Genética Médica 5ª Edición PDF - Elsevier

Aprende de un ; EDICION , Página deliberadamente en blanco  QUINTA EDICIÓN Lynn B. Jorde, PhD Professor H.A. and Edna Benning Presidential Chair Department of Human Genetics University of Utah Health Sciences Cen...

Aprende de un ; EDICION , Página deliberadamente en blanco  QUINTA EDICIÓN Lynn B. Jorde, PhD Professor H.A. and Edna Benning Presidential Chair Department of Human Genetics University of Utah Health Sciences Center Salt Lake City, Utah John C. Carey, MD, MPH Professor Division of Medica! Genetics Department of Pediatrics University of Utah Health Sciences Center Salt Lake City, Utah Michael J. Bamshad, MD Professor Division of Genetic Medicine Department of Pediatrics University of Washington School of Medicine Seattle Children's Hospital Seattle, Washington ELSEVIER ELSEVIER Avda. Josep Tarradellas, 20-30, l.º, 08029, Barcelona, España Medica[ genetics Copyright © 2016 by Elsevier Inc. Ali rights reserved. Copyright© 2010, 2006, 2003, 2000, 1995 by Mosby Inc., an affiliate of Elsevier Inc. Ali rights reserved. 978-0-323-18835-7 This translation of Medica/ genetics, Se by Lynn B. Jorde, John C. Carey and Michael J. Bamshad was undertaken by Elsevier España S.L. U. and is published by arrangement with Elsevier Inc. Esta traducción de Medica/ genetics, Se de Lynn B. Jorde, John C. Carey y Michael J. Bamshad, ha sido llevada a cabo por Elsevier España S.L. U. y se publica con el permiso de Elsevier Inc. Genética médica, S. ed. de Lynn B. Jorde, John C. Carey y Michael J. Bamshad. Copyright © 2016 Elsevier España S.L. U. 4. ª edición © 2011 Elsevier España S.L. U. ISBN: 978-84-9113-058-l eISBN: 978-84-9113-059-8 Fotocopiar es un delito. (Art. 270 C.P.) Para que existan libros es necesario el trabajo de un importante colectivo (autores, traductores, dibujantes, correctores, impresores, editores... ). El principal beneficiario de ese esfuerzo es el lector que aprovecha su contenido. Quien fotocopia un libro, en las circunstancias previstas por la ley, delinque y contribuye a la «no» existencia de nuevas ediciones. Además, a corto plazo, encarece el precio de las ya existentes. Este libro está legalmente protegido por los derechos de propiedad intelectual. Cualquier uso, fuera de los límites establecidos por la legislación vigente, sin el consentimiento del editor, es ilegal. Esto se aplica en particular a la reproducción, fotocopia, traducción, grabación o cualquier otro sistema de recuperación de almacenaje de información. Advertencia La medicina es un área en constante evolución. Aunque deben seguirse unas precauciones de seguridad estándar, a medida que aumenten nuestros conocimientos gracias a la investigación básica y clínica habrá que introducir cambios en los tratamientos y en los fármacos. En consecuencia, se recomienda a los lectores que analicen los últimos datos aportados por los fabricantes sobre cada fármaco para comprobar la dosis recomendada, la vía y duración de la administración y las contraindicaciones. Es responsabilidad ineludible del médico determinar la dosis y el tratamiento más indicado para cada paciente en función de su experiencia y del conocimiento de cada caso concreto. Ni los editores ni los directores asumen responsabilidad alguna por los daños que pudieran generarse a personas o propiedades como consecuencia del contenido de esta obra. El editor Revisión científica: Dr. Josep Oriola Ambros Profesor Agregado, Unidad de Genética, Departamento de Ciencias Fisiológicas I, Facultad de Medicina, Universitat de Barcelona Consultor, Servicio de Bioquímica y Genética Molecular, CDB. Hospital Clínic, Barcelona Dr. Rafael Oliva Virgili Catedrático de Universidad, Coordinador de la Unidad de Genética, Departamento de Ciencias Fisiológicas I, Facultad de Medicina, Universitat de Barcelona Consultor Senior, Servicio de Bioquímica y Genética Molecular, CDB. Hospital Clínic, Barcelona Depósito legal: B 10108-2016 Impreso en España  A nuestras familias Debra, Eileen y Alton Jorde Leslie, Patrick y Andrew Carey Jerry y Joanne Bamshad Página deliberadamente en blanco J. B. S. Haldane tituló una antología de algunos de sus textos más tión clave de la biología de los siglos XIX y xx: ¿cuál es la relación dispépticos «Todo tiene una historia», algo que es claramente entre evolución y desarrollo? aplicable al campo de la genética médica. Hace más de doscientos En 1945, la University of Utah creó el Laboratory for the años, científicos como Buffon, Lamarck, Goethe y Kielmeyer refle- Study of Hereditary and Metabolic Disorders (después llamado xionaron sobre el modo en que la historia del desarrollo de cada Laboratory of Human Genetics). Aquí, un grupo excepcional de organismo estaba relacionada con la historia de la vida en la Tierra. científicos realizó estudios pioneros sobre el labio leporino y la Basándose en estas ideas, la disciplina de la biología nació en el fisura palatina, la distrofia muscular, el albinismo, la sordera, siglo xvm en Europa, disfrutó de la adolescencia como morfología la poliposis del colon hereditaria (síndrome de Gardner) y el cáncer y anatomía comparada en el siglo XIX y llegó a la etapa adulta en de mama familiar. Estos predecesores estarían enormemente el siglo xx como la genética. Sin embargo, la definición de finales orgullosos de los científicos actuales de la University of Utah, del siglo XIX de genética (herencia) como la ciencia de la variación cuyos éxitos han hecho avanzar el conocimiento en todos los as- (y sus causas) sigue siendo válida. Así, la genética humana es la pectos del campo de la genética. ciencia de la variación humana; la genética médica, la ciencia de En el intento por sintetizar la historia de la genética y sus la variación humana anormal, y la genética clínica, la rama de la aplicaciones a la variabilidad humana, la salud y la enfermedad, medicina que se ocupa del tratamiento o cuidado de los individuos el desarrollo y el cáncer, los autores de este texto han logrado y familias con una variación anormal de la estructura y función. un éxito admirable. El presente libro, conciso, bien escrito e ilus- A finales del siglo XIX y principios del xx, la unidad de la trado, editado e indexado cuidadosamente, es muy recomendable ciencia basada en la morfología fue reemplazada gradualmente para estudiantes de pregrado, recién graduados y estudiantes de por una visión pluralista de la biología que dividió el campo en Medicina y de otros grados de ciencias de la salud. Además, es numerosas disciplinas diferentes, con frecuencia enfrentadas entre también un texto maravilloso para médicos en ejercicio (médicos sí. No obstante, gracias a la aplicación de novedosos métodos de atención primaria y especialistas) que quieran una introducción biológicos moleculares al análisis del desarrollo y a la comprensión fidedigna a la base y los principios de la genética moderna aplicada de los materiales de la herencia (esto es, los genes), las diversas a la salud y el desarrollo humanos. Este texto, escrito por científicos ramas de la biología se están volviendo a unir. Esta nueva dis- y amigos respetados internacionalmente y apasionados por la ciplina, denominada «morfología molecular», puede definirse enseñanza, es un placer para la lectura por la manifestación del como el estudio de la forma, la formación, la transformación y entusiasmo y la capacidad de asombro de estos profesionales, que, la malformación de los organismos vivos. En realidad, y aunque según Aristóteles, eran el principio de todo conocimiento. puedan ignorar los métodos tradicionales de la historiografía, Einstein dijo una vez: «Lo más incomprensible del mundo es los genetistas han elaborado sus propios métodos, brillantes y que es comprensible». Cuando empecé a trabajar en el campo de gran eficacia. En consecuencia, han logrado una perspectiva de la genética médica, el gen solía considerarse incomprensible. notablemente más amplia y mejor documentada que la de los En realidad, algunos científicos, como Goldschmidt, arrojaron historiadores. Esta perspectiva de casi 4.000 millones de años une dudas sobre la misma existencia del gen, aunque el gran biólogo a los organismos vivos en una única red de vida, relacionándolos americano E. B. Wilson había predicho su naturaleza química entre sí en una descendencia ininterrumpida hasta un ancestro más de cien años antes. En este texto, los genes y su función en la común. Esto hace que las perspectivas filogénicas (esto es, las salud y la enfermedad se hacen comprensibles de una manera que relaciones genéticas de diferentes especies entre sí) y ontogénicas resultará muy atractiva para todos. (esto es, la base genética para el desarrollo de los organismos individuales) del desarrollo sean no sólo complementarias, sino John Opitz, MD inseparables. Así, ahora es posible explorar eficazmente una cues- Salt Lake City, Utah vii La genética médica es un campo que avanza con rapidez. Ningún El libro cuenta con las siguientes ayudas pedagógicas: libro puede mantenerse actualizado en cuanto a su contenido Cuadros con comentarios clínicos que tratan detalladamente durante mucho tiempo, por lo que hemos intentado hacer hincapié las enfermedades genéticas más importantes y ofrecen ejem- en los principios centrales de la genética y su aplicación clínica. En plos del manejo clínico moderno. particular, este manual integra los avances recientes en genética Breves resúmenes destacados en color dorado, en casi cada molecular y genómica con la práctica clínica. página, para ayudar al lector a comprender y asimilar concep- Esta nueva edición mantiene el formato y la presentación que tos importantes. tan buena acogida recibieron en las cuatro ediciones anteriores. Preguntas de estudio al final de cada capítulo, que ayudan al Los principios básicos de la biología molecular se introducen en lector a revisar y comprender el tema. la primera parte del libro para que puedan comentarse y aplicarse Un glosario detallado al final del libro. en los capítulos posteriores. Los capítulos sobre los trastornos Palabras clave destacadas en negrita. autosómicos y ligados al cromosoma X incluyen descripciones Bibliografía fundamental y actualizada al final de cada capítulo. actualizadas de temas como la impronta genómica, la anticipación Además, la quinta edición conserva estas importantes carac- y las expansiones de repeticiones de trinucleótidos. El capítulo terísticas: sobre citogenética subraya importantes avances en esta área, Todos los capítulos se han actualizado profundamente, con incluyendo la hibridación genómica comparada en matriz y los especial atención a los temas que cambian con rapidez, como síndromes de microdeleción descritos recientemente. Se tratan la secuenciación de DNA de alto rendimiento, el diagnóstico también de forma exhaustiva temas como la secuenciación del genético, la terapia génica, la genética del cáncer y la genética DNA del genoma completo y la identificación de genes causantes de otras enfermedades comunes. de enfermedades, que constituyen un punto de interés central Un indice alfabético exhaustivo y ampliado que incluye las citas de la genética médica moderna. Se incluyen capítulos sobre los de todas las enfermedades recogidas en el texto. campos en rápido desarrollo tales como la inmunogenética y Este libro evolucionó a partir de los cursos que impartimos a la genética del cáncer. Se habla extensamente de la genética de estudiantes de Medicina y Enfermería, y a graduados y no gradua- enfermedades adultas habituales como la cardiopatía, la diabetes, dos de genética humana. Estos estudiantes son el público primario el ictus y la hipertensión. El libro termina con capítulos sobre el de este libro, que también debe ser útil para personal médico, diagnóstico genético (enfatizando las estrategias actuales como facultativos y otros profesionales sanitarios que deseen conocer la secuenciación completa tanto del exorna como del genoma), la mejor la genética médica. terapia génica, la medicina personalizada, y la genética clínica y el asesoramiento genético. viii Muchos de nuestros colegas han dedicado generosamente su tiempo y experiencia a leer y comen- tar partes de este libro. Queremos expresar nuestro sincero agradecimiento a Diane Bonner, PhD; Arthur Brothman, PhD; Peter Byers, MD; William Carroll, MD; Karin Chen, MD; Jessica Chong, PhD; Debbie Dubler, MS; Ruth Foltz, MS; Ron Gibson, MD, PhD; Susan Hodge, PhD; Rajendra Kumar- Singh, PhD; James Kushner, MD; Claire Leonard, MD; Mark Leppert, PhD; William McMahon, MD; Dan Miller, MD, PhD; Sampath Prahalad, MD; Shige Sakonju, PhD; Gary Schoenwolf, PhD; Leslie R. Schover, PhD; Craig Smith, estudiante de medicina; Sarah South, PhD; Maxine J. Sutcliffe, PhD; Carl Thummel, PhD; Thérese Tuohy, PhD; Scott Watkins, MS; John Weis, PhD, y H. Joseph Yost, PhD. Además, varios colegas han proporcionado fotografías; su aportación se reconoce individualmen - te en los pies de las figuras. Queremos agradecer a Peeches Cedarholm, RN; Karin Dent, MS; Bridget Kramer, RN, y Ann Rutherford, BS, por su ayuda a la hora de obtener y organizar las fotogra- fías. Los cariotipos del capítulo 6 fueron proporcionados por Arthur Brothman, PhD, y Bonnie Issa, BS. Nuestros editores en Elsevier, Rae Robertson y Meghan Ziegler, nos ofrecieron su generoso apoyo y su comprensión. Por último, queremos agradecer a los miles de estudiantes con quienes hemos interactuado durante las últimas tres décadas. La docencia implica una comunicación bidireccional y es indudable que hemos aprendido tanto de nuestros estudiantes como ellos de nosotros. Lynn B. Jorde John C. Carey Michael J. Bamshad ix  1 Antecedentes e historia, 1 9 lnmunogenética, 180 2 Biología celular básica: estructura y función 1O Bases genéticas del desarrollo, 197 de los genes y los cromosomas, 6 11 Genética del cáncer, 217 3 Variación genética: su origen y detección, 28 12 Herencia multifactorial y enfermedades comunes, 239 4 Herencia autosómica dominante y recesiva, 60 13 Pruebas genéticas y terapia génica, 265 5 Modos de herencia ligados al sexo y no clásicos, 79 14 Genética y medicina de precisión, 292 6 Citogenética clínica: la base cromosómica 15 Genética clínica y asesoramiento genético, 301 de la enfermedad humana, 103 7 Genética bioquímica: trastornos del metabolismo, 132 Glosario, 321 Respuestas a las preguntas de estudio, 332 8 Identificación de genes causantes Índice alfabético, 342 de enfermedades, 154 X  Antecedentes e historia La genética desempeña un papel cada vez más importante en La prevención y el tratamiento eficaz se encuentran entre los el ejercicio de la medicina clínica. La genética médica, antaño objetivos más elevados de la medicina. En los capítulos que siguen confinada en buena parte a trastornos relativamente raros que se ofrecen numerosos ejemplos de los modos en que la genética sólo veían algunos especialistas, se está convirtiendo en un com- contribuye a la consecución de estos objetivos. Ahora bien, en ponente fundamental de nuestra comprensión de la mayoría de primer lugar, este capítulo revisa los fundamentos en los que se las enfermedades importantes. Éstas no sólo incluyen enferme- basa la práctica actual. dades pediátricas, sino también enfermedades adultas comunes, como la enfermedad coronaria, la diabetes, muchos cánceres y numerosos trastornos psiquiátricos. Puesto que los genes influyen RESUMEN HISTÓRICO en todos los componentes del cuerpo humano, la enfermedad La herencia de los rasgos físicos ha sido objeto de curiosidad e genética es relevante para todas las especialidades médicas. Los interés durante miles de años. Los antiguos hebreos y griegos, así profesionales sanitarios de hoy en día deben conocer la ciencia como los eruditos medievales posteriores, describieron muchos de la genética médica. fenómenos genéticos y propusieron teorías para explicarlos. Muchas de estas teorías eran incorrectas. Gregor Mendel (fig. 1-1), un monje austríaco al que suele considerarse el padre de la genéti- ¿OUÉ ES LA GENÉTICA MÉDICA? ca, hizo progresar este campo de manera significativa gracias a la La genética médica abarca cualquier aplicación de la genética realización de unos experimentos muy bien diseñados utilizando al ejercicio de la medicina. Así, incluye estudios de la herencia el guisante como modelo de organismo vivo. A continuación, usó de enfermedades en familias, el mapeo de genes causantes de la información experimental obtenida para formular una serie de enfermedad en ubicaciones específicas en cromosomas, el análisis principios fundamentales de la herencia. de los mecanismos moleculares a través de los cuales los genes cau- Mendel publicó los resultados de sus experimentos en 1865, san enfermedad y el diagnóstico y tratamiento de la enfermedad en una revista relativamente desconocida. Una de las ironías de la genética. Como consecuencia de los rápidos avances de la genética ciencia biológica es que sus descubrimientos, que siguen siendo el molecular, el diagnóstico basado en el DNA está disponible para fundamento de la genética, recibieron poco reconocimiento duran- varios millares de trastornos hereditarios, y la terapia génica -la te 35 años. Aproximadamente al mismo tiempo, Charles Darwin inserción de genes normales en pacientes con el fin de corregir formuló sus teorías de la evolución, y el primo de Darwin, Francis la enfermedad genética- está dando resultados prometedores Galton, llevó a cabo una extensa serie de estudios genealógicos en algunos trastornos. La genética médica también incluye el (concentrándose especialmente en los gemelos) en un intento por asesoramiento genético, en el que los pacientes y sus familias comprender la influencia de la herencia en varios rasgos humanos. reciben información acerca de riesgos, pronósticos y tratamientos. Ninguno de los científicos conocía la obra de Mendel. La genética como se conoce hoy en día es en gran parte el resultado de la investigación realizada en el siglo xx. Los principios ¿POR OUÉ ES IMPORTANTE de Mendel fueron redescubiertos independientemente en 1900 por EL CONOCIMIENTO DE LA GENÉTICA MÉDICA tres científicos diferentes que trabajaban en tres países distintos. También fue el año en que Landsteiner descubrió el sistema de los PARA EL PROFESIONAL SANITARIO ACTUAL? grupos sanguíneos ABO. En 1902, Archibald Garrod describió la Hay varias razones por las que los profesionales sanitarios deben alcaptonuria como el primer «error congénito del metabolismo». conocer la genética médica. Las enfermedades genéticas repre- En 1909, Johannsen acuñó el término gen para denominar la sentan un gran porcentaje de la carga de enfermedad total en unidad básica de la herencia. las poblaciones pediátricas y adultas (tabla 1-1). Este porcentaje Las décadas siguientes constituyeron un período de trabajo seguirá creciendo a medida que aumente nuestro conocimiento experimental y teórico considerable. Varios organismos, incluyen- de la base genética de la enfermedad. Además, la medicina moder- do a Drosophila melanogaster (la mosca de la fruta) y Neurospora na está poniendo un énfasis cada vez mayor en la prevención. crassa (moho del pan), sirvieron como sistemas de experimenta- La genética ofrece una base para comprender la composición ción en los que estudiar las acciones e interacciones de los genes. biológica fundamental del organismo, por lo que permite una Por ejemplo, H. J. Muller demostró las consecuencias genéticas de mejor comprensión del proceso patológico. En algunos casos, la radiación ionizante en la mosca del vinagre. Durante esta época, este conocimiento puede llevar a la prevención del trastorno. tres figuras principales desarrollaron gran parte de la base teórica También permite un tratamiento más eficaz de la enfermedad. de la genética poblacional: Ronald Fisher, J. B. S. Haldane y Sewall © 2016. Elsevier Espaüa, S.L.U. Reservados todos los derechos 1  CAPÍTULO 1 Antecedentes e historia TABLA 1-1 Lista parcial de algunas enfermedades genéticas importantes ENFERMEDAD PREVALENCIA APROXIMADA Anomalías cromosómicas Síndrome de Down 1/700 a 1/1.000 Síndrome de Klinefelter 1/1.000 varones Síndrome de Turner 1/2.500 a 1/10.000 mujeres Trisomía 13 1/10.000 Trisomía 18 1/6.000 Trastornos monogénicos Cáncer colorrectal hereditario no asociado a poliposis Hasta 1/200 Deficiencia de a. 1-antitripsina 1/2.500 a 1/10.000 (raza blanca) * Distrofia miotónica 1/7.000 a 1/20.000 (raza blanca) Distrofia muscular de Duchenne 1/3.500 varones Drepanocitosis 1/400 a 1/600 (raza negra) * en América; hasta 1/50 en África central Enfermedad de Huntington 1/20.000 (raza blanca) Enfermedad de Tay-Sachs 1/3.000 judíos asquenacíes Fenilcetonuria 1/10.000 a 1/15.000 (raza blanca) Fibrosis quística 1/2.000 a 1/4.000 (raza blanca) Hemocromatosis (hereditaria) 1/300 de raza blanca son homocigotos; aproximadamente 1/1.000 a 1/2.000 están afectados Hemofilia A 1/5.000 a 1/10.000 varones Hipercolesterolemia familiar 1/500 Neurofibromatosis de tipo 1 1/3.000 a 1/5.000 Osteogénesis imperfecta 1/5.000 a 1/10.000 Poliposis cólica adenomatosa 1/6.000 Poliquistosis renal adulta 1/1.000 Retinoblastoma 1/20.000 Síndrome de Marfan 1/10.000 a 1/20.000 Síndrome del cromosoma X frágil 1/4.000 varones; 1/8.000 mujeres Talasemia 1/50 a 1/100 (poblaciones del sur de Asia y del perimediterráneo) Trastornos multifactoriales Malformaciones congénitas Defectos cardíacos congénitos 1/200 a 1/500 Defectos del tubo neural (espina bífida, anencefalia) 1/200 a 1/1. 000 Estenosis pilórica 1/300 Labio leporino con o sin fisura palatina 1/500 a 1/1. 000 Pie zambo (talipes equinovarus) 1/1.000 Enfermedades adultas Alcoholismo 1/10a1/20 Cáncer (todos los tipos) 1/3 Diabetes (tipos 1 y 2) 1/10 Enfermedad coronaria o ictus 1/3 a 1/5 Enfermedad de Alzheimer 1/10 (americanos de más de 65 años) Esquizofrenia 1/100 Trastorno afectivo bipolar 1/100 a 1/200 Enfermedades mitocondriales Epilepsia mioclónica y fibras rojas desestructuradas (MERRF) Raro Episodios de pseudoictus, encefalomiopatía mitocondrial Raro y acidosis láctica (MELAS) Neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL) Raro Síndrome de Kaerns-Sayre Raro *El término «raza blanca» se refiere a los individuos de origen predominantemente europeo. El término «raza negra» se refiere a los individuos de origen predominantemente en el África subsahariana. Estos términos se utilizan por conveniencia; algunos de los problemas que supone la descripción exacta de las poblaciones humanas se comentan en el ca pítul o 14.  CAPÍTULO 1 Antecedentes e historia genéticos. Estos trastornos se clasifican en varios grupos principales: Trastornos cromosómicos, en los que cromosomas enteros (o grandes segmentos de éstos) están ausentes, duplicados o muestran alguna otra alteración. Estos trastornos incluyen enfermedades como el síndrome de Down y el síndrome de Turner. Trastornos en los que hay un único gen alterado; con frecuencia se los denomina trastornos mendelianos o trastornos mono- génicos. Ejemplos muy conocidos son la fibrosis quística, la drepanocitosis y la hemofilia. Trastornos multifactoriales, que tienen su origen en una combinación de múltiples causas genéticas y ambientales. Muchas anomalías congénitas, como el labio leporino y la fisura palatina, así como muchos trastornos adultos, incluyendo la enfermedad coronaria y la diabetes, pertenecen a esta categoría. FIG 1-1 Gregor Johann Mendel. (De Raven PH, Johnson GB. Trastornos mitocondriales, un número relativamente peque- Biology, 3.8 ed. San Luis: Mosby; 1992.) ño de enfermedades causadas por alteraciones del pequeño cromosoma mitocondrial. Wright. Además, se determinaron los modos de herencia de varias En la tabla 1-1 se presentan algunos ejemplos de cada uno de enfermedades genéticas importantes, como la fenilcetonuria, la estos tipos de enfermedades. drepanocitosis, la enfermedad de Huntington y la fibrosis quística. De estas clases principales de enfermedades, los trastornos En 1944, Oswald Avery reveló que los genes están compuestos de monogénicos son los que probablemente han recibido más aten- ácido desoxirribonucleico (DNA). ción. Estos trastornos se clasifican en función del modo en que Probablemente el descubrimiento más significativo de la déca- se heredan en las familias: autosómico dominante, autosómico da de 1950 fue la especificación de la estructura física del DNA recesivo o ligado al cromosoma X. Estos modos de herencia se por Watson y Francis Crick en 1953. Su artículo inicial, que sólo describen extensamente en los capítulos 4 y 5. La primera edición tenía una página de longitud, constituyó la base de lo que ahora del Mendelian Inheritance in Man de McKusick, publicado en se conoce como genética molecular (el estudio de la estructura 1966, sólo enumeraba 1.368 rasgos autosómicos y 119 rasgos y la función de los genes en el nivel molecular). Otro avance sig- ligados al cromosoma X. Hoy en día, la versión en línea del com- nificativo de esa década fue la especificación correcta del número pendio de McKusick contiene casi 23.000 genes y rasgos, de los de cromosomas humanos. Desde principios de la década de 1920 cuales casi 21.000 son autosómicos, más de 1.200 son ligados al se había creído que los humanos tenían 48 cromosomas en cada cromosoma X, 59 ligados al cromosoma Y y 65 se localizan en célula. El número correcto, 46, no se determinó hasta 1956. La el cromosoma mitocondrial. Se han identificado las variantes del capacidad de contar e identificar cromosomas provocó una oleada DNA responsables de más de 4.000 de estos rasgos, la mayoría de de nuevos hallazgos en citogenética, incluyendo el descubrimiento los cuales constituyen enfermedades heredadas. Con los avances en 1959 de que el síndrome de Down está causado por una copia continuos, de buen seguro estas cifras crecerán. adicional del cromosoma 21. Aunque algunos trastornos genéticos, sobre todo los tras- Los avances tecnológicos sucedidos desde 1960 han producido tornos monogénicos, están muy determinados por los genes, avances significativos a una velocidad cada vez mayor. Los más muchos otros son el resultado de múltiples factores genéticos espectaculares han tenido lugar en el campo de la genética mole- y no genéticos. Por tanto, puede pensarse que las enfermedades cular. Se han mapeado miles de genes en ubicaciones cromosó- genéticas se sitúan en un continuum (fig. 1-2), en el que trastornos micas específicas. El Proyecto del Genoma Humano, un proyecto como la fibrosis quística y la distrofia muscular de Duchenne se colaborativo iniciado en 1990, aportó una secuencia casi completa encuentran en un extremo (muy determinados por los genes), del genoma humano en el año 2003 (el término genoma se refiere mientras que trastornos como el sarampión se encuentran en el a la totalidad del DNA de un organismo). Los avances importantes otro (muy determinados por el entorno). Muchos de los trastornos de la tecnología informática han ayudado a descifrar el aluvión de más prevalentes, incluyendo numerosas anomalías congénitas y datos generados por este proyecto y otros relacionados. Además muchas enfermedades habituales como la diabetes, la hipertensión, del mapeo génico, los genetistas han localizado los defectos mole- la enfermedad coronaria y el cáncer, están situados en algún punto culares responsables de varios millares de enfermedades genéticas central del continuum. Estas enfermedades son los productos de importantes. Esta investigación ha contribuido en gran medida a diversos grados de influencias genéticas y ambientales. nuestro conocimiento de los modos en que los defectos génicos pueden causar enfermedad, abriendo vías a un tratamiento eficaz IMPACTO CLÍNICO DE LA ENFERMEDAD y a posibles terapias. GENÉTICA Las enfermedades genéticas a veces se perciben como algo tan raro TIPOS DE ENFERMEDADES GENÉTICAS que el profesional sanitario medio sólo las encontrará en contadas Se calcula que los humanos tenemos aproximadamente entre ocasiones. A medida que avanzan el conocimiento y la tecnolo- 20.000 y 25.000 genes. Las alteraciones en cualquiera de estos gía, se hace más evidente que esto está lejos de ser cierto. Hace genes, o en combinaciones de ellos, pueden producir trastornos menos de un siglo, las enfermedades de causa mayormente no  CAPÍTULO 1 Antecedentes e historia Gripe Diabetes Fibrosis quística Sarampión Enfermedad ca rdíaca Hemofilia A Enfermedad infecciosa Ambientales Genéticas FIG 1-2 Continuum de las causas de enfermedad. Algunas enfermedades (p. ej., la fibrosis quís- tica) están muy determinadas por los genes, mientras que otras (p. ej., las enfermedades infec- ciosas) están muy determinadas por el ambiente. TABLA 1-2 Porcentajes de muertes en edad infantil en los hospitales de Reino Unido atribuibles a causas no genéticas y genéticas CAUSA LONDRES 1914 LONDRES 1954 NEWCASTLE 1966 EDIMBURGO 1976 No genéticas* Todas las causas 83,5 62,5 58,0 50,0 Genéticas Monogénicas 2,0 12,0 8,5 8,9 Cromosómicas 2,5 2,9 Multifactoriales 14,5 25,5 31,0 38,2 Datos procedentes de Rimoin DL, Connor JM, Pyeritz RE, Korf BR. Emery and Rimoin's Principies and Practice of Medica/ Genetics. Londres: Churchill Livingstone; 2007. *Infecciones, por ejemplo. genética (esto es, las causadas por la desnutrición, las condiciones TABLA 1-3 Prevalencia aproximada insalubres y los patógenos) representaban la gran mayoría de las de la enfermedad genética en la población muertes en la población infantil. No obstante, durante el siglo xx general la salud pública mejoró considerablemente. En consecuencia, las enfermedades genéticas han pasado a representar un porcentaje PREVALENCIA DURANTE creciente de las muertes en niños en los países desarrollados. Por TIPO DE ENFERMEDAD TODA LA VIDA POR ejemplo, el porcentaje de muertes pediátricas con causa genética GENÉTICA CADA 1.000 PERSONAS en diversos hospitales de Reino Unido aumentó del 16,5% en 1914 Autosómica dominante 3-9,5 hasta el 50% en 1976 (tabla 1-2). Autosómica recesiva 2-2,5 Además de contribuir a una gran proporción de las muertes Ligada al cromosoma X 0,5-2 Trastorno cromosómico 6-9 en edad infantil, las enfermedades genéticas representan un gran Ma lformación congénita * 20-50 porcentaje de los ingresos en hospitales pediátricos. Por ejemplo, Tot al 31,5-73 un estudio de hospitales de Seattle reveló que el 27% de todos los pacientes pediátricos ingresados presentaban un trastorno *Congénito significa «presente en el nacimiento». Se cree que la genético y un estudio de los ingresos en un importante hospital mayoría de las malformaciones congénitas son multifactoriales y, por tanto, probablemente tienen componentes tanto genéticos como pediátrico de México puso de manifiesto que el 37,8% estaban rela- ambientales. cionados con una enfermedad genética o «parcialmente genética». Se calcula que sólo las enfermedades mendelianas represen- tan "'20% de la mortalidad infantil Y"'10% de las hospitalizaciones pediátricas. prevalencia de estas enfermedades genéticas serían más elevadas Otra manera de evaluar la importancia de las enfermedades en una población anciana. Las variaciones en las prácticas diag- genéticas es preguntarnos: ¿qué porcentaje de las personas de nósticas y de registro también pueden provocar variaciones en la población general presentan un trastorno genético? Diversos las estimaciones de la prevalencia. En consecuencia, las cifras factores pueden influir en la respuesta a esta pregunta. Por ejem- de prevalencia que se presentan en la tabla 1-3 se muestran en plo, algunas enfermedades están presentes con mayor frecuencia forma de intervalos bastante amplios. Teniendo en cuenta estos en ciertos grupos étnicos. La fibrosis quística es especialmente motivos de variación, resulta notable que una enfermedad genética frecuente en los individuos de origen europeo, mientras que la reconocible se diagnostique en al menos el 3-7% de la población drepanocitosis es habitual sobre todo en quienes tienen ascen- en algún momento. Esta tabulación no incluye la mayoría de dencia africana. Algunas enfermedades son más frecuentes en los los casos de las enfermedades adultas más frecuentes, como la ancianos. Por ejemplo, el cáncer de colon, el cáncer de mama y la enfermedad coronaria, la diabetes y el cáncer, aunque se sabe que enfermedad de Alzheimer están causados por genes dominantes estas enfermedades también tienen componentes genéticos. Si en una pequeña fracción (5-10%) de los casos, pero no suelen se incluyen estas patologías, el impacto clínico de la enfermedad manifestarse hasta etapas tardías de la vida. Las estimaciones de la genética es más que considerable.  CAPÍTULO 1 Antecedentes e historia BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Baird PA, Anderson TW, Newcombe HB, Lowry RB. Genetic Watson JD, Crick FHC. Molecular structure of nucleic acids: disorders in children and young adults: a population study. a structure for deoxyribose nucleic acid. Nature. 1953;171: Am J Hum Genet. 1988;42:677-693. 737. Bell CJ, Dinwiddie DL, Miller NA, et al. Carrier testing for severe childhood recessive diseases by next-generation sequencing. Recursos en Internet Sci Transl Med. 2011;3(65):65ra4. Dolan DNA Learning Center, Cold Spring Harbor Laboratory Dunn LC. A Short History of Genetics. New York: McGraw-Hill; (un útil recurso en línea para aprender y revisar principios 1965. básicos): http:/ /www.dnalc.org/ McKusick VA. 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The Metabolic and Molecular http:/ /www.ncbi.nlm.nih.gov/Omim/ Bases of Inherited Disease. 8th ed. New York: McGraw-Hill; 2001. University of Kansas Medical Center Genetics Education Seashore MS, Wappner RS. Genetics in Primary Care and Clinical Center (un gran número de enlaces a útiles sitios educativos Medicine. Stamford, CT: Appleton & Lange; 1996. sobre genética): http://www.kumc.edu/gec/ Biología celular básica: estructura y función de los genes y los cromosomas Todas las enfermedades genéticas implican defectos en el nivel de la madre. En las mujeres normales hay dos cromosomas X, celular. Por esta razón, para comprender la enfermedad genética heredados uno de cada progenitor. Los otros 22 pares de cromo- es necesario comprender asimismo la biología celular básica. Los somas son autosomas. Se dice que los miembros de cada par de errores pueden producirse en la replicación del material genético autosomas son homólogos porque su DNA es muy similar. Los o en la traducción de los genes en proteínas. Con frecuencia estos cromosomas X e Y no son homólogos entre sí. errores provocan trastornos monogénicos. Además, los errores que Las células somáticas, que tienen dos cromosomas cada una, tienen lugar durante la división celular pueden provocar errores son células diploides. Los gametos humanos tienen el número que afectan a cromosomas enteros. Con el fin de proporcionar la haploide de cromosomas, 23. El número diploide de cromo- base para entender estos errores y sus consecuencias, el presente somas se mantiene en las generaciones sucesivas de células capítulo se centra en los procesos mediante los cuales los genes somáticas mediante el proceso de la mitosis, mientras que el se replican y traducen en proteínas, así como en el proceso de la número haploide se obtiene con el proceso de la meiosis. Ambos división celular. procesos se describen en detalle en un punto posterior de este En el siglo x1x, los estudios microscópicos de células llevaron capítulo. a los científicos a sospechar que el núcleo de la célula (fig. 2- 1) ► contenía la base de los mecanismos de la herencia. Hallaron que la Las células somáticas son diploides, ya que tienen cromatina, la sustancia que confiere al núcleo un aspecto granu- 23 pares de cromosomas (22 pares de autosomas loso, es observable en los núcleos de las células que no se dividen. y un par de cromosomas sexuales). Los gametos Inmediatamente antes de que una célula sufra una división, la son haploides y tienen un total de 23 cromosomas. cromatina se condensa para formar estructuras en forma de hebras visibles al microscopio denomínadas cromosomas (de los térmi- nos griegos para «cuerpos coloreados»). Con el redescubrimiento DNA, RNA Y PROTEÍNAS: de los experimentos de reproducción de Mendel a principios del HERENCIA EN EL NIVEL MOLECULAR siglo xx, pronto se hizo evidente que los cromosomas contienen genes. Los genes se transmiten de padres a hijos y se consideran DNA la unidad básica de la herencia. A través de la transmisión de Composición y estructura del DNA genes se heredan en las familias los rasgos físicos, como el color La molécula del DNA tiene tres componentes básicos: un azúcar de los ojos. Las enfermedades también pueden transmitirse por tipo pentosa, la desoxirribosa; un grupo fosfato, y cuatro tipos de herencia genética. bases nitrogenadas ( denominadas así porque pueden combinarse Físicamente, los genes están compuestos de ácido desoxirribo- con iones de hidrógeno en soluciones ácidas). Dos de las bases, la nucleico (DNA). El DNA aporta la información genética de todas citosina y la timina, poseen una estructura básica en anillo senci- las proteínas del cuerpo. Así, en última instancia, los genes influyen llo formado por un esqueleto nitrógeno-carbono y se denominan en todos los aspectos de la estructura y la función del cuerpo. pirimidinas. Las otras dos bases, la adenina y la guanina, están Se calcula que los humanos tienen entre 20.000 y 25.000 genes formadas por anillos dobles de carbono y nitrógeno y se denomi- (secuencias de DNA que codifican el ácido ribonucleico [RNA] o nan purinas (fig. 2-2). Las cuatro bases suelen representarse por proteínas). Un error (o mutación) en uno de estos genes provoca sus primeras letras: C, T, A y G. con frecuencia una enfermedad genética reconocible. Una de las contribuciones de Watson y Crick a mediados del siglo xx fue demostrar el modo en que estos tres componentes ► Los genes, la unidad básica de la herencia , se se ensamblan físicamente para formar el DNA. Propusieron el encuentran en los cromosomas y están compues- ahora famoso modelo de la doble hélice, en el cual el DNA puede tos de DNA. verse como una escalera helicoidal con uniones químicas en los peldaños (fig. 2-3). Los dos lados de la escalera están integrados Cada célula somática humana (las células que no son gametos, por los componentes de azúcar y fosfato, unidos por enlaces fos- es decir, espermatozoides u óvulos) contiene 23 pares de cromo- fodiéster sólidos. Proyectándose a ambos lados de la escalera, a somas diferentes, con un total de 46. Un miembro de cada par intervalos regulares, están las bases nitrogenadas. La base que se deriva del padre del individuo y el otro deriva de la madre. Uno proyecta desde un lado está unida a la que se proyecta desde el de los pares de cromosomas está formado por los cromosomas otro por enlaces de hidrógeno relativamente débiles (puentes de sexuales. En los varones normales, los cromosomas sexuales son hidrógeno). Por tanto, las bases nitrogenadas emparejadas forman un cromosoma Y heredado del padre y un cromosoma X heredado los peldaños de la escalera. 6 © 2016. Elsevier Espaüa, S.L.U. Reservados todos los derechos  CAPÍTULO 2 Biología celular básica: estructura y función de los genes y los cromosomas Cromosomas Nucléolo Membrana Retículo Centríolos Membrana Núcleo endoplásmico plasmática liso Retículo endoplásmico rugoso Lisosoma Unión celular Unión celular (unión comunicante) (desmosoma) Ribosoma libre Ribosoma Microtúbulo Vesícula Microvellosidades FIG 2-1 Anatomía de la célula. (De McCance KL, Huether SE. Pathophysiology: The Biologic Basis far Disease in Adu!ts and Children. 7.8 ed. St. Louis: Elsevier Mosby; 2014.) La figura 2-2 ilustra los enlaces químicos entre las bases y 3' c=========:::::::::::11___ 5' muestra que los extremos de la escalera terminan en 3' o 5'. Esta H H 1 1 nomenclatura deriva del orden en el que están numerados los T.,mma. e.,,,cH e H cinco átomos de carbono que componen la desoxirribosa. Cada N~ p N,,, ' e,,, Citosina subunidad de DNA, que consiste en una desoxirribosa, un grupo 1-. :1 1 1 ;c,N,,,c'o o;C,N;C,N-H fosfato y una base, se denomina nucleótido. O I ll 1 1 Las diferentes secuencias de bases de nucleótidos (p. ej., H H H H H ACCAAGTGC) especifican diferentes proteinas. La especificación 1 1 1 í- Enlace de H N N ;N, ;N, ,.O hidrógeno de las numerosas proteínas del cuerpo debe requerir una gran 'c.,, 'c.,, 'H H' 'C' 'cr cantidad de información genética. En realidad, cada célula humana Adenlna 11 1 11 1 Guanina N, ;C, N, ; C, haploide contiene aproximadamente 3.000 millones de pares de e N e N nucleótidos, información más que suficiente para especificar la 1 '! 1 1 composición de todas las proteínas humanas. N--._ C /N-.._ 5' ¿ '-H C,H 3' ► 00 "'e Los componentes más importantes del DNA son O las cuatro bases de nucleótidos: adenina, timina, :i citosina y guanina. El DNA tiene la estructura de ~ Columna de azúcar-fosfato ~ una doble hélice. FIG 2-2 Estructura química de las cuatro bases, que muestra -~ los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases. Entre los ~ Plegamiento y superhelicidad del DNA pares citosina-guanina se forman tres enlaces de hidrógeno y -~ v Normalmente, las ilustraciones de los manuales describen el entre los pares adenina-timina se forman dos enlaces. B o DNA como una molécula en doble hélice que continúa en una "" linea larga y recta. No obstante, si el DNA de una célula realmen- te estuviera extendido de esta manera, tendría unos 2 metros de longitud. Para plegar todo este DNA en el diminuto núcleo  CAPÍTULO 2 Biología celular básica: estructura y función de los genes y los cromosomas 5' 3' de bases adicionales forman un elemento separador antes del siguiente complejo de nucleosoma. Los nucleosomas forman a su vez un solenoide helicoidal; cada vuelta del solenoide incluye unos seis nucleosomas. Los solenoides se organizan en asas de cromatina, que están fijados a un esqueleto proteico. Cada una T Columna de a zúcar-fosfato de estas asas contiene aproximadamente 100.000 pares deba- ses (pb) o 100 kilobases (kb) de DNA. El resultado final de esta torsión y replegamiento es que el DNA, en su máxima fase de condensación, tiene una longitud de apenas 1/10.000 de la que tendría si se extendiera por completo. ► El DNA es una estructura altamente superenro- llada. Esta torsión se produce en varios niveles: el nucleosoma, el solenoide y las asas de 100 kb. Bases Replicación del DNA Cuando las células se dividen para hacer copias de sí mismas, es necesario crear copias idénticas del DNA e incorporarlas a las nuevas células. Esto es esencial si el DNA debe servir de material 1 genético fundamental. La replicación del DNA empieza cuando se rompen los enlaces débiles de puente de hidrógeno entre las bases, produciendo hebras únicas de DNA con bases no emparejadas. El emparejamiento invariable de la adenina con la timina y de la guanina con la citosina, denominado emparejamiento o aparea- miento de bases complementarias, constituye la clave de una replicación exacta. El principio del emparejamiento de bases com - plementarias determina que la base no emparejada sólo atraerá a un nucleótido libre si ese nucleótido tiene la base complementaria adecuada. Por ejemplo, una porción de una hebra simple con la secuencia de bases ATTGCT se unirá a una serie de nucleótidos libres con las bases TAACGA. Se dice que la hebra simple actúa como plantilla o molde sobre la que se construye la hebra com- plementaria. Cuando la replicación está completa, se forma una nueva molécula bicatenaria idéntica a la original (fig. 2-5). Varias enzimas diferentes intervienen en la replicación del DNA. Una enzima desenrolla la doble hélice y otra mantiene sepa- radas las hebras. Una enzima más, la DNA polimerasa, recorre la hebra simple de DNA, añadiendo nucleótidos libres hasta el extre- mo 3' de la nueva hebra. Los nucleótidos sólo pueden añadirse hasta el extremo 3' de la hebra, por lo que la replicación siempre va desde el extremo 5' hasta el 3'. Cuando se alude a la orientación de las secuencias en un gen, la dirección 5' se denomina secuencia hacia arriba, y la dirección 3; secuencia hacia abajo. 3' 5' Además de añadir nuevos nucleótidos, la DNA polimerasa realiza una parte de un proceso de revisión en el que se com- prueba que los nucleótidos recientemente añadidos son realmente Adenina complementarios a la base de la plantilla. En caso contrario, el ~ Timina nucleótido se extrae y reemplaza por una base del nucleótido Guanina complementario correcto. Este proceso aumenta sustancialmen- te la exactitud de la replicación del DNA. Cuando un error de Citosina replicación del DNA no se repara correctamente, se produce una FIG 2-3 Doble hélice del DNA, con eje de azúcar-fosfato y mutación. Como se verá en el capítulo 3, muchas de estas muta- bases nitrogenadas. ciones causan enfermedades genéticas. ► La replicación del DNA depende fundamental- de una célula, se enrolla a diferentes niveles. En primer lugar, el mente del principio del emparejamiento de bases DNA se envuelve alrededor de una partícula núcleo formada por complementarias (A conT; C con G). Esto permite proteínas histonas para formar el nucleosoma (fig. 2-4). Apro- a una hebra simple de la molécula bicatenaria del ximadamente entre 140 y 150 pares de bases de DNA envuelven DNA formar una plantilla para la síntesis de una cada núcleo (octámero) de histonas, y luego entre 20 y 60 pares nueva hebra complementaria. CAPÍTULO 2 Biología celular básica: estructura y función de los genes y los cromosomas Doble hélice del DNA 200 pb de DNA El asa de cromatina contiene aproximadamente 100.000 pb deDNA Cromátida FIG 2-4 Patrones de torsión del DNA. El DNA se enrolla en torno a histonas para formar nucleo- somas. Éstas se organizan en solenoides, que a su vez componen las asas de cromatina. La velocidad de la replicación del DNA en humanos, de unos para un cromosoma de este tamaño, una única ronda de replica- 40 o 50 nucleótidos por segundo, es relativamente lenta. En las ción llevaría casi 2 meses. Sin embargo, la replicación se inicia en bacterias, la velocidad es mucho mayor, alcanzando de 500 a muchos puntos distintos del cromosoma, denominados orígenes 1.000 nucleótidos por segundo. Considerando que algunos cro- de la replicación. Las múltiples separaciones de las hebras de DNA mosomas humanos tienen hasta 250 millones de nucleótidos, la resultantes se llaman burbujas de replicación (fig. 2-6). Al tener replicación requeriría una cantidad de tiempo extraordinaria si lugar simultáneamente en muchos sitios distintos del cromosoma, se produjera linealmente de un extremo del cromosoma al otro: el proceso de replicación puede avanzar mucho más rápido. CAPÍTULO 2 Biología celular básica: estructura y función de los genes y los cromosomas 5, / Nuevas hebras de DNA en formación DNA Nucleótidos de DNA 5' FIG 2-5 Replicación del DNA. Los enlaces de hidrógeno entre las dos hebras originales se rompen, permitiendo que las bases de cada hebra experimenten emparejamiento de bases complementarias con bases libres. Este proceso, que avanza en dirección de 5' a 3' en cada hebra, forma dos nuevas hebras dobles de DNA. Orígenes de la Hélice de D N l ~ A - - - - - - - - - : / / replicación ""-. progenitor~ Horquilla de replicación ◊ Burbuja de replicación 2 ◊~ 200 repeticiones 200 a 1.000 o más repeticiones de CGG (una mutación plena). Un número intermedio de repeticiones, que oscila entre 50 y V 200 copias aproximadamente, está presente en los varones trans- 40% 16% 50% 20% misores normales y en sus hijas, y se denomina premutación. FIG 5-22 Genealogía donde se muestra la herencia del sín- Cuando estas hijas transmiten el gen a sus vástagos, a veces se pro- drome del cromosoma X frágil. Las mujeres portadoras de una duce una expansión de la premutación de 50-200 repeticiones a la premutación (de 50 a 200 repeticiones de CGG) se indican con mutación plena de más de 200 repeticiones. Estas expansiones no símbolos punteados. Los individuos afectados se representan tienen lugar en la transmisión masculina. Además, las premutacio- con símbolos sombreados. Un varón transmisor normal, que nes tienden a aumentar de longitud en las generaciones sucesivas es portador de una premutación de entre 70 y 90 unidades y las premutaciones más grandes tienen más probabilidades de repetidas, se indica con NTM. Obsérvese que el número de expandirse hasta una mutación plena. Estos hallazgos explican la repeticiones aumenta cada vez que la mutación se transmite paradoja de Sherman. Los varones con la premutación no tienen a través de una mujer. Además, sólo están afectadas el 5% hijas con síndrome del cromosoma X frágil porque la expansión de las hermanas de NTM y sólo el 9% de sus hermanos, pero de la mutación completa sólo se produce en la transmisión feme- están afectados el 40% de sus nietos y el 16% de sus nietas. nina. Los nietos y bisnietos de los varones transmisores tienen Es lo que se denomina la paradoja de Sherman.  CAPÍTULO 5 Modos de herencia ligados al sexo y no clásicos más probabilidades de estar afectados por el trastorno que los muy metilada en las personas con la mutación plena, al igual que hermanos de los varones transmisores debido a la expansión una serie de secuencias 5' CG del gen. El grado de metilación, progresiva de la repetición a lo largo de las generaciones sucesivas que probablemente influya en la transcripción de FMRl, está corre- de portadoras de la permutación. lacionado con la gravedad de la expresión del trastorno. Un peque- La medición del mRNA transcrito a partir del FMRl ha revela- ño porcentaje de las personas con síndrome del cromosoma X do que los grados de expresión del mRNA más elevados se encuen- frágil ( '1-1 '.-...... enfermedad, en los individuos con la enfermedad hay que hallar....... mutaciones que están ausentes en los individuos no afectados. A ~l,._., fin de ayudar a distinguir las mutaciones causantes de enfermedad -, :.:'!-. t,~.~-. ~:· de los polimorfismos que varían de manera natural entre los indi- ' ·'-:~;;_·-+, '"~·~~-:~~ ,· viduos, es especialmente útil comparar el DNA de los pacientes cuya enfermedad se debe a una mutación nueva con el DNA de sus progenitores no afectados. Mientras que un polimorfismo inocuo o': ' ' e ~. ~. l..:''. ~ ~ ·; ~.. : ·. ' - -·~~ --!r":,..., ~..... ~,~.-... ·~ :~\~' ,,: ~ 11~~~~ ~,:, " ,_. ;. estará presente tanto en el hijo afectado como en los progenitores. ~;,. (·.... -~,. no afectados, una mutación responsable de la enfermedad en el hijo.~;:~.. )1', ·: _...- \ ~ ,.. t..~..,_..:.. estará ausente en los progenitores. Este método resulta especial- mente útil para identificar mutaciones en genes de enfermedades autosómicas dominantes de alta penetrancia como el NFl.. ,·. FIG 8-14 Ejemplo de la técnica Northern, que muestra la.,--:~ ). ,;.~,.' · : ' ,.. j :. ·... -, Otro tipo de mutación que puede analizarse es la deleción sub- hibridación de una sonda de cDNA del gen EV/2A (un gen microscópica (esto es, una deleción demasiado pequeña para ser incrustado dentro de un intrón del gen NF1) con mRNA de la visible al microscopio). Las deleciones pequeñas pueden detectarse glándula suprarrenal, el cerebro y los fibroblastos. El resultado mediante CGH en matriz o con secuenciación de alto rendimiento indica que EV/2A se expresa en el cerebro en un grado muy (v. cap. 3). En este último método, una deleción se detecta cuando superior al de los otros dos tejidos. (Por cortesía del Dr. Richard el número de «lecturas» en una región está muy disminuido. Cawthon, University of Utah Health Sciences Center.)  CAPÍTULO 8 Identificación de genes causantes de enfermedades análisis de segmentos de DNA obtenidos a partir de genotecas de cDNA tisulares específicas). Por ejemplo, cabría esperar que Células mRNA el gen de la fenilalanina hidroxilasa ( cuyas mutaciones pueden purificado causar fenilcetonuria [PKU]) se expresara en el hígado, donde se sabe que se sintetiza esta enzima. En la actualidad, la mayoría de las pruebas de expresión génica implica el uso de micromatrices (v. cap. 3) o de secuenciación de La transcriptasa mRNA inversa convierte RNA de alto rendimiento. En ambos procedimientos, el mRNA de un tejido de interés se convierte primero en cDNA (v. cuadro 8-3). el mRNAen DNA ~ DNA bicatenario Se han fabricado micromatrices que contienen miles de secuencias bicatenario ~ de oligonucleótidos (sondas) que representan genes de interés y pueden exponerse a cDNA marcado con fluorescencia obtenido de tejidos relevantes para determinar los tejidos en los que se La secuenciación expresan genes específicos. Si el cDNA marcado del tejido corres- ATCACAGTGGGACTCCATAAATTTTTTTCT de DNA de alto CGAAGGACCAGCAGAAACGAGAGAAAAAAA ponde a un gen representado en la micromatriz, la secuencia de GGACAGAGTCCCCAGCGGGCTGAAGAGGGG rendimiento ATGAAACATTAAAGTCAAACAATATATGAA produce múltiples cDNA y la secuencia de la sonda realizarán un apareamiento lecturas de de bases complementarias, y se observará una señal fluorescente secuencia corta (v. cap. 3). La cantidad de expresión de un gen determinado en un tejido se compara con el nivel de expresión en una muestra de Lecturas exónicas control conocida, obteniéndose un nivel de expresión relativo. Una limitación del análisis de expresión génica con micromatrices es que sólo se pueden evaluar los transcritos que corresponden a las sondas de la micromatriz. Los transcritos nuevos o previamente desconocidos se pasan por alto. Perfil de expresión de baja resolución La secuenciación de RNA de alto rendimiento (o RNA-seq, fig. 8- 15) proporciona una estimación más cuantitativa de la expresión génica mediante secuenciación de segmentos de cDNA, emparejándolos con una secuencia de DNA de referencia y con- tando el número de veces que se lee cada segmento. Los genes que son altamente expresados en un tejido (es decir, genes que producen un gran número de transcritos de mRNA) producirán un número mayor de lecturas de la secuencia. Un gen que es Posición de nucleótidos altamente expresado en un tejido apropiado se convierte en un FIG 8-15 Análisis de expresión usando la secuenciación de buen candidato para asignarle la causalidad de la enfermedad RNA (RNA-seq). El mRNA se purifica a partir de células de un (p. ej., el gen que codifica la fenilalanina hidroxilasa tendría un tipo específico y, o bien se analiza directamente o bien se realiza alto nivel de expresión en el tejido hepático). su transcripción inversa a DNA complementario (cDNA), como Otro estudio de expresión génica consiste en insertar la versión se muestra en la figura. La tecnología de secuenciación de alto rendimiento {v. cap. 3, fig. 3-27) se utiliza para generar lecturas normal de la secuencia de DNA en una célula defectiva de una de secuencia de unos 100 pb de longitud, correspondiente a persona (o modelo animal) afectada mediante técnicas de DNA los exones en el mRNA maduro. El número de lecturas para un recombinante. Si la secuencia normal corrige el defecto, es muy exón específico indica el nivel de expresión del mRNA, como probable que represente el gen de interés. Este método se ha se muestra en el gráfico de la parte inferior de la figura. utilizado, por ejemplo, para demostrar que las mutaciones del gen CFTR pueden causar fibrosis quística. lo convierte en un candidato probable para la enfermedad en ► Para determinar si un gen contribuye a la causa cuestión. Por ejemplo, los diversos genes del colágeno se consi- de una enfermedad, una prueba fundamental es deraban candidatos lógicos para el síndrome de Marfan porque cribar el gen para detectar mutaciones que están el colágeno es un componente importante del tejido conjuntivo. presentes en las personas afectadas y ausentes en Sin embargo, el análisis de ligamiento realizado con marcadores los controles no afectados. Otra prueba de que un del gen del colágeno en las familias con síndrome de Marfan gen ayuda a causar una enfermedad concreta con - arrojó invariablemente resultados negativos. Otro gen candidato siste en demostrar que el mRNA correspondiente se postuló cuando se identificó el gen que codifica la fibrilina 1 a ese gen se expresa en los tejidos asociados a (FBNl) en el cromosoma 15. La fibrilina, como se comenta en el la enfermedad o afectados por ésta. Los niveles capítulo 4, también es un componente del tejido conjuntivo. El de expresión génica pueden evaluarse mediante análisis de ligamiento había localizado el gen del síndrome de micromatrices o por secuenciación del RNA. Marfan en el cromosoma 15, por lo que FBNl se convirtió en un candidato aún más probable. El análisis de las mutaciones de Genes candidatos FBNl reveló que estaban invariablemente asociadas al síndrome El proceso de búsqueda de genes puede acelerarse de manera de Marfan, lo que confirmó que estas mutaciones eran una causa considerable si se dispone de un gen candidato. Como indica su de la enfermedad. Esta combinación de análisis de ligamiento para nombre, se trata de un gen cuyo producto proteínico conocido identificar la región que contiene un gen seguida de una búsqueda  CAPÍTULO 8 Identificación de genes causantes de enfermedades de genes candidatos plausibles en dicha región se denomina a el SNP puede estar situado en un gen o elemento regulador que veces método del candidato posicional. contribuye a la susceptibilidad a la enfermedad o muy cerca de éste. El propio SNP podría causar enfermedad o estar en desequilibrio ► Los genes candidatos son aquellos cuyas caracte- de ligamiento con una variante cercana que causa la enfermedad. rísticas {p. ej. , producto proteico) indican que pue- Cuando se tipan un millón de SNP, cada SNP está ubicado, de den ser responsables de una enfermedad génica. media, a sólo 3 kb del siguiente, por cuya razón es muy probable que El análisis de los genes candidatos en una región el SNP esté situado cerca de una variante causante de enfermedad. que se sabe que contiene el gen causante de la Los GWAS han sido especialmente útiles para identificar enfermedad se denomina método del candidato variantes que contribuyen a enfermedades comunes como la posicional. diabetes, los cánceres y las cardiopatías (v. cap. 12). Dado que estas enfermedades suelen deberse a múltiples loci causantes de enfermedad, así como a factores no genéticos, a menudo el análisis MAPEO GÉNICO POR ASOCIACIÓN: de ligamiento ha sido ineficaz para detectar los loci causales. Los ESTUDIOS DE ASOCIACIÓN GENÓMICA GWAS tienen la ventaja de que no se realizan suposiciones sobre la biología de la enfermedad para escoger los genes que van a Los avances tecnológicos, entre los que se incluyen las microma- estudiarse: se prueban variantes situadas cerca de cada gen. De trices (v. cap. 3), han permitido a los investigadores buscar las hecho, con frecuencia los resultados de un GWAS apuntan a nue- asociaciones entre los fenotipos patológicos de las poblaciones y vas vías biológicas cuya intervención en la enfermedad estudiada de millones de loci marcadores distribuidos por todo el genoma. no se sospechaba antes. Además, no es necesario recoger datos Normalmente, estos estudios de asociación genómica (GWAS, familiares para detectar asociaciones en poblaciones (aunque del inglés genome-wide association studies) incluyen la exploración pueden ser de utilidad). En su lugar, en los GWAS normalmente de SNP, mediante una micromatriz, en una gran cantidad de casos se utilizan casos y controles no relacionados, que son más fáciles afectados. Las micromatrices también se emplean para evaluar las de localizar y muestrear que familias enteras. variantes del número de copias (CNV, v. cap. 3), que pueden variar No obstante, los estudios de asociación deben interpretarse con considerablemente entre los individuos. La frecuencia alélica de cautela porque muchos elementos pueden producir asociaciones cada SNP en los casos se compara con la frecuencia alélica del espurias entre una enfermedad y un posible factor de riesgo. Un mismo SNP en una muestra de personas no afectadas (controles) ejemplo es la estratificación étnica en una población. Algunas (fig. 8-16). Si se observa una diferencia estadísticamente significa- enfermedades son más frecuentes en determinados grupos étnicos tiva entre las frecuencias de los SNP en los casos y en los controles, y las frecuencias alélicas también pueden diferir entre estos grupos debido a sus diferentes historias evolutivas. Por tanto, si se compa- ran casos de enfermedad y controles sin emparejar correctamente para la etnicidad, podría hallarse una falsa asociación debida sim - plemente a las diferencias étnicas entre los dos grupos. Por ejemplo, la diabetes de tipo 2 (v. cap. 12) se ha estudiado extensamente en la población nativa americana pima, donde la enfermedad es mucho más frecuente que entre los norteamericanos de origen europeo. Casos Controles no afectados Se observó que la ausencia del haplotipo que codifica la inmuno- \ ~~ Et~tJHi ~ ~ binasas (codificadas por los genes RAGJ y RAG2), que inician Mutaciones Mutaciones somáticas somáticas roturas de DNA bicatenario en secuencias específicas de DNA adyacentes a los segmentos génicos V y D. Tras la deleción de todos los segmentos V, D y J excepto uno, los segmentos no supri- V4D3J4 V4D3J4 midos se fijan a ligasas. Este proceso de corta y pega se denomina recombinación somática (en contraste con la recombinación de ~ Transcripción ~ Transcripción la línea germinal que tiene lugar durante la meiosis). La recom- binación somática produce un resultado distintivo. A diferencia de la mayoría de las otras células del cuerpo, cuyas secuencias de DNA son idénticas entre sí, los linfocitos B maduros varían en las secuencias reordenadas del DNA de la inmunoglobulina.Al haber tantas combinaciones posibles de segmentos V, J y D únicos, la recombinación somática puede generar aproximadamente entre 100.000 y 1.000.000 de tipos distintos de moléculas de anticuerpos. La mayoría de las Otras mutaciones 3. Diversidad de unión mutaciones producen producen receptores receptores con baja con alta afinidad de Cuando se ensamblan las regiones V, D y J, se producen ligeras 8 afinidad C unión para el antígeno variaciones en la posición en la que se unen y es posible que FIG 9-6 A, Recombinación VDJ somática en la formación de pequeñas cantidades de nucleótidos se supriman o inserten en los una cadena pesada de una molécula de anticuerpo. La cadena empalmes que se unen a las regiones. Esto produce una variación pesada funcional está codificada por un solo segmento de aún mayor en la secuencia de aminoácidos. cada uno de los múltiples segmentos V, D y J. Esto produce un subconjunto de células B cuyos receptores presentan una 4. Hipermutación somática baja afinidad de unión para un antígeno extraño. Una vez que se Normalmente, sólo un pequeño conjunto de células B cuenta con encuentra el antígeno en el tejido linfático secundario, se inicia receptores de superficie celular (inmunoglobulinas) que pueden la hipermutación somática (By C). La mayoría de los recep- unirse a un antígeno extraño específico y su afinidad de unión sue- tores mutados tienen poca afinidad de unión (B), pero con el le ser baja. Una vez que un subconjunto de células Bes estimulado tiempo la hipermutación somática produce un subconjunto por un antígeno extraño, experimentan un proceso de madura- de receptores con una alta afinidad de unión (C). Las células ción de afinidad que se caracteriza por la hipermutación somática que contienen estos receptores se convierten en células plas- de los segmentos V de los genes de inmunoglobulina, como se ha máticas secretoras de anticuerpos. mencionado antes. Una enzima denominada desaminasa inducida por activación hace que las bases de citosina sean sustituidas por de variación adicional en las secuencias de DNA que codifican uracilo. Se captan polimerasas de DNA propensas al error y los inmunoglobulina y, por tanto, en las propiedades de fijación de procesos de reparación del DNA se modifican para que las muta- antígenos de las inmunoglobulinas codificadas. Dado que la muta- ciones puedan persistir en la secuencia de DNA. En consecuencia, ción es un proceso aleatorio, la mayoría de los nuevos receptores la tasa de mutación de estos segmentos génicos es de aproximada- muestran una afinidad baja y no son seleccionados. Sin embargo, mente 10- 3 por par de bases por generación (recuérdese que la tasa con el tiempo,la hipermutación somática produce un subconjun- de mutación en el genoma humano normalmente es de sólo 10-s to de inmunoglobulinas que presentan una elevada afinidad de por par de bases por generación). Esto causa una gran cantidad unión para el antígeno extraño y las células B que albergan estas  CAPÍTULO 9 lnmunogenética inmunoglobulinas son seleccionadas para experimentar una gran unión- son también compuestos en la generación de la diversi- proliferación. El resultado final es una población de células plas- dad de receptores de células T. No obstante, los genes que codifi- máticas maduras que secretan anticuerpos altamente específicos can los receptores de células T no experimentan hipermutación para el patógeno invasor. somática. Se cree que esto ayuda a evitar la generación de células T que reaccionarían contra las células del cuerpo (una respuesta 5. Múltiples combinaciones de cadenas pesadas autoinmunitaria, que se describe en un punto posterior de este y ligeras capítulo). La combinación aleatoria de diferentes cadenas pesadas y ligeras ► en el ensamblaje de la molécula de inmunoglobulina da pie a más Los receptores de células T tienen una funció n diversidad. sim ilar a los receptores de células B (inmu noglo- Cada uno de estos mecanismos contribuye a la diversidad de bulinas). Sin embargo, a diferencia de las inmuno- anticuerpos. Considerándolos en su conjunto, se ha calculado globulinas, sólo pueden unirse a un péptido extra- que pueden producirse nada menos que entre 10 11 anticuerpos ño cuando lo presenta una molécula del MHC. Su distintos. diversidad se debe a los mismos mecanismos que producen la diversidad de la inmunoglobulina, ► Los mecanismos que producen diversidad de con la excepción de la hipermutación somática. anticuerpos son los múltiples segmentos géni- cos de inmunoglobul ina de la línea germinal, la recombinación somática de los segmentos géni- COMPLEJO MAYOR DE HISTOCOMPATIBILIDAD cos de inmunoglobulina, la diversidad de unión, Genes de clase 1, 11 y 111 la hipermutación somática y el potencial de múlti- El MHC, que incluye una serie de más de 200 genes situados en una ples combinaciones de cadenas pesadas y ligeras. región de 4 Mb en el brazo corto del cromosoma 6 (fig. 9-8), suele clasificarse en tres grupos: clase I, clase II y clase III. La molécula Receptores de células T del MHC de clase I forma un complejo con los péptidos extraños En muchos sentidos, los receptores de células T son similares a las que es reconocido por los receptores de las superficies de los linfo- inmunoglobulinas, o receptores de células B. Como las inmuno- citos T citotóxicos. Así, la presentación de la clase I es esencial para globulinas, los receptores de células T deben ser capaces de unirse la respuesta de las células T citotóxicas. Algunos virus escapan a la a una gran variedad de péptidos derivados de microorganismos detección por las células T citotóxicas reduciendo la e