Un gen modificador de enfermedad humana es un gen modificador [1] [2] que altera la expresión de un gen humano en otro locus que a su vez causa una enfermedad genética . Mientras que la genética médica ha tendido a distinguir entre rasgos monogénicos , regidos por herencia mendeliana simple , y rasgos cuantitativos, con causas acumulativas y multifactoriales , cada vez hay más evidencia que sugiere que las enfermedades humanas existen en un espectro continuo entre los dos. [3]
En el contexto de las enfermedades humanas, los términos "gen modificador" y " oligógeno " tienen significados similares, y la caracterización de un locus particular depende de la caracterización del fenotipo (efectos) que causa o modifica. El término "gen modificador" puede entenderse como un gen en el que la variación genética modifica los efectos de la mutación en un locus principal , pero no tiene ningún efecto sobre la condición normal, una condición que no necesariamente se cumple para las interacciones oligogénicas. [1] El estudio de las enfermedades que surgen de las interacciones entre genes es importante para comprender las bases genéticas de las enfermedades. Para estos fines, resulta útil el estudio tanto de genes modificadores como de oligogenes.
Las primeras teorías que establecieron la probable existencia de genes modificadores y las interacciones genéticas como determinantes de la variación fenotípica se originaron a partir de teorías de la evolución, en particular la evolución de la condición de dominancia alélica. Si bien muchos de los primeros teóricos perspicaces contribuyeron a la comprensión actual de los genes modificadores, aquí se destacan las teorías de Ronald A. Fisher , Sewall Wright y John BS Haldane . Fisher y Wright propusieron teorías algo opuestas sobre la evolución de la dominancia en 1928 y 1931 respectivamente. Ambos intentaron explicar la observación de que, abrumadoramente, los alelos de tipo salvaje eran dominantes en la mayoría de las mutaciones nocivas. [4] Sus teorías sobre la evolución de la dominancia tuvieron implicaciones de gran alcance para los campos de la evolución, la genética poblacional y cuantitativa y la bioquímica, y sentaron las bases iniciales de la comprensión actual de los genes modificadores de enfermedades humanas.
Fisher teorizó que, dado que las presiones selectivas negativas son más fuertes contra las mutaciones dominantes y perjudiciales, las mutaciones de novo que surgen son inicialmente codominantes , pero evolucionan hacia la recesividad a través de la acumulación de alelos modificadores en otros loci que atenúan los fenotipos desventajosos. [5] Citó experimentos de reproducción con capuchina y Drosophila , en los que se pierde un fenotipo mutante distinto con cruces sucesivos y se recupera con la endogamia de la descendencia. [6] Mediante el cruzamiento, argumentó, el criador selecciona factores modificadores que atenúan el fenotipo mutante, y mediante la endogamia y la limitación del acervo genético de los modificadores, se recupera la dominancia de la mutación. Es importante destacar que Fisher sostiene que "incluso en poblaciones pequeñas y aisladas, existe una variedad suficiente de factores modificadores" para observar esta evolución de la dominancia en una sucesión observable de generaciones. [6]
Wright cuestionó la teoría de Fisher y propuso que la dominancia de los alelos de tipo salvaje evoluciona no mediante la selección de modificadores, sino mediante la selección de márgenes fisiológicos en las vías bioquímicas, que a menudo les permite funcionar incluso con la aparición de mutaciones, por ejemplo en las enzimas componentes. Sostuvo que los efectos de la competencia y la deriva genética en poblaciones, limitadas en diversidad genética, superarían la débil presión de selección que actúa sobre los alelos modificadores con consecuencias fenotípicas nominales. [7] [4]
En última instancia, la explicación de Wright sobre la evolución de la dominancia obtuvo el mayor apoyo de bioquímicos y genetistas experimentales, y de teóricos posteriores, [8] [9] [10] pero fue la teoría de Fisher la que introdujo por primera vez el concepto de genes modificadores.
En el campo de los genes modificadores, las respuestas más importantes a la teoría de Fisher provinieron de Haldane. Haldane demostró que, contrariamente al argumento de Fisher, a pesar de una menor intensidad de selección para la dominancia en poblaciones autofecundadas, la dominancia es a menudo más común en especies de plantas endogámicas que en exógamas. [10] En 1941, Haldane aplicó el modelo genético de genes modificadores, que se originó a partir de teorías sobre la evolución de la dominancia, a la variación fenotípica de enfermedades en humanos. Analizó los datos recopilados por Julia Bell sobre la heredabilidad de varias enfermedades humanas con fenotipos cuantitativos, específicamente la variación en la edad de aparición. [11] A partir de estos datos, Haldane concluyó que no se podía demostrar que ningún factor fuera responsable de la variación fenotípica observada, en lo que se consideraban enfermedades monogénicas simples. Propuso una teoría muy simple, pero que hoy resulta operativa en el estudio de los trastornos genéticos humanos complejos y oligogénicos. Haldane propuso que existen tres posibles fuentes de variación fenotípica observada en rasgos monogénicos: [11]
Haldane proporcionó una base teórica fundamental para la existencia de genes modificadores. La evidencia experimental emergente ha fundamentado la probable existencia e importancia de genes modificadores de enfermedades genéticas humanas, y algunas enfermedades sirven como modelos para el curso de esta evidencia emergente.
La caracterización del trastorno metabólico, la fenilcetonuria (PKU), representa una progresión de un descubrimiento bioquímico inicial que informó los estudios genéticos y condujo a la comprensión de que la heterogeneidad genética dentro de un locus importante, y además de él, era responsable de la variación en los fenotipos clínicos. [3] En 1953, GA Jervis identificó un defecto en la enzima hepática fenilalanina hidroxilasa (PAH) como causa de la PKU. [12] Esto llevó a comprender que el metabolismo aberrante de la fenilalanina era responsable del fenotipo observado y al desarrollo de diagnósticos que miden los niveles de fenilalanina en sangre u orina. [13] Es importante destacar que el desarrollo del diagnóstico clínico facilitó una mejor caracterización de la variación fenotípica, lo que generó teorías de que la variación genética puede ser la base de estas observaciones. En 1983, Woo et al. mapeó y clonó ese gen PAH confirmando la heterogeneidad alélica teorizada. [14] Es importante destacar que con el tiempo se observó heterogeneidad fenotípica no explicada por la heterogeneidad alélica en el gen PAH y se caracterizaron nuevas mutaciones en el reciclaje de tetrahidrobiopterina, como lo hicieron Blau et al. en 1993. [15]
La investigación sobre la fibrosis quística (FQ) muestra una progresión desde la caracterización genética a la molecular del locus principal, CFTR. En 1985, el gen fue mapeado mediante análisis de ligamiento por Tsui et al., [16] y en 1989, el gen fue clonado por Riordan et al. [17] Cuando los análisis de la variación alélica en CFTR no fueron suficientes para producir correlaciones confiables entre genotipo y fenotipo o explicar la heterogeneidad fenotípica total en la FQ, se sospechó de la existencia de loci modificadores y los estudios de asociación, como los de Zielenski et al. en 1999, han identificado y caracterizado estos loci. [18]
La caracterización de los genes modificadores de enfermedades humanas y la herencia oligogénica es prometedora para comprender la abundancia de variación fenotípica en las enfermedades humanas, lo que plantea un gran desafío para las terapias que son individualmente efectivas. La caracterización de estos fenotipos y los genes responsables de ellos se ha basado en una combinación de técnicas moleculares típicamente utilizadas para caracterizar enfermedades monogénicas simples y métodos estadísticos, típicamente utilizados para caracterizar rasgos complejos . [3]
Comprender el mecanismo de los genes modificadores de enfermedades y la herencia oligogénica puede proporcionar conocimientos únicos sobre las funciones de las interacciones gen-gen que subyacen a las enfermedades humanas. Actualmente, se han establecido técnicas para la caracterización molecular de los mecanismos de las enfermedades para muchas enfermedades monogénicas, pero estos estudios no mejoran la comprensión de las interacciones genéticas y sus implicaciones fenotípicas. La metodología para estudiar rasgos complejos es principalmente estadística e involucra grandes poblaciones humanas en las que los modificadores genéticos no pueden manipularse experimentalmente. Así, en las poblaciones humanas las funciones de los modificadores genéticos a menudo se establecen mediante implicaciones estadísticas, sin evidencia de causalidad ni oportunidad de caracterización funcional. El estudio de los modificadores de enfermedades humanas y las enfermedades oligogénicas es un campo híbrido que puede brindar una visión única y completa de las causas mecanicistas complejas de las enfermedades humanas, necesarias para el desarrollo de terapias efectivas [3].
Caracterizar las complejas interacciones multigénicas responsables de las enfermedades (y, además, desarrollar terapias efectivas) es extremadamente difícil, y se han dilucidado los mecanismos moleculares de pocas enfermedades oligogénicas. La retinitis pigmentosa es una enfermedad para la cual se identifican los genes responsables de la variación fenotípica y se caracterizan los mecanismos moleculares mediante los cuales interactúan. [3] Se han encontrado mutaciones en el gen RDS humano que reducen la formación de homodímeros de proteínas Rds-Rds funcionales y, con herencia digénica de la mutación en ROM1, previenen la tetramerización de los homodímeros Rds-Rds y Rom1-Rom1. En la condición de doble mutante, la dosis del complejo tetramérico funcional se reduce lo suficiente como para causar RP. [19] [20]
A falta del desafío de comprender a fondo las bases moleculares de enfermedades complejas, el estudio de genes modificadores y oligogenes puede mejorar los diagnósticos y pronósticos clínicos, al mejorar de forma combinatoria la precisión de las correlaciones genotipo-fenotipo y pasar de la dependencia clínica de los datos epidemiológicos a la genética y la información específicas del paciente. datos biológicos. En última instancia, desarrollar terapias para enfermedades humanas basadas en la comprensión de sus mecanismos moleculares es un desafío. En el caso de que las interacciones multigénicas den lugar a una enfermedad, se deben tomar una serie de pasos metodológicos exhaustivos para determinar estos mecanismos.
Para el caso común en el que un locus importante está causalmente asociado con la enfermedad, pero existe una variación fenotípica considerable e inexplicable, este proceso de descubrimiento generalmente comienza con el establecimiento de la heredabilidad del fenotipo de la enfermedad y la probabilidad razonable de que los genes modificadores contribuyan al fenotipo observado. variación. El proceso continúa con la identificación de loci modificadores y la determinación funcional de los mecanismos de sus interacciones con otros genes que causan enfermedades, y culmina con el descubrimiento y desarrollo de terapias efectivas para las enfermedades, informadas por la comprensión mecanicista de las funciones de los genes modificadores. Para los investigadores expertos que utilizan técnicas modernas, cada paso en este proceso de curación de enfermedades genéticas humanas mediante el estudio de las interacciones de los genes modificadores plantea grandes desafíos.
Caracterizar las interacciones de los genes modificadores puede no ser el método más sencillo para curar una enfermedad. Esto es ciertamente cierto en el caso de que los genes modificadores no existan o no contribuyan funcionalmente al fenotipo de la enfermedad de interés. Por lo tanto, el primer paso para establecer la probabilidad de que los genes modificadores realmente existan y contribuyan a la variación observada es crucial para el proceso de investigación descrito. Por lo general, esto se hace eliminando otras fuentes de heterogeneidad como causas probables de la variación fenotípica en la enfermedad de interés. Recordando el modelo de Haldane, estas fuentes de heterogeneidad genética se clasifican generalmente como 1) variación genética en el locus principal, 2) otras fuentes de heterogeneidad genética, que incluyen, entre otros, genes modificadores, y 3) influencias ambientales. [11]
Para el estudio eficaz de las bases moleculares de las enfermedades genéticas humanas a través de modificadores genéticos es crucial establecer en primer lugar que la variación clínica en el fenotipo no puede explicarse de otro modo por factores como la heterogeneidad de los locus principales o las influencias ambientales. Los métodos para establecer la heredabilidad de enfermedades atribuibles a genes modificadores se pueden clasificar en estudios familiares y estudios de población completa.
Los estudios familiares de variación fenotípica y heredabilidad para establecer la existencia de loci modificadores se basaron en principios fundamentales. Si la heterogeneidad en los loci modificadores subyace a la variación fenotípica observada, entonces, en general, cuanto más similares sean sus antecedentes genéticos, más similares serán sus fenotipos. Por tanto, la variación fenotípica interfamiliar será mayor que la variación intrafamiliar. [1] Los investigadores utilizan estudios de hermanos y gemelos , por ejemplo, para estimar la heredabilidad de un fenotipo, controlando las fuentes de variación como la heterogeneidad del locus principal y la influencia ambiental. En uno de esos ejemplos, Vanscoy et al. compare la función pulmonar entre pares de gemelos monocigóticos y dicigóticos, así como entre hermanos con fibrosis quística (FQ). Al comparar las correlaciones de fenotipo entre parientes, estiman, utilizando varios modelos, factores de heredabilidad de la función pulmonar, todos mayores que 0,5, después de corregir la variación en el genotipo del locus principal (CFTR) y otras fuentes de variación, [21] y esta importante proporción de fuentes de variación invita a realizar más estudios para caracterizar estos factores.
Los enfoques de toda la población son otro método importante para demostrar la probabilidad de interacciones de genes modificadores. Estos enfoques suelen implicar modelos estadísticos más complejos, pero en última instancia cumplen el mismo propósito de los estudios familiares, al controlar las fuentes de variación fenotípica en las poblaciones de enfermedades para estimar el grado de heredabilidad residual atribuible a los loci modificadores. Wexler y cols. Utilice estos métodos en una muestra de aproximadamente 4.000 pacientes con enfermedad de Huntington (EH) de una de las poblaciones mejor caracterizadas del mundo en Venezuela para estimar que alrededor del 40% de la variación residual en la edad de aparición es atribuible a loci genéticos no identificados, aparte del locus de la EH. . [22]
Quizás lo más obviamente importante para comprender el papel de los loci modificadores en la causa de enfermedades genéticas humanas sea identificarlos. El tamaño y la complejidad del genoma humano hacen que ésta sea una tarea desafiante. Los métodos para identificar loci modificadores se pueden clasificar en tres enfoques principales: correlaciones genotipo-fenotipo, estudios de ligamiento y asociación, y análisis fenotípicos experimentales en modelos animales. [3]
Comúnmente, la especulación sobre la responsabilidad de los loci modificadores en la variación fenotípica de la enfermedad humana surge de observaciones de correlaciones genotipo-fenotipo que se desvían de la herencia mendeliana simple de mutaciones en un solo locus. El síndrome de Bardet-Biedl (BBS) es un ejemplo de ello. BBS es un trastorno genéticamente heterogéneo con al menos 6 loci causantes conocidos. Inicialmente se pensó que la herencia recesiva de mutaciones en cualquiera de estos loci causaba la enfermedad, pero una vez que se clonó el primer gen BBS, BBS6, el análisis mutacional y de haplotipos reveló que algunas mutaciones no se ajustaban a la transmisión recesiva monogénica esperada. [3] Katsanis, et al. fueron los primeros en demostrar el fenómeno de la herencia "trialélica", una forma de herencia digénica, del BBS, que inicialmente parecía transmitirse de forma recesiva. Con el genotipado de 163 pedigríes de BBS, demostraron que la manifestación de la enfermedad probablemente requiere la presencia de tres alelos mutantes, incluidos aquellos en BBS2, BBS6 y posiblemente en otros loci [23] e identificaron un mecanismo digénico de herencia en lo que anteriormente era Se considera un trastorno mendeliano simple.
El análisis de ligamiento genético y los estudios de asociación son métodos ampliamente utilizados para identificar loci modificadores. La llegada de nuevos marcadores genéticos y métodos de genotipado automatizados ha dado lugar a una gran diversidad en las aplicaciones de estos estudios. [24] Las metodologías comunes utilizadas para identificar loci modificadores de enfermedades humanas incluyen análisis de ligamiento en familias, estudios de asociación de candidatos y estudios de asociación de todo el genoma.
En un ejemplo de un estudio de vínculo familiar, el genotipado y el análisis de vínculo realizados en una población de 197 pares de hermanos y sus padres identificaron un único gen modificador responsable del íleo meconial, un fenotipo de obstrucción intestinal detectado en un subconjunto de pacientes con FQ. [18] Su estudio proporciona un ejemplo de la utilidad y viabilidad del análisis de ligamiento para identificar loci modificadores, mediante genotipado simple y análisis de ligamiento, especialmente cuando los fenotipos en estudio son binarios y se puede probar un subconjunto de marcadores candidatos.
Los estudios de asociaciones, los enfoques de candidatos con información biológica o de todo el genoma también pueden revelar loci modificadores. Para identificar los genes responsables de la enfermedad, los estudios de asociación suelen comparar poblaciones de casos y controles con y sin indicaciones fenotípicas de la enfermedad de interés, respectivamente. Para identificar loci modificadores de enfermedades de interés, para los cuales comúnmente se establecen loci principales causativos, los investigadores consideran una población compuesta únicamente por individuos afectados por la enfermedad. La distribución del genotipo marcador se compara en pacientes con y sin fenotipos de interés "modificados" para detectar marcadores en desequilibrio de ligamiento con posibles loci modificadores. [25] [26] [27] Los estudios de asociación para detectar marcadores vinculados a loci modificadores requieren poblaciones grandes y mapas densos de marcadores genómicos, especialmente para detectar marcadores de efectos sutiles sobre fenotipos cuya cuantificación o dicotomización puede ser un desafío. Dado que estos tipos de estudios de asociación se limitan a poblaciones de pacientes afectados por una enfermedad, un desafío principal es recolectar una población considerable que le dé al estudio suficiente poder estadístico. [1] Si bien los enfoques de todo el genoma para los estudios de asociación son sistemáticos y completos, los enfoques candidatos ahorran al investigador parte del rigor de los análisis estadísticos, por ejemplo, reduciendo la necesidad de múltiples correcciones de pruebas, pero requieren una selección informada de los candidatos. [1]
Milet et al. realizaron un estudio de asociación de candidatos para modificadores de la hemocromatosis genética (GH), para explicar su penetrancia variable. Cuando la mayoría de los casos de GH son causados por mutaciones en el gen HFE, se centran en genes en dos vías candidatas, los implicados en la GH no HFE y los implicados en la expresión de la hormona de almacenamiento de hierro hepcidina, y encuentran evidencia de que varios SNP comunes en estos candidatos modifican los niveles de ferritina sérica. [25] Los loci modificadores identificados han establecido funciones en el metabolismo del hierro y, con una interpretación muy simple, sus resultados sugieren vías futuras para el estudio funcional, un corolario de su enfoque candidato informado.
Corvol et al. realizaron un estudio de asociación de todo el genoma para identificar modificadores de la enfermedad pulmonar por FQ, identificando cinco loci asociados. Sus métodos ejemplifican el gran tamaño de muestra necesario para realizar un análisis estadísticamente potente capaz de identificar loci de efectos relativamente pequeños. Para obtener una población grande, de 6.365 pacientes, combinan datos sobre sujetos nuevos y previamente informados y utilizan modelos lineales mixtos que permiten la inclusión de hermanos afectados. [27] El Consorcio de Modificadores Genéticos de la Enfermedad de Huntington (GeM-HD) llevó a cabo un estudio similar de asociación de todo el genoma, el primero en demostrar loci modificadores que modulan la edad de aparición del fenotipo en la enfermedad de Huntington (EH). Sus análisis se realizaron en una población de 1.089 individuos afectados por la EH, cuyas muestras genéticas se recogieron durante un período de casi 30 años. [26]
Las correlaciones genotipo-fenotipo y los análisis de ligamiento y asociación en humanos pueden identificar eficazmente genes modificadores con apoyo estadístico, pero no establecen efectos funcionales o causales de los genes modificadores. Si bien los antecedentes genéticos no pueden manipularse experimentalmente en poblaciones humanas, la expresión transgénica de genes modificadores en modelos animales se ha utilizado eficazmente para demostrar que la variación en loci específicos puede causar variación fenotípica. Por ejemplo, Ikeda et al. establecieron que moth1 es un gen modificador del gen tub, cuyas mutaciones provocan obesidad, degeneración de la retina y pérdida de audición en ratones regordetes. [28] [3] En la forma natural, la proteína Mtap1a, codificada por moth1 expresada neuronalmente, protege contra la pérdida auditiva. Ikeda et al. demostraron, mediante expresión transgénica en ratones, que los polimorfismos de secuencia en Mtap1a son cruciales para causar el fenotipo de pérdida auditiva asociado con la mutación del gen tub. [28]
La variación inexplicable en el fenotipo de las enfermedades humanas es una cuestión compleja, y con metodologías establecidas para identificar y caracterizar genes modificadores, resulta tentador buscarlas como explicación, con el potencial de conducir a una mejor comprensión de los mecanismos biológicos de las enfermedades, como por ejemplo mediante interacciones caracterizadas entre productos genéticos. [1]
Pero identificar nuevos loci modificadores es un desafío, y lo es aún más, a medida que las variantes más fácilmente detectables con los métodos actuales se identifican y caracterizan cada vez más. Aún así, para la mayoría de las enfermedades genéticas humanas, menos del 20% de la heredabilidad se explica por variantes conocidas. [29] Algunos argumentan que la heredabilidad inexplicable puede deberse a muchas variantes raras, que los estudios de asociación típicos no están diseñados para detectar, o a una variación genética estructural . Aunque la desafiante identificación de nuevas variantes genéticas puede no ser el enfoque más eficiente para desarrollar medicamentos basados en mecanismos, puede conducir al desarrollo de estrategias de intervención, evaluaciones de riesgos y pronósticos más seguros, individualizados y efectivos. [30]
Zuk et al. Sostienen que la investigación biomédica debería centrarse en la interacción de los mecanismos moleculares de las variantes genéticas ya descubiertas. Argumentan que las interacciones genéticas son comunes. Las estimaciones ampliamente utilizadas de heredabilidad en sentido estricto, la relación entre la varianza genética aditiva (calculada a partir de los efectos medidos de variantes conocidas) y la varianza fenotípica total (inferida de datos de población) suponen efectos aditivos en los efectos de heredabilidad de las variantes. Para la mayoría de los rasgos humanos, esta fracción se mantiene por debajo de 0,2. Argumentan que la suposición de que los efectos de la heredabilidad son aditivos sobreestima la heredabilidad atribuible a todas las variaciones genéticas subyacentes a la enfermedad y, por lo tanto, subestima la fracción de heredabilidad atribuible a las ya descubiertas. Por lo tanto, argumentan, la investigación debería centrarse en las bases moleculares de variantes ya descubiertas, ya que las estimaciones de las fuentes de heredabilidad descubiertas son erróneas y no hay evidencia suficiente de que existan modificadores genéticos no descubiertos. Además, "la proporción de variación fenotípica explicada por una variante en la población humana es un predictor notoriamente pobre de la importancia del gen para la biología o la medicina", y las terapias efectivas pueden apuntar a productos de genes que explican muy poco de los cambios clínicamente observados. variación en el fenotipo. [29]