Autentificare

Dacă ești abonat medichub.ro, autentificarea se face cu adresa de E-mail și parola pe care le utilizezi pentru a intra în platformă.
Abonează-te la „Viața medicală” ca să ai acces la întreg conținutul săptămânalului adresat profesioniștilor din Sănătate!

Căutare:

Căutare:

Acasă  »  EDUCAȚIE  »  Ars Medici

Bolile genomice – un domeniu nou şi important al patologiei umane

Viața Medicală
Prof. dr. Mircea COVIC miercuri, 30 mai 2012

Conceptul de boală genomică a fost introdus în 1998 de James Lupski, pentru descrierea afecţiunilor genetice produse prin rearanjarea structurii genomului uman. La rubrica Medicina genomică, dl prof. dr. Mircea Covic explică mecanismul general de producere şi trece în revistă câteva din aceste afecţiuni.

 

     Conceptul de boli genomice a fost introdus în 1998, de către James Lupski, pentru a descrie afecţiuni genetice care se produc prin rearanjarea structurii genomului uman, determinată de anumite caracteristici ale arhitecturii sale, ce-l predispun la instabilitate. Prin aceasta, bolile genomice se deosebesc de bolile monogenice clasice cauzate de mutaţii specifice, „punctiforme“, în secvenţa nucleotidică ADN a unei gene: în bolile genomice, este modificată structura genomului şi nu structura unei anumite gene.
     Lupski a studiat mecanismul molecular de producere a două afecţiuni neurologice ereditare frecvente: boala Charcot-Marie-Tooth tipul 1A (CMT1A) – o neuropatie periferică, demielinizantă, motorie şi senzorială – şi neuropatia ereditară cu pareze induse de presiune (HNPP); el a demonstrat că CMT1A este produsă de o duplicaţie a genei PMP22 (care codifică proteina mielinei periferice 22), iar HNPP rezultă prin deleţia aceleiaşi gene. Analiza moleculară a regiunii în care este situată gena PMP22, pe braţul scurt al cromozomului 17 (17p12), a evidenţiat că această genă este flancată de două secvenţe repetitive mici, cvasiidentice (numite LCR – de la „low copy repeats“ – repetiţii cu număr mic de copii). Ele sunt implicate într-un mecanism de „rearanjare genomică“, care are loc în cursul meiozei (formării gameţilor), denumit recombinare omologă nealelică (prezentat în detaliu în caseta alăturată). Prin acest mecanism, între cromozomii din „perechea de omologi1” se produce un schimb („recombinare“) inegal de segmente, care va genera duplicaţia şi, respectiv, deleţia genei PMP22, generând astfel cele două afecţiuni „de dozaj genic“: CMT1A şi HNPP.
     Ulterior, Lupski a demonstrat că bolile genomice sunt diverse: în funcţie de mărimea segmentului genomic implicat, deleţia şi duplicaţia – rezultate prin recombinare omologă nealelică – pot produce boli monogenice, mendeliene (de tipul CMT1A şi HNPP), precum şi sindroame cromozomiale cu microdeleţii sau microduplicaţii, care implică mai multe gene învecinate (de exemplu, sindromul Smith-Mageneis, produs de deleţia 17p11.2, sau sindromul de microduplicaţie a aceleiaşi regiuni, numit şi sindromul Potocki-Lupski). În ambele situaţii, fenotipul clinic este consecinţa unui dozaj anormal – haploinsuficienţă (în deleţii) sau hiperexpresie (în duplicaţii) – a genei/genelor localizate în segmentul cromozomial ce a suferit „rearanjarea“ genomică.
     Progresele cunoaşterii în acest domeniu nou al bolilor genomice au fost la început mici, ca urmare a limitelor tehnologice şi conceptuale (gândirea „genocentrică“, axată pe alterarea unei gene specifice). Ulterior, introducerea tehnicilor de analiză a întregului genom (hibridizare genomică comparativă pe microreţele sau„array CGH“) şi finalizarea Proiectului Genomul Uman au dus la amplificarea cunoştinţelor, demonstrând că recombinarea omologă nealelică generează modificări genomice diverse: deleţii, duplicaţii, inversii şi variaţii ale numărului de copii („copy number variations“ – CNV) ale segmentului genomic flancat de LCR.
     Una dintre surprizele descifrării structurii genomului uman a fost abundenţa secvenţelor repetitive, precum şi a duplicaţiilor segmentale sub formă de LCR (segmente de ADN de 10–200 Kb şi peste 95% identitate de secvenţă), care alcătuiesc 5,4% din genomul de referinţă. Duplicaţiile LCR sunt prezente în întregul genom, fiind situate în poziţii diferite, în acelaşi cromozom sau în cromozomi diferiţi, şi având orientare „directă“ sau „inversată“. Prin împerecherea imperfectă a acestor secvenţe duplicate cvasiidentice şi recombinare reciprocă (v. figura) se produce o varietate de modificări structurale: duplicaţii şideleţii (între LCR orientate direct pe acelaşi cromozom), inversii (între LCR orientate invers pe acelaşi cromozom) şi translocaţii reciproce (între LCR localizate pe cromozomi diferiţi).Duplicaţiile segmentale reprezintă, deci, caracteristici arhitecturale ale genomului ce predispun la instabilitatea şi modificarea lui, deoarece produc, de obicei prin recombinare omologă nealelică, rearanjări genomice ale segmentului delimitat de aceste duplicaţii. A devenit evident că: (1) rearanjările cromozomiale nu sunt întâmplătoare şi (2) producându-se în anumite „puncte fierbinţi de recombinare ectopică“, ele sunt recurente (se pot produce identic la mai multe persoane neînrudite). Pentru a avea o imagine completă a fenomenului de remaniere genomică, trebuie să menţionăm că au fost descrise şi rearanjări non-recurente, produse în regiuni genomice cu secvenţe repetitive cvasiidentice (de exemplu, microsateliţi) prin alte mecanisme, ce implică replicarea sau repararea ADN.
     Variaţiile numărului de copii (CNV), determinate de rearanjările genomice, apar cu o frecvenţă (aproximativ 10–6–10–4) de 100–10.000 ori mai mare decât rata mutaţiilor ADN prin modificări nucleotidice (aproximativ 10–8), fapt ce permite concluzia că acest fenomen frecvent este mecanismul cel mai important de varia­bilitate genomică şi, implicit, de producere a numeroase boli umane.
     Prin analiza comparativă a genomurilor diferitelor specii de vertebrate, s-a stabilit că LCR sunt rare la cele mai multe mamifere, dar prezintă o expansiune semnificativă la primate şi om, jucând, probabil, un rol important în evoluţia genelor şi a genomului uman. Duplicaţiile genice, urmate de diversificarea rapidă a secvenţelor duplicate, au fost un „rezervor“ de producere a unor fenotipuri adaptative, prin creşterea dozajului unor gene specifice, ce determină avantaje evolutive („ipoteza Ohno“). De exemplu, achiziţia vederii colorate (tricromice) la primatele superioare, asociată cu pierderea multor gene pentru receptorii olfactivi, denotă rolul mai mare al vederii colorate în percepţia mediului, comparativ cu olfacţia. Unele gene care deosebesc omul de cimpanzeu au apărut şi s-au amplificat (prin duplicaţii repetate) datorită recombinării secvenţelor repetitive mici (LCR) care le flanchează. Dintre acestea, cităm amplificarea genei amilazei salivare (AMY1), care a favorizat consumul de glucide în primele societăţi umane agricole, sau amplificarea genei pentru aquaporina 7 (AQP7), implicată în transportul apei, glicerolului şi ureei, care a contribuit la creşterea capacităţii umane de a rezista la efort. Recent, s-a evidenţiat la om amplificarea a 140 de gene, cele mai multe dintre ele implicate în funcţia neuronilor, dezvoltarea creie­rului uman şi funcţiilor cognitive, precum şi „naşterea“ unor gene noi.
     Rolul benefic al duplicaţiilor segmentale şi al flexibilităţii genomice în evoluţia relativ rapidă a omului are, însă, şi un „revers al medaliei“, deoarece, generând o predispoziţie la instabilitate genomică, determină apariţia, la unii indivizi, a unor rearanjări asociate cu boli variate. În funcţie de mărimea segmentului genomic implicat şi de numărul de gene localizate în regiunea remaniată, rearan­jările genomice pot produce boli monogenice, sindroame cromozo­miale cu microdeleţii/microduplicaţii sau aberaţii cromozomiale mari (inversii, translocaţii reciproce, izocromozomi). Recent, s-a demonstrat că recombinarea omologă nealelică este implicată şi în etiologia unor boli complexe, multifactoriale, precum şi a unor tipuri de cancere. Alteori, rearanjările genomice produc doar polimorfisme benigne, fără consecinţe fenotipice, prin variaţii ale numă­rului de copii (CNV) ale unui segment genomic; acestea pot însă influenţa răspunsul şi vulnerabilitatea/rezistenţa organis­mului la „agresiunile“ mediului, inclusiv efectele medicamentelor la persoane diferite.
     Mecanismele moleculare prin care rearanjările genomice (duplicaţii, deleţii, inversii, translocaţii) determină un fenotip anormal sunt multiple: • modificarea dozajului genic, prin duplicaţia sau deleţia unei gene (de exemplu, duplicaţia genei PMR22 în CMT1A şi deleţia ei în HNPP) • pierderea funcţiei, prin inactivarea genei, atunci când punctul de rupere este localizat într-o genă funcţională • câştig de funcţie, prin fuziunea a două gene, în urma unor translocaţii (fenomen frecvent implicat în producerea multor cancere) • efecte de poziţie, prin îndepărtarea sau alterarea secvenţelor reglatorii • de­mascarea unei alele recesive, prin deleţii care îndepărtează alela normală de pe cromozomul omolog.
     Aşa cum am arătat mai sus, rearanjările genomice prin recombinare ectopică mediată de secvenţe repetitive mici determină un număr şi o varietate mare de boli, prezente în multiple specialităţi medicale. Considerăm că „inventarierea“ lor (chiar şi parţială) ar putea oferi o imagine mai completă asupra amplitudinii implicării bolilor genomice în patologia umană şi o „motivaţie“ pentru cunoaşterea lor de către toţi medicii.
     Dintre bolile monogenice, transmise mendelian, ce pot fi produse şi prin rearanjări genomice, cităm: boala polichistică renală tip 1 (ADPKD), nefronoftizia juvenilă, hemofilia A, talasemiile alfa şi beta, boala Charcot-Marie-Tooth tip 1A, neurofibromatoza tip 1, atrofia musculară spinală, distrofia musculară Duchenne, hiperplazia congenitală de suprarenală, sindromul de insensibilitate la androgeni, boala Gaucher tip 1, cancerul colorectal non-polipozic ereditar (HNPCC sau sindromul Lynch tip 1), discromatopsia pentru culoarea roşu/verde etc.
     Sindroamele cu microdeleţii sau microduplicaţii cromozo­miale sunt produse prin pierderea sau câştigul unor fragmente cromozomiale mici (1–4 Mb), care pot fi detectate numai prin tehnicile de analiză citogenetică moleculară. Conform bazei de date DECIPHER2, se cunosc astăzi mai mult de 60 de asemenea sindroame. Unele sunt mai frecvente (de exemplu, sindromul velo-cardio-facial afectează 1:2.000 nou-născuţi, iar microdeleţiile cromozomului Y se întâlnesc la 20% din bărbaţii infertili), dar majoritatea sunt rare; global însă, aceste sindroame constituie a treia cauză genetică de retard mental, după sindromul Down şi sindromul X fragil. Fenotipul sindroamelor cu microdeleţie este de obicei determinat de haploinsuficienţa uneia sau mai multor gene învecinate, situate în segmentul absent (de aceea, se mai numesc sindroame ale genelor contigue). Sindroamele cu microdeleţii sunt mai uşor de depistat clinic, comparativ cu sindroamele de microduplicaţii, care produc fenotipuri „mai blânde“, ce pot „scăpa“ identificării clinice (excesul de informaţie este de obicei mai puţin „dăunător“ decât deficienţa ei). Teoretic – pe baza mecanismului de recombinare omologă nealelică – sindroamele cu microduplicaţii ar trebui însă să fie la fel de frecvente ca şi cele cu microdeleţii; acest fapt a fost confirmat prin descoperirea tuturor duplicaţiilor corespunzătoare unui segment deletat.
     Recent, s-a demonstrat că recombinarea omologă nealelică este implicată şi în boli complexe, multifactoriale (de exemplu: deleţia 17q12 în diabetul zaharat cu debut la maturitate; deleţia 15q13.3 şi 1q21.1 în schizofrenie, convulsii idiopatice; deleţia 16p11.2 în autism, tulburări de comportament), iar variaţiile numărului de copii (CNV) din genomul uman au fost asociate cu susceptibilitatea la infecţie HIV, boală Crohn, glomerulonefrite, psoriazis, lupus eritematos sistemic (LES), pancreatite şi multe alte boli.
     Se poate conchide că recombinarea omologă nealelică mediată de secvenţe repetitive mici (LCR) este un fenomen frecvent şi un me­ca­nism major de producere a numeroase boli umane. Acest fapt este confirmat de frecvenţa anomaliilor structurale în cancere (de exem­plu, diferite translocaţii specifice şi izocromozomul 17q în hemopatiile maligne), de rata mare a CNV patologice la 20% din nou-născuţii cu anomalii congenitale sporadice, precum şi de rearan­jările geno­mice care se produc în cursul mitozei celulelor somatice şi generează „mozaicuri genomice celulare“ patogene. Proiectul Genomul Uman a stabilit secvenţa şi structura unui genom haploid de referinţă şi nu a putut anticipa mecanismele şi frecvenţa bolilor genomice şi nici amplitudinea variaţiilor numărului de copii (CNV) din genomul diploid, evidenţiate de metodele actuale de analiză de înaltă rezoluţie a genomului. A apărut astfel genomica inversă, care studiază relaţiile dintre genomotip (rearanjările genomice) şi fenotip.
     În concluzie, dezvoltarea conceptului de boli genomice, definirea mecanismelor de producere a acestor afecţiuni şi folosirea unor tehnici noi de analiză a întregului genom au dus la îmbunătăţirea iden­tificării clinice şi descoperirea etiologiei multor boli umane. Studiile acestor fenomene şi boli au furnizat noi informaţii despre structura şi evoluţia genomului uman şi au conturat rolul arhitecturii genomice (duplicaţii segmentale şi secvenţe repetitive) în determinismul instabilităţii genomice, care a facilitat evoluţia omului, dar a devenit şi o cauză de boală. Mai mult, amplificarea cunoştinţelor despre CNV sugerează că aceste variaţii polimorfice ar putea juca un rol major în determinismul bolilor complexe, multifactoriale ale adultului.
1. În cariotip, cromozomii se găsesc în „perechi de omologi“, identici ca mărime, formă şi conţinut genic, dar diferiţi ca origine (unul matern, celălalt patern).
2. DatabasE of Chromosomal Imbalance and Phenotype in Humans using Ensembl Resources – http://www.sanger.ac.uk/PostGenomics/decipher/

Abonează-te la Viața Medicală

Dacă vrei să fii la curent cu tot ce se întâmplă în lumea medicală, abonează-te la „Viața medicală”, săptămânalul profesional, social și cultural al medicilor și asistenților din România!
Avem două tipuri de abonamente anuale:
• Tipărit + digital – 180 de lei
• Digital – 115 lei

Prețul include TVA și taxele poștale de expediere a ziarului.
Titularii abonamentelor pe 12 luni sunt creditați astfel de:
• Colegiul Medicilor Dentiști din România – 5 ore de EMC
• Colegiul Farmaciștilor din România – 10 ore de EFC
• OBBCSSR – 7 ore de formare profesională continuă
• OAMGMAMR – 5 ore de EMC