelo materno; esta región incluye locus para
los genes CDKN1C, el cual se expresa en el alelo materno, KCNQ1 y KCNQ1OT1. La
ICR2 está localizada en una isla CpG DMR en el intrón 10 de KCNQ1 con expresión del
alelo materno. KCNQ1OT1 se transcribe en el alelo paterno y es un transcrito antisentido en
relación con KCNQ1. La desregulación de la región da origen a los síndromes de Beckwith-
Wiedemann o Silver-Russell.
 
FIGURA
9-3
Dominios de control de la impronta en 11p15. Se muestran los dos alelos, el paterno y el materno. ICR1 o
dominio 1 está metilado en el alelo paterno y se expresa IGF2. ICR2 está desmetilado y se expresa el
transcrito de KCNQ1OT1. En el alelo materno, ICR1 interactúa con CTCF por lo que se expresa H19; ICR2
está metilado por lo que se expresa KCNQ1. Los genes expresados aparecen en rojo y los genes que no se
expresan se presentan en gris.
 
 
El síndrome de Beckwith-Wiedemann (MIM 130650) (figura 9-4) es la enfermedad con
sobrecrecimiento congénito más común y afecta a 1 en 10 500 recién nacidos vivos; tiene
predisposición al cáncer. Se caracteriza por presentar onfalocele, macroglosia y
sobrecrecimiento, además de alteraciones en pabellones auriculares con hoyuelos
retroauriculares, naevus flammeus, hemihiperplasia, organomegalia e hipoglucemia
neonatal. Existen criterios mayores y menores para establecer el diagnóstico de SBW que se
han revisados en fecha reciente. Entre los criterios mayores figuran los defectos de la pared
abdominal, macroglosia, macrosomía neonatal, sobrecrecimiento posnatal, tumor
embrionario y malformaciones auriculares. Los menores incluyen prematurez,
hipoglucemia neonatal, facies típica, polihidramnios, entre otros. El diagnóstico se
establece si se reúnen tres criterios mayores o dos mayores y al menos un criterio menor.
Hasta en un 7% de los pacientes pueden presentarse tumores embrionarios, la mayor parte
del tipo del tumor de Wilms.
 
FIGURA 9-4 Paciente con síndrome de Beckwith-Wiedemann. Se muestran los hoyuelos retroauriculares (flechas).
 
 
En 70% de los casos hay una expresión alterada en 11p15; la hipometilación de la ICR2 se
ha visto en 50% de los pacientes y también se han identificado casos de UPD (11p15)pat e
hipermetilación de ICR1, pero sólo hasta el 7% de los casos. El 85% de éstos es esporádico
y en los casos familiares se han reconocido mutaciones en CDKN1C. El análisis molecular
de la región 11p15.5 debe ser por pasos tras considerar los criterios diagnósticos; así puede
realizarse cariotipo por bandeo GTG, si bien el análisis molecular de DNA para determinar
la metilación de los locus ICR1 e ICR2 detecta alrededor del 90% de los casos con
alteración molecular; de ser el caso, se puede considerar la secuenciación directa del gen
CDKN1C. Lo anterior hace posible establecer los fundamentos del asesoramiento genético
a otorgarse. Los pacientes deben someterse a seguimiento sistemático para precisar el
diagnóstico oportuno de posibles complicaciones; tal vigilancia depende de la edad e
incluye por ejemplo el ultrasonido abdominal.
El síndrome de Silver-Russell (MIM 180860) tiene una frecuencia de 1 en 75 000 a 1 en
100 000 y presenta restricción del crecimiento prenatal y posnatal, macrocefalia relativa al
nacimiento, alteraciones de la alimentación y facies característica (figura 9-5), además de
hipotonía, cierre tardío de fontanelas, frontal prominente, microrretrognatia, pabellones
auriculares dismórficos y de baja implantación, hipospadias, sudoración excesiva,
hipoglucemia y retraso del desarrollo psicomotor. Revela heterogeneidad dado que puede
tener múltiples causas, 10% se relaciona con DUP del cromosoma 7 materno y 40% de los
casos guarda relación con hipometilación del centro de control de la impronta 1 o ICR1 en
11p15.
 
FIGURA 9-5 Paciente con síndrome de Silver-Russell. Obsérvense la facies triangular y el frontal prominente.
 
 
La diabetes mellitus transitoria neonatal (MIM 601410) tiene una frecuencia de 1:50 000 a
100 000 y presenta hiperglucemia transitoria, además de restricción del crecimiento
intrauterino, macroglosia y defectos de la pared abdominal. Se identifica hiperglucemia
persistente en las primeras seis semanas de vida por falta de insulina y la mayoría de los
casos se resuelve después de tres meses; algunos pacientes desarrollan después diabetes
mellitus tipo 2. Se ha relacionado con DUP paterna del cromosoma 6 y hasta el 50% de los
casos se acompaña de defectos de metilación en el gen ZAC/PLAG1 en 6p24.
En relación con la región de 14q32.2 se han identificado genes expresados en sentido
paterno como DLK1, RTL1 y DIO3 y los expresados de modo materno como MEG3 y
RTL1. Hay una región DMR paternalmente metilada intergénica y otra DMR llamada
MEG3-DMR; alteraciones de esta región dan lugar a los síndromes de Temple o Kagami-
Ogata.
El término de pseudohipoparatiroidismo engloba a un grupo de enfermedades que se
caracterizan por resistencia a la acción de la hormona paratiroidea en el riñón. La mayoría
de los casos es de tipo 1 y se debe a alteraciones genéticas o epigenéticas en el gen GNAS,
el cual está improntado. El gen GNAS (guanine nucleotide binding protein alpha
stimulating) en 20q13.3 codifica a la subunidad alfa de la proteína G estimuladora. El locus
de GNAS tiene los promotores de cuatro transcritos alternativos: 1) Exón A/B (GNAS-
A/B:TSS DMR=A/B); 2) antisense GNAS (GNAS-AS1: TSS DMR =AS1), 3) proteína G
extra-large stimulatory (GNAS-XL: EX1 DMR =XL) y 4) neuroendocrine secretory protein
55 (GNAS-NESP: TSS DMR =NESP). El locus de GNAS es uno de los más complejos que
se conocen ya que codifica para productos con expresión bialélica, expresión materna y
expresión paterna. El exón NEPS55 está metilado en el alelo paterno, mientras que los
exones AS y XLα están metilados en el alelo materno.
El pseudohipoparatiroidismo tipo 1A (MIM 603233) es resultado de mutaciones
inactivantes del alelo materno y corresponde a los pacientes que tienen resistencia a la
acción de la hormona paratiroidea y la TSH, la obesidad y la osteodistrofia hereditaria de
Albright que incluye talla baja, braquidactilia, osificaciones ectópicas y dispacacidad
intelectual. Los pacientes quetienen mutaciones paternas se relacionan con el fenotipo de
osteodistrofia hereditaria de Albright, pero no tienen ni resistencia a la hormona ni a la
obesidad por lo que esta anomalía se conoce como pseudohipoparatiroidismo. Los pacientes
con pseudohipoparatoroidismo 1B tiene resistencia a la hormona paratiroidea, pero sólo en
el tejido renal. Algunos pacientes tienen pérdida de la metilación en la región DMR A/B de
GNAS.
Para explicar la existencia de un mecanismo de regulación de la expresión génica, como la
impronta genómica, se han propuesto diferentes teorías, entre ellas dos: a) la teoría del
conflicto parental dada la modificación fenotípica que la dosis génica puede ocasionar,
según sea su origen materno o paterno, de tal manera que se propone que existe un conflicto
de intereses entre los genes materno y paterno en un feto cuando depende para su nutrición
de los recursos maternos; y b) la teoría de la coadaptación que postula que los genes
improntados actúan para optimizar el desarrollo fetal así como los recursos maternos.
Una de las situaciones médicas relacionadas con la impronta genómica es la inquietud de
que los embriones obtenidos por técnicas de reproducción asistida tengan un aumento de
alteraciones de este tipo. Por ejemplo, se ha publicado un riesgo incrementado de SBW en
niños de poblaciones en las que se usaron técnicas de reproducción asistida en comparación
con los de la población general. Estos aspectos aún se encuentran en investigación.