Una mutación de la línea germinal , o mutación germinal , es cualquier variación detectable dentro de las células germinales (células que, cuando están completamente desarrolladas, se convierten en espermatozoides y óvulos ). [1] Las mutaciones en estas células son las únicas mutaciones que se pueden transmitir a la descendencia, cuando un espermatozoide o un ovocito mutado se unen para formar un cigoto . [2] Después de que ocurre este evento de fertilización, las células germinales se dividen rápidamente para producir todas las células del cuerpo, lo que hace que esta mutación esté presente en cada célula somática y de la línea germinal en la descendencia; esto también se conoce como mutación constitucional. [2] La mutación de la línea germinal es distinta de la mutación somática .
Las mutaciones de la línea germinal pueden ser causadas por una variedad de factores endógenos (internos) y exógenos (externos), y pueden ocurrir durante todo el desarrollo del cigoto. [3] Una mutación que surge solo en las células germinales puede dar lugar a una descendencia con una condición genética que no está presente en ninguno de los padres; esto se debe a que la mutación no está presente en el resto del cuerpo de los padres, solo en la línea germinal. [3]
Las mutaciones de la línea germinal pueden ocurrir antes de la fertilización y durante varias etapas del desarrollo del cigoto. [3] El momento en que surge la mutación determinará el efecto que tiene sobre la descendencia. Si la mutación surge en el espermatozoide o en el ovocito antes del desarrollo, entonces la mutación estará presente en cada célula del cuerpo del individuo. [4] Una mutación que surge poco después de la fertilización, pero antes de que se determinen las células de la línea germinal y somáticas, entonces la mutación estará presente en una gran proporción de las células del individuo sin sesgo hacia las células de la línea germinal o somáticas, esto también se llama mutación gonosómica. [4] Una mutación que surge más tarde en el desarrollo del cigoto estará presente en un pequeño subconjunto de células somáticas o de la línea germinal, pero no en ambas. [3] [4]
Una mutación de la línea germinal a menudo surge debido a factores endógenos , como errores en la replicación celular y daño oxidativo. [5] Este daño rara vez se repara de manera imperfecta, pero debido a la alta tasa de división de células germinales, puede ocurrir con frecuencia. [5]
Las mutaciones endógenas son más prominentes en los espermatozoides que en los óvulos. [6] Esto se debe a que los espermatocitos pasan por un mayor número de divisiones celulares a lo largo de la vida de un macho, lo que resulta en más ciclos de replicación que podrían resultar en una mutación del ADN. [5] También ocurren errores en el óvulo materno, pero a una tasa menor que en el esperma paterno. [5] Los tipos de mutaciones que ocurren también tienden a variar entre los sexos. [7] Los óvulos de una madre, después de la producción, permanecen en estasis hasta que cada uno se utiliza en la ovulación. Se ha demostrado que este largo período de estasis resulta en un mayor número de deleciones, duplicaciones, inserciones y transversiones cromosómicas y de secuencias grandes. [7] El esperma del padre, por otro lado, experimenta una replicación continua a lo largo de su vida, lo que resulta en muchas mutaciones puntuales pequeñas que resultan de errores en la replicación. Estas mutaciones comúnmente incluyen sustituciones, deleciones e inserciones de un solo par de bases. [6]
El daño oxidativo es otro factor endógeno que puede causar mutaciones en la línea germinal. Este tipo de daño es causado por especies reactivas de oxígeno que se acumulan en la célula como subproducto de la respiración celular . [8] A estas especies reactivas de oxígeno les falta un electrón y, debido a que son altamente electronegativas (tienen una fuerte atracción de electrones), arrancarán un electrón de otra molécula. [8] Esto puede iniciar el daño del ADN porque hace que el ácido nucleico guanina se convierta en 8-oxoguanina (8-oxoG). Esta molécula de 8-oxoG luego es confundida con una timina por la ADN polimerasa durante la replicación, lo que causa una transversión G>T en una cadena de ADN y una transversión C>A en la otra. [9]
En ratones y humanos, la tasa de mutación espontánea en la línea germinal masculina es significativamente menor que en las células somáticas . [10] Además, aunque la tasa de mutación espontánea en la línea germinal masculina aumenta con la edad, la tasa de aumento es menor que en los tejidos somáticos. Dentro de la población de células madre espermatogoniales testiculares, la integridad del ADN parece mantenerse mediante una vigilancia altamente efectiva del daño del ADN y procesos protectores de reparación del ADN . [10] El aumento progresivo de la tasa de mutación con la edad en la línea germinal masculina puede ser el resultado de una disminución en la precisión de la reparación de los daños del ADN o de un aumento de los errores de replicación del ADN . Una vez que se completa la espermatogénesis , los espermatozoides diferenciados que se forman ya no tienen la capacidad de reparar el ADN y, por lo tanto, son vulnerables al ataque de los radicales libres oxidativos predominantes que causan daño oxidativo al ADN. Dichos espermatozoides dañados pueden sufrir muerte celular programada ( apoptosis ). [10]
Una mutación de la línea germinal también puede ocurrir debido a factores exógenos . De manera similar a las mutaciones somáticas, las mutaciones de la línea germinal pueden ser causadas por la exposición a sustancias nocivas, que dañan el ADN de las células germinales. Este daño puede entonces ser reparado perfectamente, y no habrá mutaciones presentes, o ser reparado imperfectamente, dando como resultado una variedad de mutaciones. [11] Los mutágenos exógenos incluyen sustancias químicas nocivas y radiación ionizante ; la principal diferencia entre las mutaciones de la línea germinal y las mutaciones somáticas es que las células germinales no están expuestas a la radiación UV y, por lo tanto, no suelen mutar directamente de esta manera. [12] [13]
Diferentes mutaciones de la línea germinal pueden afectar a un individuo de manera diferente dependiendo del resto de su genoma. Una mutación dominante solo requiere un único gen mutado para producir el fenotipo de la enfermedad , mientras que una mutación recesiva requiere que ambos alelos estén mutados para producir el fenotipo de la enfermedad. [14] Por ejemplo, si el embrión hereda un alelo ya mutado del padre, y el mismo alelo de la madre sufrió una mutación endógena, entonces el niño mostrará la enfermedad relacionada con ese gen mutado, aunque solo uno de los padres sea portador del alelo mutante. [14] Este es solo un ejemplo de cómo un niño puede mostrar una enfermedad recesiva mientras que un gen mutante solo es portador por uno de los padres. [14] La detección de anomalías cromosómicas se puede encontrar en el útero para ciertas enfermedades por medio de muestras de sangre o ecografía, así como procedimientos invasivos como una amniocentesis . La detección posterior se puede encontrar mediante el cribado del genoma.
Las mutaciones en genes supresores de tumores o protooncogenes pueden predisponer a un individuo a desarrollar tumores. [15] Se estima que las mutaciones genéticas hereditarias están involucradas en el 5-10% de los cánceres. [16] Estas mutaciones hacen que una persona sea susceptible al desarrollo de tumores si la otra copia del oncogén muta aleatoriamente. Estas mutaciones pueden ocurrir en células germinales, lo que les permite ser hereditarias . [15] Las personas que heredan mutaciones de la línea germinal en TP53 están predispuestas a ciertas variantes de cáncer porque la proteína producida por este gen suprime los tumores. Los pacientes con esta mutación también corren el riesgo de padecer el síndrome de Li-Fraumeni . [16] Otros ejemplos incluyen mutaciones en los genes BRCA1 y BRCA2 que predisponen al cáncer de mama y de ovario, o mutaciones en MLH1 que predisponen al cáncer colorrectal hereditario sin poliposis .
La enfermedad de Huntington es una mutación autosómica dominante en el gen HTT. El trastorno causa degradación en el cerebro, lo que resulta en movimientos y comportamientos incontrolables. [17] La mutación implica una expansión de repeticiones en la proteína Huntington, lo que hace que aumente de tamaño. Los pacientes que tienen más de 40 repeticiones probablemente se verán afectados. El inicio de la enfermedad está determinado por la cantidad de repeticiones presentes en la mutación; cuanto mayor sea el número de repeticiones, más temprano aparecerán los síntomas de la enfermedad. [17] [18] Debido a la naturaleza dominante de la mutación, solo se necesita un alelo mutado para que la enfermedad esté en vigor. Esto significa que si uno de los padres está afectado, el niño tendrá un 50% de posibilidades de heredar la enfermedad. [19] Esta enfermedad no tiene portadores porque si un paciente tiene una mutación, (lo más probable) será afectado. La enfermedad generalmente tiene un inicio tardío, por lo que muchos padres tienen hijos antes de saber que tienen la mutación. La mutación HTT se puede detectar a través del cribado genómico .
La trisomía 21 (también conocida como síndrome de Down ) es el resultado de que un niño tenga tres copias del cromosoma 21. [20] Esta duplicación cromosómica ocurre durante la formación de células germinales, cuando ambas copias del cromosoma 21 terminan en la misma célula hija en la madre o el padre, y esta célula germinal mutante participa en la fertilización del cigoto. [20] Otra forma más común en que esto puede ocurrir es durante el primer evento de división celular después de la formación del cigoto. [20] El riesgo de trisomía 21 aumenta con la edad materna, siendo el riesgo de 1/2000 (0,05 %) a los 20 años y aumentando a 1/100 (1 %) a los 40 años. [21] Esta enfermedad se puede detectar mediante procedimientos invasivos y no invasivos de forma prenatal. Los procedimientos no invasivos incluyen la exploración del ADN fetal a través del plasma materno mediante una muestra de sangre. [22]
La fibrosis quística es un trastorno autosómico recesivo que causa una variedad de síntomas y complicaciones, el más común de los cuales es un revestimiento mucoso grueso en el tejido epitelial pulmonar debido al intercambio inadecuado de sal, pero también puede afectar al páncreas , intestinos , hígado y riñones . [23] [24] Muchos procesos corporales pueden verse afectados debido a la naturaleza hereditaria de esta enfermedad; si la enfermedad está presente en el ADN tanto del esperma como del óvulo, entonces estará presente en esencialmente todas las células y órganos del cuerpo; estas mutaciones pueden ocurrir inicialmente en las células de la línea germinal, o estar presentes en todas las células parentales. [23] La mutación más común observada en esta enfermedad es ΔF508, que significa una eliminación del aminoácido en la posición 508. [25] Si ambos padres tienen una proteína CFTR (regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística) mutada, entonces sus hijos tienen un 25% de heredar la enfermedad. [23] Si un niño tiene una copia mutada del gen CFTR, no desarrollará la enfermedad, pero se convertirá en portador de la misma. [23] La mutación se puede detectar antes del nacimiento mediante una amniocentesis, o después del nacimiento mediante un examen genético prenatal. [26]
Muchos trastornos mendelianos se originan a partir de mutaciones puntuales dominantes dentro de los genes, incluyendo la fibrosis quística , la beta-talasemia , la anemia de células falciformes y la enfermedad de Tay-Sachs . [14] Al inducir una ruptura de doble cadena en las secuencias que rodean la mutación puntual que causa la enfermedad, una célula en división puede usar la cadena no mutada como plantilla para reparar la cadena de ADN recién rota, deshaciéndose de la mutación que causa la enfermedad. [27] Se han utilizado muchas técnicas diferentes de edición del genoma para la edición del genoma, y especialmente la edición de mutaciones de la línea germinal en células germinales y cigotos en desarrollo; sin embargo, si bien estas terapias se han estudiado ampliamente, su uso en la edición de la línea germinal humana es limitado. [28]
Este sistema de edición induce una rotura de doble cadena en el ADN, utilizando un ARN guía y la proteína efectora Cas9 para romper las cadenas principales del ADN en secuencias objetivo específicas. [27] Este sistema ha demostrado una mayor especificidad que las TALEN o las ZFN debido a que la proteína Cas9 contiene secuencias homólogas (complementarias) a las secciones de ADN que rodean el sitio a escindir. [27] Esta cadena rota se puede reparar de dos formas principales: reparación dirigida homóloga (HDR) si hay una cadena de ADN presente para ser utilizada como plantilla (ya sea homóloga o donante), y si no hay ninguna, entonces la secuencia sufrirá una unión de extremos no homólogos (NHEJ). [27] La NHEJ a menudo da como resultado inserciones o deleciones dentro del gen de interés, debido al procesamiento de los extremos romos de la cadena, y es una forma de estudiar los knockouts de genes en un entorno de laboratorio. [29] Este método se puede utilizar para reparar una mutación puntual utilizando el cromosoma hermano como plantilla, o proporcionando una plantilla de ADN bicatenario con la maquinaria CRISPR /Cas9 para utilizarla como plantilla de reparación. [27]
Este método se ha utilizado tanto en modelos humanos como animales ( Drosophila , Mus musculus y Arabidopsis ) , y la investigación actual se centra en hacer que este sistema sea más específico para minimizar los sitios de escisión fuera del objetivo. [30]
El sistema de edición genómica TALEN (nucleasas efectoras similares a activadores de la transcripción) se utiliza para inducir una rotura de ADN de doble cadena en un locus específico del genoma, que luego se puede utilizar para mutar o reparar la secuencia de ADN. [31] Funciona mediante el uso de una secuencia repetida específica de un aminoácido que tiene una longitud de 33-34 aminoácidos. [31] La especificidad del sitio de unión del ADN está determinada por los aminoácidos específicos en las posiciones 12 y 13 (también llamados Diresiduo Variable Repetido (RVD)) de esta repetición en tándem, y algunos RVD muestran una mayor especificidad para aminoácidos específicos que otros. [32] Una vez que se inicia la rotura del ADN, los extremos se pueden unir con NHEJ que induce mutaciones o con HDR que puede reparar mutaciones. [27]
De manera similar a las TALEN, las nucleasas de dedos de zinc (ZFN) se utilizan para crear una ruptura de doble cadena en el ADN en un locus específico del genoma. [31] El complejo de edición ZFN consta de una proteína de dedos de zinc (ZFP) y un dominio de escisión de enzima de restricción. [33] El dominio ZNP se puede alterar para cambiar la secuencia de ADN que corta la enzima de restricción , y este evento de escisión inicia procesos de reparación celular, similares a los de la edición de ADN CRISPR/Cas9. [33]
En comparación con CRISPR/Cas9, las aplicaciones terapéuticas de esta tecnología son limitadas, debido a la extensa ingeniería requerida para hacer que cada ZFN sea específica para la secuencia deseada. [33]