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Genética Thompson 7a ed. Fibrosis quistica

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  1. 1. CAPÍTULO 12 ● Bases moleculares, bioquímicas y celulares de las enfermedades genéticas 361 ©Elsevier.EsunapublicaciónMASSON.Fotocopiarsinautorizaciónesundelito. DEFECTOS EN EL TRANSPORTE Fibrosis quística Desde el decenio de 1960, la fibrosis quística (FQ; CF en tex- tos en inglés, de cystic fibrosis) ha sido una de las enferme- dades monogénicas humanas más visible en los medios de co- municación (v. Caso 10 ). Es el trastorno genético autosómico recesivo mortal más frecuente en los niños de raza blanca, con una incidencia de aproximadamente un caso por cada 2.500 recién nacidos vivos de raza blanca y con una frecuen- cia del estado de portador de aproximadamente un individuo por cada 25 personas. La clonación posicional (v. cap. 10) del gen FQ (denominado CFTR, por regulador transmem- brana CF) realizada en 1989, así como el aislamiento del gen de la distrofia muscular de Duchenne 3 años antes, constitu- yeron los primeros ejemplos de la eficacia de las estrategias genéticas para la identificación de los genes asociados a las enfermedades. Poco tiempo después de la clonación del gen de la FQ, en diversos estudios fisiológicos se demostró que la proteína codificada por el gen CFTR es un canal del cloro regulado que se localiza en la membrana apical de las células epiteliales afectadas por la enfermedad. Fenotipos de la fibrosis quística. Los pulmones y el páncreas exocrino son los órganos afectados de manera más importan- te por la enfermedad, aunque una característica diagnóstica principal es el incremento de las concentraciones de sodio y de cloro en el sudor (lo suelen notar en primer lugar los pa- dres del lactante cuando le besan). En la mayor parte de los pacientes con FQ, el diagnóstico se puede realizar a través de las alteraciones pulmonares y pancreáticas, y también me- diante la demostración de una elevación en la concentración de cloro en el sudor. Menos del 2% de los pacientes presenta concentraciones normales de cloro en el sudor a pesar de ma- nifestar un cuadro clínico por lo demás típico; en estos casos, el análisis molecular puede ser útil para descartar la existen- cia de mutaciones en el gen CFTR. La enfermedad pulmonar de la FQ se debe a la produc- ción de secreciones espesas y a las infecciones recurrentes; ini- cialmente se caracteriza por un cuadro pulmonar obstructivo crónico que evoluciona posteriormente hacia bronquiectasias. A pesar de que el tratamiento intensivo de la enfermedad pulmo- nar prolonga la vida del paciente, el fallecimiento se produce en última instancia debido a insuficiencia pulmonar e infección. En el momento presente, aproximadamente la mitad de los pacien- tes sobreviven hasta los 33 años de edad, pero la evolución clí- nica es variable. El defecto pancreático en la FQ es un síndrome de alteraciones digestivas debido a la deficiencia en la secreción de enzimas pancreáticas (lipasa, tripsina, quimotripsina). La administración de suplementos de enzimas pancreáticas puede restablecer en gran medida la normalidad de la digestión y la nutrición. Aproximadamente, el 5-10% de los pacientes con FQ presenta una función exocrina pancreática residual suficiente como para realizar una digestión normal y, por ello, esta forma de la enfermedad se denomina fibrosis quística con suficiencia pancreática. Por otra parte, los pacientes con FQ y suficiencia pancreática muestran un crecimiento y un pronóstico global mejores que la mayor parte de los pacientes, que presentan la forma de insuficiencia pancreática. La heterogeneidad clínica de la afectación pancreática se debe, al menos en parte, a heteroge- neidad alélica, tal como se expone más adelante. En los pacientes con FQ se pueden observar otros mu- chos fenotipos. Por ejemplo, presenta obstrucción posnatal del tracto intestinal bajo (íleo meconial) el 10-20% de los recién nacidos con FQ; su observación exige la exclusión del diagnós- tico de FQ. También está afectado el tracto genital. Aunque las mujeres con FQ muestran sólo una cierta reducción de la fertilidad, más del 95% de los hombres con FQ es infértil de- bido a la ausencia de los conductos deferentes, un fenotipo que se ha denominado ausencia congénita bilateral de los conduc- tos deferentes (CBAVD). En lo que representa un ejemplo ex- traordinario de heterogeneidad alélica que origina un fenotipo parcial, se ha observado que algunos hombres infértiles y sin otras alteraciones clínicas (es decir, sin enfermedad pulmonar ni pancreática) presentan ausencia congénita bilateral de los conductos deferentes asociada a alelos mutantes específicos en el gen de la FQ. De la misma manera, algunos individuos con pancreatitis crónica idiopática son portadores de mutaciones en el gen CFTR a pesar de que carecen de otros signos clínicos de la FQ. El gen y la proteína CFTR. El gen CFTR, localizado en el cro- mosoma 7q31 y asociado a la FQ, ocupa aproximadamente 190 kb de DNA; la región codificante, con 27 exones, codifica una proteína integral de membrana de gran tamaño (aproxi- madamente, 170 kD) (fig. 12-16). En relación con su función, la proteína codificada por el gen CFTR se denominó regula- dor de la conductancia transmembranas de la FQ (CFTR, FQ transmembrane conductance regulator). Su supuesta estructu- ra indica que pertenece a la denominada familia ABC (casete de unión a adenosina trifosfato [adenosine triphosphate-bin- ding cassette]) constituida por proteínas de transporte. Al me- nos 18 transportadores ABC han sido implicados en trastornos mendelianos y en fenotipos de rasgos complejos. El canal de cloro CFTR muestra cinco dominios, tal como se recoge en la figura 12-16: dos dominios de mem- brana, cada uno de ellos con seis secuencias transmembra- na; dos dominios de unión a nucleótidos (ATP, adenosine triphosphate), y un dominio regulador con múltiples sitios de fosforilación. La importancia de cada dominio quedó de- mostrada por la identificación de mutaciones de cambio de sentido que causan FQ en todos ellos (v. fig. 12-16). El poro del canal del cloro está formado por 12 segmentos trans- membrana. El ATP se une a los dominios de unión a nucleó- tidos y es hidrolizado, de manera que la energía liberada se utiliza para la apertura y el cierre del canal. La regulación del canal está mediada, al menos en parte, por la fosforila- ción del dominio regulador. Fisiopatología de la fibrosis quística. La FQ se debe a una alteración del transporte de líquidos y electrólitos a través de las membranas apicales del epitelio. Esta alteración causa en- fermedad en el pulmón, el páncreas, el intestino, el árbol he- patobiliar y el tracto genital masculino. Las alteraciones fisio- lógicas han sido estudiadas con mayor detalle en lo relativo a las glándulas sudoríparas. La pérdida de la función del CFTR significa que el cloro existente en el conducto de las glándulas sudoríparas no puede ser reabsorbido, lo que da lugar a una disminución del gradiente electroquímico que permite nor- malmente que el sodio atraviese la membrana apical. A su vez, este defecto induce un incremento de las concentraciones de cloro y sodio en el sudor. Los efectos de las alteraciones de
  2. 2. Thompson & Thompson GENÉTICA EN MEDICINA362 la proteína CFTR sobre el transporte de los electrólitos también han sido estudiados con detalle en los epitelios de las vías res- piratorias y el páncreas. En el pulmón, la absorción excesiva de sodio y la disminución de la secreción de cloro dan lugar al ago- tamiento del componente líquido de la superficie respiratoria. En consecuencia, la capa de moco del pulmón se adhiere fuer- temente a las superficies celulares, alterando los mecanismos de eliminación del moco correspondientes a la tos y dependientes de los cilios, y ofreciendo un nicho favorable para el crecimiento de Pseudomonas aeruginosa, que representa la causa principal de infección pulmonar crónica en los pacientes con FQ. Genética de la fibrosis quística Mutaciones en el polipéptido CFTR. La primera mutación identificada en la FQ, la deleción de un residuo fenilalani- na en la posición 508 (6F508) del primer pliegue de unión a ATP (NBD1; v. fig. 12-16), es el defecto más frecuente y representa alrededor del 70% de todos los alelos FQ en los grupos de población de raza blanca. En estos grupos, sólo hay otras siete mutaciones con una frecuencia superior al 0,5%; el resto de las mutaciones es muy infrecuente. Se han identifi- cado mutaciones de todos los tipos, pero el grupo más abun- dante (casi la mitad) corresponde a sustituciones de cambio de sentido. Las mutaciones restantes son puntuales de otros tipos y el porcentaje de reordenamiento genómico es inferior al 1%. A pesar de que hay más de 1.200 secuencias variantes del gen de la FQ asociadas a enfermedad, el número real de mutaciones de cambio de sentido que causan enfermedad es desconocido debido a que sólo unas pocas de ellas han sido evaluadas mediante análisis funcional. A pesar de que se desconocen las alteraciones bioquími- cas asociadas a la mayor parte de las mutaciones FQ, se han descrito cuatro mecanismos generales de disfunción proteica. Los alelos representativos de cada una de estas seis clases de disfunción se muestran en la figura 12-16. Las mutaciones de la clase 1 son las que se acompañan de un defecto en la produc- ción proteica, tal como las asociadas a codones de interrupción prematuros o a mutaciones que generan RNA inestables. De- bido a que la CFTR es una proteína de membrana glucosilada, debe ser procesada en el retículo endoplásmico y en el aparato de Golgi para su glucosilación y secreción; las mutaciones de la clase 2 son el resultado de un procesamiento alterado de la proteína a consecuencia de su plegamiento anómalo. El mu- tante 6F508 es un ejemplo típico de esta clase; normalmente, esta proteína mutante no presenta el plegamiento suficiente como para poder salir del retículo endoplásmico. Sin embargo, el fenotipo asociado a la proteína mutante 6F508 es complejo debido a que dicha proteína también presenta defectos en la estabilidad y la activación, además del plegamiento. Las funciones esenciales de los dominios de unión a nucleótidos y del dominio regulador (v. fig. 12-16) quedan ilustradas por la aparición de mutaciones causantes de FQ que alteran la regulación de la proteína (mutaciones de clase 3). Las mutaciones de clase 4 se localizan en los dominios de membrana y, en congruencia con esta localización, dan lugar 2321191514b131195 Exones DM 1 Exones DUN1 Exones del dominio R La mutación ΔF508 es el alelo FQ más frecuente en las personas de raza blanca: frecuencia = 0,68 Exones DM 2 Exones DUN2 31Exón Gen CFTR ΔF508 Membrana celular NBD 1 NBD 2 C MSD 2 MSD 1 N Proteína CFTR Mutación de splicing en el sitio donante del intrón (G T) Proteína ausente Clase 1 Abundancia normal de mRNA Clase 5 Disminución del número de transcritos Arg117His Clase 4 Conducción defectuosa debido a una alteración en el canal del Cl– ΔF508 507 508 509 -Ile Phe Gly- -ATC TTT GGT- Clase 2 Alteración del procesamiento Ser1255Pro Clase 3 Alteración de la regulación Gln1412Stop Clase 6 Inestabilidad en la superficie celular Dominio R Figura 12-16 ■ Estructura del gen CFTR y representación esquemática de la proteína CFTR. Se muestran mutaciones seleccio- nadas. Los exones, los intrones y los dominios de la proteína no están trazados a escala. DM, dominio de membrana; DUN, dominio de unión a nucleótidos; dominio R, dominio regulador. La mutación 6F508 se debe a la deleción de TCT o CTT, con sustitución del codón Ile por ATT y con deleción del codón Phe. (Basada en Zielinski J: Genotype and phenotype in cystic fibrosis. Respiration 67:117-133, 2000.)
  3. 3. CAPÍTULO 12 ● Bases moleculares, bioquímicas y celulares de las enfermedades genéticas 363 ©Elsevier.EsunapublicaciónMASSON.Fotocopiarsinautorizaciónesundelito. a alteraciones en la conducción del cloro. Las mutaciones de clase 5 reducen el número de transcritos. Las proteínas mu- tantes de clase 6 son sintetizadas normalmente, pero mues- tran inestabilidad en la superficie celular. Una genocopia CF: mutaciones en el gen del canal epitelial del sodio SCNN1. A pesar de que el gen CFTR es el único que ha sido relacionado con la FQ clásica, hay varias familias con cuadros clínicos no clásicos (incluyendo las infecciones pul- monares de tipo FQ, una afectación intestinal menos grave y la elevación en las concentraciones de cloro en el sudor) en las que se han detectado mutaciones en el gen del canal epitelial del sodio SCNN1. Esta observación es congruente con la in- teracción funcional entre la proteína CFTR y el canal epite- lial del sodio. Su significado clínico principal en el momento presente es la demostración de que los pacientes con FQ no clásica muestran heterogeneidad de locus, y que si no existen mutaciones CFTR es necesario considerar la posibilidad de que existan mutaciones SCNN1. Correlaciones genotipo-fenotipo en la fibrosis quística. Ya que todos los pacientes con la forma clásica de FQ parecen presen- tar mutaciones en el gen de la FQ, la heterogeneidad clínica en la FQ puede ser debida a heterogeneidad alélica, al efecto de otros loci modificadores o al efecto de factores no genéticos. En los estudios genéticos y clínicos de los pacientes con FQ se han establecido dos principios generales. En primer lugar, el genotipo CFTR es un buen elemento predictivo de la función pancreática exocrina. Por ejemplo, los pacientes que son homo- cigotos para la mutación 6F508 común o para los alelos nulos (como los que presentan codones de interrupción prematuros) sufren generalmente insuficiencia pancreática. Por otra parte, los alelos que permiten la síntesis de una proteína CFTR par- cialmente funcional, tal como Arg117His (v. fig. 12-16) suelen asociarse a insuficiencia pancreática. En segundo lugar, el ge- notipo CFTR es un mal predictor de la gravedad de la enferme- dad pulmonar. Por ejemplo, entre los pacientes que son homo- cigotos para la mutación 6F508, la gravedad de la enfermedad pulmonar es variable. Las razones de esta escasa correlación genotipo-fenotipo en lo que se refiere a la afectación pulmonar no han sido determinadas. Recientemente, se ha demostrado la existencia de un gen modificador de la enfermedad pulmonar en la FQ, el gen que codifica el factor de crecimiento de trans- formación `1 (TGF`1). Se ha observado que hay dos variantes del TGF`1 asociadas a una enfermedad pulmonar más grave por FQ. Si finalmente se demostrara que este hallazgo es cierto, sería posible conocer los mecanismos patológicos subyacentes a la enfermedad pulmonar, con el objetivo de crear oportuni- dades terapéuticas. El gen de la fibrosis quística en los distintos grupos de pobla- ción. En el momento presente no es posible explicar la elevada frecuencia del alelo mutante CFTR (en uno de cada 50 ale- los) que se observa en los grupos de población de raza blanca (v. cap. 9). Esta enfermedad es mucho menos frecuente en las personas de razas distintas a la blanca, aunque también se ha observado en norteamericanos nativos, afroamericanos y asiá- ticos (p. ej., aproximadamente en uno de cada 90.000 hawaia- nos de origen asiático). El alelo 6F508 es el único que hasta el momento ha sido detectado en la práctica totalidad de los grupos de población de raza blanca. El análisis del haplotipo en las poblaciones de raza blanca indica que el alelo 6F508 posiblemente tiene un origen único. La frecuencia de este alelo (entre todos los alelos mutantes) muestra variaciones significa- tivas en los diferentes grupos de población europeos, desde el 88% en Dinamarca hasta el 45% en el sur de Italia. En las poblaciones en las que la frecuencia del alelo 6F508 es de aproximadamente el 70% de todos los alelos mutantes, alrededor del 50% de los pacientes son homocigotos para dicho alelo; un 40% adicional presenta genotipos heterocigotos para el alelo 6F508 y para otro alelo mutante. Además, aproximada- mente el 70% de los portadores de la FQ muestra la mutación 6F508. Excepto en lo que se refiere a la mutación 6F508, las mutaciones presentes en los pacientes con FQ en el locus CFTR son individualmente muy infrecuentes, aunque en algunas po- blaciones específicas hay otros alelos que pueden ser comunes. Pruebas de cribado en la población general. Las cuestiones complejas planteadas por la consideración de la aplicación de pruebas de cribado a la población general respecto a enferme- dades como la FQ se exponen en el capítulo 17. En el momen- to presente, la FQ cumple la mayor parte de los criterios para su inclusión en las pruebas de cribado a aplicar en el recién nacido, excepto por el hecho de que no se ha demostrado que la identificación temprana de los lactantes afectados mejore significativamente su pronóstico a largo plazo. No obstante, las ventajas del diagnóstico temprano (como la mejora de la nutrición mediante la provisión de enzimas pancreáticas) ha hecho que algunos países pongan en marcha programas de cribado en los recién nacidos. A pesar de que se acepta en términos generales que la aplicación universal de pruebas de cribado en los portadores no se debe considerar hasta que sea posible la detección de al menos el 90% de las mutaciones (la cifra actual es de alrededor del 85%), en Estados Unidos se han ofrecido durante varios años pruebas de cribado a las parejas, en el ámbito médico privado. Análisis genético de las familias de los pacientes y diagnós- tico prenatal. La elevada frecuencia del alelo 6F508 tiene utilidad cuando los pacientes con FQ y sin antecedentes fa- miliares solicitan un test genético. La identificación del alelo 6F508 en combinación con un conjunto de 22 mutaciones menos frecuentes (aunque no extraordinarias), sugerida por el American College of Medical Genetics, puede tener utilidad para predecir las características de los familiares respecto a la confirmación de la enfermedad (p. ej., en un recién nacido o en el hermano de un paciente con un cuadro clínico de ca- rácter ambiguo), para la detección de los portadores y para el diagnóstico prenatal. Teniendo en cuenta el elevado grado de conocimiento de las mutaciones de la FQ en muchos grupos de población, la detección directa de la mutación es el método de elección para el análisis genético. Si se aplica el método del análisis de ligamiento en ausencia del conocimiento de una mutación específica, es posible un diagnóstico preciso en la práctica totalidad de las familias. En lo que se refiere a los fetos con un riesgo del 25%, el método de elección es el diagnóstico prenatal mediante el análisis del DNA a las 10-12 semanas (en el tejido obtenido mediante biopsia de las vellosidades coriales) (v. cap. 15). Los métodos bioquímicos para el diagnóstico prenatal fundamen- tados en la cuantificación de las enzimas intestinales (p. ej., la fosfatasa alcalina intestinal) o en el líquido amniótico se acompañan de una tasa elevada de resultados falsos positivos y, por ello, ya no se aplican.
  4. 4. Thompson & Thompson GENÉTICA EN MEDICINA364 Genética molecular y tratamiento de la fibrosis quística. En el momento presente, el tratamiento de la FQ se dirige hacia el control de la infección pulmonar y hacia la mejora de la nu- trición. El conocimiento cada vez mayor de la patogenia mole- cular puede facilitar el diseño de intervenciones farmacológi- cas que podrían corregir directamente el genotipo bioquímico anómalo. Alternativamente, en la FQ es posible la terapia de transferencia génica, aunque todavía existen dificultades. Los posibles tratamientos de la FQ se exponen en el capítulo 13. TRASTORNOS DE LAS PROTEÍNAS ESTRUCTURALES Distrofias musculares de Duchenne y Becker: defectos en la distrofina De la misma manera que ha ocurrido con la fibrosis quís- tica, la distrofia muscular de Duchenne (DMD, Duchenne muscular dystrophy) ha recibido una gran atención por par- te de la población general y de la comunidad médica debido a que es una enfermedad grave y relativamente frecuente que en la actualidad carece de tratamiento y que se asocia a un deterioro clínico imparable (Caso 12) . El aislamiento del gen afectado en esta enfermedad ligada al cromosoma X y la caracterización de su proteína (denominada distrofina debido a su asociación con la DMD) han permitido conocer diversos aspectos de la enfermedad, han mejorado en gran medida el consejo genético en las familias afectadas y han facilitado la propuesta de estrategias de tratamiento. Genotipo clínico de la distrofia muscular de Duchenne. Los niños afectados son normales durante su primer o sus dos primeros años de vida, pero desarrollan debilidad muscular a los 3-5 años (fig. 12-17), cuando comienzan a tener difi- cultades para subir escaleras y para levantarse desde la po- sición de sentado. El niño muestra dependencia de la silla de ruedas hacia los 12 años de edad y no suele sobrevivir más allá de los 20 años. Los pacientes fallecen debido a insufi- ciencia respiratoria o bien, a consecuencia de la afectación del miocardio, a insuficiencia cardíaca. En las fases preclí- nica y temprana de la enfermedad, la concentración sérica de creatincinasa es muy elevada (50-100 veces superior al límite alto de la normalidad) debido a que esta enzima es liberada a partir del músculo afectado. También se obser- va una afectación cerebral; en promedio, los niños mues- tran una disminución ligera del cociente intelectual (CI) de aproximadamente 20 puntos. Distrofia muscular de Becker. La distrofia muscular de Bec- ker (Becker muscular dystrophy) también se debe a muta- ciones en el gen de la distrofina, pero los alelos de la BMD dan lugar a un genotipo mucho más leve. Se establece el diagnóstico de BMD si los pacientes todavía pueden cami- nar a los 16 años de edad. Hay una variabilidad significa- tiva en la progresión de la enfermedad y algunos pacientes mantienen la capacidad para caminar durante muchos años. En general, los pacientes con BMD son portadores de alelos mutados que mantienen el marco de lectura de la proteí- nas y, así, expresan algo de distrofina, aunque a menudo esta proteína está alterada y aparece con niveles bajos. La presencia de distrofina en el músculo de los pacientes con BMD se puede demostrar generalmente mediante la técni- ca de inmunotransferencia Western (v. fig. 4-13) y mediante inmunofluorescencia (fig. 12-18; v. también fig. 7-16). Por el contrario, los pacientes con DMD muestran con las dos técnicas citadas una ausencia completa de distrofina o una cantidad muy escasa de dicha proteína. Genética de la distrofia muscular de Duchenne y de la distrofia muscular de Becker Herencia. La DMD presenta una incidencia de aproximada- mente un paciente por cada 3.300 recién nacidos vivos de sexo masculino, con una tasa de mutación calculada de 10–4 , es decir, un factor de 10 superior a la tasa observada en los genes afectados en la mayor parte del resto de enfermedades genéticas. De hecho, con una producción de aproximadamen- te 8 × 107 espermatozoides al día, un hombre normal produce un espermatozoide con una nueva mutación en el gen DMD Figura 12-17 ■ Seudohipertrofia de las pantorrillas debida a la sustitución del tejido muscular por tejidos conjuntivo y adiposo en un niño de 8 años con distrofia muscular de Duchenne. (Cortesía de R. H. A. Haslam, The Hospital for Sick Children, Toronto.)

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