Eduardo Tizzano Departmento de Genética Hospital Sant Pau, Barcelona

1. Genes modificadores en enfermedades monogénicas: la hemofilia y la atrofia muscular espinal como ejemplos TRANSFORMANDO LAS ENFERMEDADES MONOGENICAS EN COMPLEJAS Eduardo Tizzano Departmento de Genética Hospital Sant Pau, Barcelona

2. TIPOS DE ENFERMEDAD GENETICA MONOGENICAS PRODUCIDAS POR LA MUTACIÓN EN UN GEN MAYOR NUCLEO MITOCONDRIAS CROMOSOMICAS EXCESO O DÈFICIT DE GENES CONTENIDOS EN UN SEGMENTO O TODO UN CROMOSOMA MULTIFACTORIALES RESULTADO DE LA COMBINACION DEL EFECTO DE GENES Y EL MEDIO AMBIENTE

3. MONOGENICOS GEN mRNA PROTEINA FENOTIPO

4. Enfermedades Genéticas Monogénicas o Mendelianas Patrones de herencia Autosómica Dominante Autosómico Recesivo Ligada al X

5. MULTIFACTORIALES Varios genes Medio ambiente Medio ambiente Varios RNA Varias PROTEINAS FENOTIPO

7. ORGANISM SYSTEM ORGAN TISSUE CELL GENE

8. ¿CUÁNDO SOSPECHAR LA INFLUENCIA DE GENES MODIFICADORES EN UNA ENFERMEDAD MONOGÉNICA? Cuando el genotipo por sí solo no explica los cambios en el fenotipo, es decir correlación genotipo-fenotipo incompleta. Cuando el efecto del medio ambiente sobre ese fenotipo no es claro o determinante. Es decir, casi siempre.

9. EL EFECTO FINAL DE UN GEN ESTA INFLUENCIADO POR Secuencia del gen o su RNA Factores EPIGENETICOS METABOLISMO Y DEGRADACION DE LA PROTEINA GENES MODIFICADORES FACTORES AMBIENTALES

10. Hemofilias • Déficit de factor VIII (HA) y IX (HB) • Ambos genes localizados en el brazo largo del cromosoma X • Grave (0-1%), moderada (2-5%), leve (5-30%) de acuerdo a los niveles de actividad de los respectivos factores

11. Hemofilias • Mas de la mitad de los pacientes con HA grave tienen rearreglos estructurales (inversiones intron 22 e intron 1) • En el resto se han descrito más de 500 mutaciones diferentes • En la hemofilia B no se han descubierto mutaciones recurrentes como las inversiones de la hemofilia A

12. GEN INTACTO Exón 26 Exón 1 GRAN DELECION (EXON 14) Exón 1 Exón 13 Exón 15 Exón 26 INVERSION INTRON 22 Exón 23 Exón 26 Exón 22 Exón 1 INVERSION INTRON 1 Exón 26 Exón 1 Exón 2

13. Cuadro clínico de la Hemofilia A Clasificación Valor del FcVIII Cuadro Clínico Frecuencia Hemorragia espontánea desde la infancia. 1% del normal 60% GRAVE Hemartrosis recurrente. mL 0,01 U/ Hematomas gigantes. Hemorragias secundarias 2 a 5% del normal a traumatismos. 15% MODERADO Hemartrosis ocasional. 0,01-0,05 U/ mL Hematomas rara vez. 6 a 30% del Hemorragias secundarias a traumatismos graves o cirugía normal 25% LEVE 0,05-0,4 U/ mL

14. EPISODIOS DE HEMORRAGIAS CONSUMO DE FACTORES DE REEMPLAZO NUMERO DE ARTROPATIAS

15. Observaciones • En los hemofílicos graves se pensó que sangraban de manera diferente por el tipo de mutación en el factor VIII • Posteriormente se observó que los pacientes con inversiones también sangraban de maneras diferentes

16. TFPI TF + VIIa II VIIIa Va X Xa Va IIa XI IX IIa XIIa X XIa VIIIa IXa VIIa Va AT IIa Xa PC Thrombus Haemostatic clot Initial reaction Spread stage

17. FVL • Gen del Factor V en el cromosoma 1 • Sustitución de una G  A en nucleótido 1691  Arginina506Glutamina (FVLeiden) • Para la inactivación eficaz del factor V por la proteína C activada, es necesario una arginina en la posición 509. • El FVL se considera uno de los factores genéticos mas frecuentes de riesgo para padecer trombofilia.

18. PT20210A • Gen de la Protrombina en el cromosoma 11 20210 GA (región 3´ no traducida). • Los portadores de esta variante tienen niveles elevados de protrombina en plasma incrementando 3 veces el factor de riesgo para trombofilia. No está claro si aumenta la transcripción, la estabilidad o la eficiencia de traducción a proteína. • Constituye el factor genético mas prevalente de tromboembolismo venoso en población española (Souto et al, Thromb Haemost 1998).

19. Observaciones • El déficit de factor VIII y XI combinados puede ocasionar mayor gravedad que cada una de ellas por separado (Berg et al. Blood Coag Fibrin, 1994) • La presencia de factor V Leiden (FVL) y déficit de proteína C combinados cursa con mayor riesgo de trombosis que cada una de ellas por separado(Koleman et al. Blood, 1994)

20. HIPOTESIS: Pacientes afectados de una coagulopatía congénita pueden variar sus manifestaciones por influencia de genes de trombosis.

21. Inversión + PT20210A n=5 edad promedio=30 ES=hasta 5 (p=0.008) CFcVIII=15400 U/año (+/- 18105) (p=0.016) Artropatías=<4 (p<0.0005) Inversión - PT20210A n=11 edad promedio=32 ES=mas de 6 (excepto 1 caso con <5) CFcVIII=90636 U/año (+/- 49515) Artropatías=4 o mas Resultados

22. GEN Conclusiones MODIFICADORES • En el estado actual de conocimientos, cabe considerar a las hemofilia A y B (y otras coagulopatías hereditarias) como la consecuencia de una mutación en un gen determinante, responsable primario de la patogénesis de la enfermedad y el efecto de genes modificadores independientes que pueden influenciar el fenotipo. FENOTIPO MODIFICADORES

23. Conclusiones • El FVL y la PT20210A parecen ser los primeros (la punta del iceberg) de una larga lista de factores genéticos que deberán ser investigados para que puedan ser aplicados posteriormente a la elaboración de perfiles de susceptibilidad

24. PT20210A FVL ????? Protein C Proten S Antithrombin III Factor XI Factor XII

27. ASTA ANTERIOR de la médula espinal Neurona motora Aspecto de las neuronas motoras postnatales normales Aspecto de las neuronas motoras postnatales en la AME

28. ATROFIA MUSCULAR ESPINAL (AME) • La pérdida y degeneración de las neuronas motoras del la médula espinal hacen que el músculo pierda la inervación y se atrofie. • El gen que falta o está alterado se denomima Survival Motor Neuron (SMN) y se identificó en 1995.

29. A SMN 2 SMN 1 SMN 2 SMN 1 Individuo no afectado con cuatro copias de gen SMN (2 de SMN1 y dos de SMN2) SMN 2 SMN 1 B SMN 2 Individuo portador con una copia de gen SMN 1 y dos de SMN2 SMN 2 C SMN 2 Individuo afectado con ninguna copia de SMN1 y dos de SMN2

30. TIPO III - Kugelberg -Welander TIPO II Intermedia TIPO II - Intermedia TIPO I Werdnig-Hoffmann Nacimiento 18 meses VIDA ADULTA 6meses 2-3 años

31. SMN1 SMN2 DNA

32. SMA patients have one or more SMN2 genes which modulate the disease severity SMN 2 SMN 2 I SMN 2 No patient was described with total absence of the SMN genes

33. SMN 2 SMN 2 SMN 2 II / III SMN 2 SMN 2 SMN 2 SMN 2

34. Five nucleotides differences between SMN1 and SMN2 SMN 1 Exon 7 Exon 8 Intron 6 Intron 7 G C A A G SMN 2 Exon 7 Exon 8 Intron 6 Intron 7 A T G G A

35. ADN SMN 2 SMN 1 INTRONES EXONES ARN mensajero PROTEINA SMN2 (sin exon 7) parcialmente funcionante PROTEINA SMN1 (completa) totalmente funcionante

36. 1 Copia 2 Copias 4 Copias 3 Copias Efecto de la dosis del gen SMN2 Determinar la correlación entre el número de copias del gen SMN2 y el fenotipo : 16 tipo I 87.5% tienen 1 o 2 copias, mayoría 2 ninguno con 4 copias 14 tipo II 86% tienen 2 o 3 copias, mayoría 3 ninguno con 4 copias 15 tipo III 87% tienen 3 o 4 copias, mayoría 3 ninguno con 1 copia Cuscó et al., Journal of Neurology, 2005

38. F1 F2 1 2 1 2 F3 F4 1 2 1 2

40. Conclusiones • El gen SMN2 es importante en la definición del tipo de AME que va a presentar el paciente. • En los casos de AME tipo II y III con hermanos de fenotipo discordante, el gen SMN2 no es categórico, lo que indica la existencia de otros genes modificadores • El tratamiento con fármacos para aumentar la expresión del gen SMN2 es estudiado como posible terapia en la AME

41. SMN1 SMN2 ?????

42. EJEMPLOS DE ENFERMEDADES MONOGENICAS EN LAS QUE POSIBLES GENES MODIFICADORES INFLUENCIARIAN EL FENOTIPO FINAL. • Fibrosis quística CFTR • Enfermedad de Hirschsprung RET, GNDF, EDN3, EDNRB • Neurofibromatosis tipo 2 NF2 • Craniosinostosis coronal FGFR3 • Hipoplasia adrenal congénita DAX1 • Enfermedad de Gaucher GBA • Fenilcetonuria PAH • Sindrome del QT prolongado KVLQT1, HERQ, SCN5A, KCNE1

43. Conclusiones • La diferencia histórica entre las enfermedades monogénicas (Mendelianas) y multigénicas o complejas son productos mas bien de la percepción humana que de la realidad biológica. • Las dos categorías serían parte de un continuo que va desde un gen determinante, responsable primario de la patogénesis de la enfermedad con uno o mas genes modificadores independientes que influencian el fenotipo hasta el efecto de dos, tres o múltiples genes que comparten su influencia en el fenotipo.

44. Oligogenic

45. GEN GENOMICA mRNA TRANSCRIPTOMICA PROTEINA PROTEOMICA FENOTIPO MODIFICADORES DETERMINANTE

48. Genómica Estudio del genoma de un organismo y de su función Genoma Todo el material genético contenido en los cromosomas de un organismo

49. La genómica estructuralestá orientada a la caracterización y localización de las secuencias que componen el DNA de los genes. La genómica funcionalplantea el estudio de la función de los genes que una célula expresa en condiciones determinadas. ¿Qué debemos saber de un gen en términos de su función? Caracterizar el producto (s): Bioquímico (quinasa, proteína de unión, etc.) Celular (núcleo, citoplasma, membrana, etc.) Tejido (abundancia total, tipo de células) Organismo (órgano, aparato o sistema donde es imprescindible)

50. LA GENOMICA FUNCIONAL SE SIRVE DE LA TRANSCRIPTOMICA (RNA) Y DE LA PROTEOMICA El transcriptoma es una colección completa de mRNA en una célula en particular y en determinadas condiciones. Incluye la transcripción, el procesamiento del RNA y su metabolismo. Un gen puede producir muchos tipos de RNA (por splicing alternativo, por promotores alternativos, por inhibidores o estimuladores de la transcripción) Las proteínas sintetizadas a partir de estos mRNA pueden ser modificadas por proteólisis, fosforilación, glicosilación.