Tema 4 Diversidad Genética Humana: Mutación y Polimorfismo PDF

Tema 4 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO 1 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO El estudio de la variación genética y genómica es la piedra angular conceptual de la genética en medicina y en el campo más amplio de la genética human...

Tema 4 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO 1 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO El estudio de la variación genética y genómica es la piedra angular conceptual de la genética en medicina y en el campo más amplio de la genética humana. La diversidad genética puede manifestarse como diferencias en la organización del genoma, cambios de nucleótidos en la secuencia del genoma, variación del número de copias de grandes segmentos de DNA genómico, o como alteraciones de la estructura o cantidad de proteínas que se encuentran en diversos tejidos. 2 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO Muchas diferencias en la secuencia del DNA tienen poco o ningún efecto sobre el fenotipo de una persona, mientras que otras son responsables directas de enfermedades. Entre esos dos extremos, se sitúan las diferencias responsables de la variabilidad determinada genéticamente en la anatomía, la fisiología, las intolerancias alimentarias, la susceptibilidad a la infección, la predisposición al cáncer, las respuestas terapéuticas y las reacciones adversas a los medicamentos y, quizá, incluso la variabilidad en diversos rasgos de la personalidad, la aptitud deportiva y el talento artístico. ¿Qué tipos de polimorfismo hay en el ADN? ¿Cuándo una mutación es patogénica? 3 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO Un segmento de DNA que ocupa una posición o localización particulares en un cromosoma es un locus (plural loci). El término locus puede aplicarse a un segmento de DNA que contenga muchos genes, a un único gen, o a única base en el genoma. Las versiones alternativas de la secuencia de DNA en un locus se denominan alelos. Para cada gen o incluso para cada nucleótido del genoma hay un alelo predominante que suele estar presente en más de la mitad de los individuos de una población y que se denomina alelo natural o común. Las otras versiones del gen son alelos variantes (o mutantes) que se diferencian del alelo natural debido a la presencia de una mutación, es decir, un cambio permanente en la secuencia de nucleótidos o en la disposición del DNA. 4 DIVERSIDAD GENÉTICA HUMANA: MUTACIÓN Y POLIMORFISMO Si hay dos o más alelos relativamente frecuentes (> 1%) en un locus en una población, se dice que el locus presenta polimorfismo en esa población. La mayoría de los alelos variantes, sin embargo, no son lo bastante frecuentes en una población para considerarlos polimorfismos; algunos son tan raros como los que se encuentran en una sola familia, y se denominan alelos privados. Una mutación puede suponer el cambio de un solo nucleótido o alteraciones de un cromosoma entero. Reconocer un cambio significa que tiene que haber un patrón de referencia, comparado con el cual se definen las variantes. La secuencia o combinación más frecuente en una población en cualquier posición del genoma se designa arbitrariamente secuencia de referencia. 5  URL El Proyecto Genoma humano, completado en 2003, fue una colaboración internacional para secuenciar y establecer el mapa del http://www.genome.gov/10001772 genoma de nuestra especie. El borrador de la secuencia del genoma http://genome.ucsc.edu/cgi-bin/hgGateway se publicó en 2001, y el conjunto del genoma de referencia «casi http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/Index completo» se publicó en 2004. La Base de datos de polimorfismos de un único nucleótido (dbSNP) y la Base de datos de variaciones estructurales (dbVar) son bases de http://www.ncbi.nlm.nih.gov/snp/ datos de variaciones a pequeña escala y a gran escala que incluyen http://www.ncbi.nlm.nih.gov/dbvar/ variantes de un único nucleótido, microsatélites, indels y CNV. La Base de datos de mutaciones de genes humanos es una recopilación exhaustiva de mutaciones de la línea germinal asociadas www.hgmd.org o causantes de enfermedades hereditarias humanas. La Base de datos de variantes genómicas es un catálogo revisado de http://dgv.tcag.ca la variación estructural del genoma humano. La Base de datos japonesa de polimorfismos de un único nucleótido (JSNP Database) publica los SNP descubiertos como parte del http://snp.ims.u-tokyo.ac.jp/ Proyecto Genoma del milenio. 6 POLIMORFISMO GENÉTICO La secuencia de DNA de una región determinada del genoma es muy similar en los cromosomas de muchos individuos de todo el mundo. De hecho, cualquier segmento de DNA humano de unos 1000 pb elegido al azar contiene, de media, solo un par de bases diferentes entre dos cromosomas homólogos heredados de los progenitores. Sin embargo, se han identificado y catalogado decenas de millones de diferencias de un único nucleótido y más de un millón de variantes más complejas. Una variante se considera polimorfismo si su frecuencia en una población es de al menos el 1%. La inmensa mayoría de variantes del genoma, tanto frecuentes como raras, reflejan diferencias de secuencia del DNA carentes de relevancia conocida para la salud. 7  TIPOS DE POLIMORFISMOS EN EL GENOMA HUMANO Tipo de variación Rango de tamaño Base para el polimorfismo Número de alelos (aprox.) Polimorfismos de un 1 pb Sustitución de un par de Por lo general 2 único nucleótido bases en una localización particular del genoma. Inserción/deleción 1 pb a > 100 pb Simple : presencia o ausencia Simple: 2 (indels) de un segmento corto de Microsatélites : DNA de 100-1.000 pb de generalmente 5 o longitud más Microsatélites: una unidad de 2, 3 o 4 nucleótidos repetida en tándem 5-25 veces. Variantes del número de 1 kb a > 1 Mb Generalmente, presencia o 2 o más copias ausencia de segmentos determinados, aunque también puede haber duplicaciones en tándem de 2, 3, 4 o más copias. Inversiones Pocos pb a > 1 Mb Segmento de DNA presente 2 en cualquiera de dos orientaciones respecto al DNA circundante. 8  Polimorfismo en el DNA Ejemplos de polimorfismos en el genoma humano mayores que los SNPs. 9  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de un único nucleótido (SNP) Los polimorfismos más sencillos y frecuentes son los de un único nucleótido (SNP; del inglés single nucleotide polymorphisms). Un locus caracterizado por un SNP suele tener sólo dos alelos que corresponden a las dos bases distintas que ocupan un determinado sitio en el genoma. Los SNP son comunes y ocurren, de media, una vez cada 1.000 pb en el genoma. Hay SNPs tanto en exones como en intrones y regiones intergénicas. 10  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de un único nucleótido (SNP) Los SNPs pueden suponer transiciones o transversiones. En las transiciones cambia el nucleótido sin que cambie el tipo de base nitrogenada: G por A o A por G (purina por purina), C por T o T por C (pirimidina por pirimidina). En las transversiones cambia el tipo de nucleótido: p. ej. G por T o A por C. Las transiciones son más frecuentes que las transversiones. 11  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de un único nucleótido (SNP) El significado para la salud de la gran mayoría de los SNP se desconoce y es objeto de continuas investigaciones. El hecho de que los SNP sean frecuentes no implica que sean neutrales o que no ejerzan ningún efecto sobre la salud o la longevidad. Al parecer, el efecto de los SNP frecuentes es una modificación relativamente sutil de la susceptibilidad a la enfermedad, más que la causa directa de una enfermedad grave. 12  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de inserción-deleción Una segunda clase de polimorfismos son variaciones producidas por la inserción o la deleción (in/dels, o simplemente indels) de entre 1 y hasta alrededor de 1.000 pb, aunque se han descrito también indels mayores. Se han descrito más de un millón de indels, y su número en el genoma de cualquier individuo es del orden de centenares de miles. Alrededor de la mitad se denominan «simples», porque sólo tienen dos alelos, es decir, la presencia o ausencia del segmento insertado o delecionado. 13  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de inserción-deleción 14  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de microsatélites Hay indels multialélicos, debido a la inserción en tándem de un número variable de segmentos de DNA en una localización particular, lo que constituye lo que se denomina microsatélite. Consisten en segmentos de DNA compuestos por unidades de 2, 3 o 4 nucleótidos, como TGTGTG, CAACAACAA, o AAATAAATAAAT, que se repiten entre una y varias docenas de veces en una localización particular del genoma. Los microsatélites son un grupo de indels muy útiles. En la actualidad, la detección de diferentes alelos en distintos microsatélites es el método de elección para la determinación de la huella de DNA usada en las pruebas de identidad. 15  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de microsatélites Cada persona tiene dos alelos en cada locus de microsatélite, uno en cada cromosoma homólogo. 16  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de inserción de elementos móviles Los elementos móviles suponen el 30% del genoma. Las dos familias más comunes de elementos móviles son las familias Alu y LINE. Cada locus polimórfico consta de dos alelos, uno con el elemento móvil y otro sin él. Los polimorfismos de elementos móviles se encuentran en todos los cromosomas humanos; aunque la mayoría están en regiones del genoma donde no hay genes, una pequeña proporción aparece dentro de los genes. 17  Polimorfismos en el DNA Variantes del número de copias (CNV) Las CNV están relacionadas conceptualmente con los indels y los microsatélites, pero el término se utiliza para segmentos del genoma más grandes, desde 1000 pb a centenares de kilobases. El segmento variable en muchos casos de CNV puede incluir desde un gen hasta varias docenas de genes y, por lo tanto, las CNV suelen estar implicadas en rasgos que conllevan una alteración de la dosis génica, lo que puede tener importantes consecuencias en patología. 18  Polimorfismos en el DNA Polimorfismos de inversión Su tamaño oscila desde unos pocos pares de bases a grandes regiones del genoma (de hasta varias megabases) y que pueden estar presentes en dos orientaciones posibles en los genomas de diferentes individuos. 19  Origen de los diferentes tipos de mutaciones Los diferentes tipos de mutaciones surgen en el contexto de la división celular: Replicación Reparación Recombinación del DNA También en la segregación de cromosomas en la mitosis o la meiosis. Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas por radiación ionizante (rayos X, rayos gamma), radiación no ionizante (luz UV) o por compuestos químicos (p. ej. benzopireno del humo del tabaco) Mutaciones cromosómicas numéricas Las mutaciones que producen un cambio del número de cromosomas debido a una segregación inadecuada de éstos son unas de las más frecuentes en los seres humanos. En la mayor parte de los casos estos fenómenos causan abortos espontáneos y no llegan a ser detectados. 20 Origen de los diferentes tipos de mutaciones Mutaciones cromosómicas numéricas 21  Origen de los diferentes tipos de mutaciones Mutaciones regionales Las duplicaciones, deleciones e inversiones en un cromosoma se deben predominantemente a la recombinación homóloga entre segmentos de DNA con alta homología de secuencia situados en más de un sitio en una región de un cromosoma (duplicaciones segmentarias). 22  Origen de los diferentes tipos de mutaciones Mutaciones regionales Las translocaciones cromosómicas y algunas inversiones pueden producirse en sitios de rotura espontánea del DNA bicatenario. 23  Origen de los diferentes tipos de mutaciones Mutaciones génicas Las mutaciones génicas se originan mediante dos mecanismos básicos: Errores producidos durante el proceso de replicación del DNA Mutaciones ocasionadas por un fallo en la reparación correcta del DNA dañado. Muchas de estas mutaciones son espontáneas y se producen durante los procesos normales (pero imperfectos) de replicación y reparación del DNA, mientras que otras son inducidas por agentes físicos o químicos denominados mutágenos. 24  Origen de los diferentes tipos de mutaciones Mutaciones génicas Algunos agentes químicos precisan ser “bioactivados” por enzimas metabólicas para adquirir carácter mutagénico. Es el caso del benzopireno, hidrocarburo policíclico aromático Solo las mutaciones incorporadas en células germinales (gametos) pueden transmitirse a la descendencia. Las mutaciones en células somáticas no se transmiten, aunque pueden ser causa de enfermedad. 25  Diferencias en función del sexo y efecto de la edad en las tasas de mutación Debido a que el DNA de los espermatozoides ha pasado por muchos más ciclos de replicación que el DNA de los óvulos, tiene más posibilidades de que se produzcan errores. Las mutaciones nuevas responsables de determinados trastornos (p. ej., la acondroplasia) suelen ser mutaciones de cambio de sentido (cambio de un aminoácido por otro) que se producen casi siempre en la línea germinal paterna. La acondroplasia o enanismo se produce por mutaciones en el receptor de factor de crecimiento de fibroblastos (FGFR). Cuanto mayor es la edad del padre, más ciclos de replicación han precedido a las divisiones meióticas, por lo que la frecuencia de mutaciones nuevas paternas aumenta con su edad. 26  Diferencias en función del sexo y efecto de la edad en las tasas de mutación Por el contrario, las trisomías de autosomas suelen deberse a fallos en la meiosis femenina (90% de los casos de trisomía 21) , y estos fallos aumentan de frecuencia con la edad de la mujer. La larga duración de la meiosis femenina, que permanece detenida en la meiosis I en ocasiones durante años, parece estar relacionada con fenómenos de no disyunción meiótica, que da lugar a gametos desequilibrados. La no disyunción puede producirse tanto en meiosis I como en meiosis II, aunque en el caso de la trisomía 21 o síndrome de Down, la causa más frecuente es la no disyunción en meiosis I. 27 Wpeissner, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons  Diferencias en función del sexo y efecto de la edad en las tasas de mutación Las aneuploidías de cromosomas sexuales, como el síndrome de Turner o monosomía X o el síndrome de Klinefelter (o síndrome XXY), suelen estar causadas por no disyunción meiótica masculina, ya que los cromosomas X e Y apenas se aparean e intercambian material genético, lo que parece facilitar la no disyunción en la espermatogénesis 28  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones simples en el DNA codificante Las mutaciones simples pueden afectar a DNA exónico codificante. Estas mutaciones pueden ser: 1. Sinónimas (silenciosas, sin cambio de sentido): no cambia ningún aminoácido en la proteína codificada. 2. No sinónimas Con cambio de sentido (mis-sense): cambio de aminoácido, conservativo (aminoácido similar) o no conservativo. Sin sentido (non-sense): cambio a codón de parada (TAG, TGA o TAA). Con ganancia de sentido: cambio de un codón de parada a un codón codificante (ultralectura). 3. Deleciones e inserciones de uno o pocos nucleótidos Sin cambiar la pauta de lectura (tres nucleótidos o múltiplo) Cambio de la pauta de lectura (frameshift) cuando la inserción o deleción afecta a un número de nucleótidos no múltiplo de tres. 29  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones simples en el DNA codificante 30  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones simples en el DNA codificante 31  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Anemia Falciforme, ejemplo de mutación simple: 146 aminoácidos en la hemoglobina. Aa posición 6 tiene una sustitución de una base (CTT → CAT) causando la mutación Glu →Val. La mutación en homocigosis es muy grave. En cambio, en heterocigosis, se convierte en una ventaja en áreas de malaria. Los homocigotos normales se ven más frecuentemente afectados por malaria. 8% afroamericanos son portadores. 32 Consecuencias de distintos tipos de mutaciones 33 Consecuencias de distintos tipos de mutaciones 34 Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones por inserción o deleción de unos pocos nucleótidos Ejemplo que muestra los efectos de inserciones o deleciones en la pauta de lectura y en el sentido de una secuencia 35 Las inserciones o deleciones de uno o dos nucleótidos causan un cambio de pauta de lectura (frameshift), con aparición de secuencia divergente respecto a la normal a partir del punto de inserción o deleción. Suelen generar un codón de parada prematuro. En estos casos el mRNA se suele degradar y no llega a traducirse. En caso de que se traduzca y genere una proteína truncada más pequeña, esta suele degradarse. 36  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones causadas por elementos transponibles Elementos transponibles como los Alu pueden interrumpir genes al retrotransponerse de una parte a otra del genoma, y causar así patologías. Hay pacientes de hemofilia A que presentan inserciones de elementos Alu en el gen del factor VIII de la coagulación. 37  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones dinámicas Las mutaciones en algunos trastornos implican la amplificación de secuencias repetidas de nucleótidos. Por ejemplo, ciertas repeticiones simples, como (CCG)n , (CAG)n , o (CCTG)n localizadas en: a) la región codificante de un exón; b) en una región no traducida de un exón; o c) en un intrón, pueden expandirse durante la gametogénesis, en lo que se denomina mutación dinámica, e interferir con la expresión génica normal o la función de la proteína. Una repetición expandida en la región codificante provocará un producto proteico anormal, mientras que una expansión de repeticiones en las regiones no traducidas o en los intrones de un gen puede interferir con la transcripción, el procesamiento o la traducción del mRNA. 38  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones dinámicas La enfermedad de Huntington aparece por expansión de un triplete CAG (codificante de Glutamina) en el gen de la huntingtina. El número de repeticiones del triplete CAG va en aumento de generación en generación, lo que causa que la enfermedad sea de aparición progresivamente más temprana y de mayor gravedad en generaciones sucesivas. A este fenómeno se le llama anticipación. 39  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones dinámicas La expansión de tripletes CAG aumenta el número de Glutaminas de la proteína huntingtina. 40  Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Mutaciones en DNA no-codificante intragénico (intrones y regiones exónicas no traducidas) son silenciosas excepto: 1. Cuando destruyen una de las secuencias consenso de ayuste exón-intrón si no hay secuencias de ayuste crípticas, se añaden aminoácidos y posible cambio en la pauta de lectura. si hay una secuencia críptica de ayuste en ese mismo intrón o en el exón cercano a la mutación, se alarga o acorta el exón siguiente, respectivamente. en algunas ocasiones se pierden exones completos y se da un posible cambio en la pauta de lectura. 2. Si afectan a la señal de poli-adenilación en 3’. Mutaciones en DNA no-codificante intergénico son silenciosas excepto cuando afectan a elementos reguladores de la expresión génica, como promotores y potenciadores. 41 Consecuencias de distintos tipos de mutaciones Shirakawa et al. Neurology. 2006 Mar 28;66(6):925-7. 42  EJEMPLO DE ENFERMEDAD CAUSADA POR MUTACIÓN SIMPLE QUE ALTERA EL AYUSTE DE EXONES: PROGERIA DE HUTCHINSON-GILFORD La progeria de Hutchinson-Gilford está causada por una mutación en un solo nucleótido en el gen LMNA que codifica la lamina A, proteína que recubre por dentro la envoltura nuclear. La enfermedad es autosómica dominante. La enfermedad cursa con envejecimiento prematuro. normal mutado 43  EJEMPLO DE ENFERMEDAD CAUSADA POR MUTACIÓN SIMPLE: PROGERIA DE HUTCHINSON-GILFORD La mutación causante de esta progeria se encuentra en el exón 11 del gen, pero no cambia el aminoácido codificado, que sigue siendo Glicina (GGC por GGT). Lo que sucede es que se genera una secuencia de inicio de intrón en el interior del mismo exón, lo que cambia la secuencia de la proteína codificada al eliminarse parte del exón 11 como si fuese secuencia intrónica. 44 Nomenclatura de mutaciones: Sequence Variant Nomenclature, HGVS Nomenclature http://varnomen.hgvs.org/ Sustituciones Format: “prefix”“position_substituted”“reference_nucleotide””>”new_nucleotide”, e.g. g.123A>G “prefix” = reference sequence used = g. “position_substituted” = position nucleotide sustituted = 123 “reference_nucleotide” = nucleotide at reference position = A ”>” = type of change is a substitution = > “new_nucleotide” = substituted nucleotide = G prefix reference sequences accepted are g., m., c. and n. (genomic, mitochondrial, coding DNA and non-coding DNA). 45 Deleción Format: “prefix”“position(s)_deleted”“del”, e.g. g.123_127del “prefix” = reference sequence used = g. “position(s)_deleted” = position nucleotide or range of nucleotides deleted = 123_127 “del” = type of change is a deletion = del Inserción Format: “prefix”“positions_flanking”“ins”“inserted_sequence”, e.g. g.123_124insAGC “prefix” = reference sequence used = g. “positions_flanking” = position two nucleotides flanking insertion site = 123_124 “ins” = type of change is an insertion = ins “inserted_sequence” = inserted sequence = AGC 46 ¿Por qué hay T en lugar de U en el ADN? T ó U empareja con A. Única diferencia: Hay un grupo metilo en T. ¿Por qué se utiliza una base metilada en el ADN? Motivo: C en el DNA se desamina espontáneamente formando U, lo que es potencialmente mutagénico. Se previene por una DNA glicosilasa, que elimina el U para que la maquinaria celular vuelva a introducir una C. Esta enzima no ataca T sino U porque, el -CH3 en T es una etiqueta que distingue T de C desaminada. 47 48  Preguntas 1. Un polimorfismo puede deberse a varios mecanismos, con distintas consecuencias. Describa y compare los tipos de polimorfismos que pueden tener los siguientes efectos: a. Un cambio de la dosis de un gen o genes. b. Un cambio en la secuencia de múltiples aminoácidos en el producto de un gen codificante de proteína. c. Un cambio de la estructura final de un RNA producido a partir de un gen. d. Un cambio del orden de los genes en una región de un cromosoma. e. Ningún efecto evidente. 2. ¿Cuál de los siguientes tipos de polimorfismo sería más eficaz para distinguir dos individuos de la población general: un SNP, un indel simple, o un microsatélite? Explique el razonamiento. 49