Capítulo 19: Bases moleculares de las patologías humanas

El desarrollo tecnológico en la biología molecular y, en especial, en la genética molecular ha abierto un sinfín de ventajas clínicas indiscutibles en la práctica médica diaria. La sensibilidad y la especificidad de las técnicas usadas en el diagnóstico directo de defectos genéticos o agentes etiopatogénicos asociados a los procesos mórbidos representan una herramienta valiosa en la medicina, a lo que hay que añadir la velocidad con la que se obtienen los resultados. Por ello, es esencial conocer cómo el ADN se replica, se transcribe y se traduce a proteínas (dogma central de la biología molecular), así como los mecanismos de expresión basal e inducible de genes en el genoma. Uno de los principales objetivos es conocer los mecanismos de regulación y expresión genética en los procesos de la enfermedad para tratar de detenerla e incluso prevenirla, ya que mediante estudios genéticos pueden saberse las probabilidades de que se presente en individuos susceptibles.

A partir del descubrimiento en que se relacionó que todas las enfermedades tienen una causa molecular, se han llevado a cabo grandes progresos para conseguir un tratamiento eficaz a dichas enfermedades. Cualquier enfermedad cursa, en mayor o menor grado, con alteraciones en la estructura, propiedades, metabolismo o función de una o varias biomoléculas.

Entre las causas que pueden inducir una enfermedad se encuentran agentes físicos (radiaciones, polvos, traumatismos, etc.), exposición a compuestos tóxicos (solventes, metales pesados, toxinas, etc.) o biológicos (virus, bacterias, parásitos, etc.) y trastornos de origen genético cuya etiología radica en la información genética contenida en el organismo.

Según la biomolécula alterada, las enfermedades también pueden clasificarse en hormonales, inmunológicas, nutricionales y metabólicas, entre otras. Con independencia de su clasificación, la enfermedad se encuentra dada por disfunciones celulares y/o tisulares, y genera cambios temporales o permanentes en el organismo así como variaciones en la función de órganos y sistemas, que en último término se reflejan en forma de padecimiento, incluso aquellas debidas a otras causas y que no se consideran de origen molecular.

Existen diferentes tipos de diagnóstico de una enfermedad de acuerdo con la información analizada:

1. El diagnóstico clínico se lleva a cabo a partir de la observación médica (exploración), con el apoyo de los datos de laboratorio (análisis clínicos, radiología e imagen, etc.), y se basa en un criterio fenotípico y de las manifestaciones bajo la forma de síndrome clínico.

2. El diagnóstico molecular de una enfermedad se basa en criterios genotípicos que alteran la constitución del genoma. Desde el punto de vista molecular, las enfermedades se pueden clasificar en: genéticas, exógenas y mixtas. Esta clasificación no es aceptada de forma generalizada, debido a que no se conoce con precisión la causa molecular de muchas enfermedades.

El objeto de estudio de la patología molecular es el conocimiento de la enfermedad desde el punto de vista de su alteración molecular para contribuir a su diagnóstico y terapéutica. A principios del siglo XX se estableció la expresión errores congénitos del metabolismo para describir alteraciones hereditarias presentes durante la vida del paciente, que afectan vías metabólicas específicas, debido a la ausencia o a la falta de actividad de moléculas particulares (en su mayoría enzimas), como el albinismo, la alcaptonuria, cistinuria y galactosemia.

El inicio sistemático de la patología molecular tiene lugar en el decenio de 1950, con las técnicas que permiten el estudio de los cromosomas humanos y el conocimiento de su papel en el desarrollo sexual y de las anomalías cromosómicas relacionadas.

La genómica incluye el genoma, así como la aplicación de pruebas genéticas, para identificar las alteraciones responsables de una enfermedad. De manera análoga, la transcriptómica y la proteómica definen el papel que desempeña el ARN y las proteínas en el inicio o establecimiento de la enfermedad.

Desde el punto de vista molecular, una enfermedad genética es una situación causada por un cambio, llamado mutación, que se presenta durante la replicación, transcripción o traducción de uno o varios genes. En general, dicha alteración interfiere con la producción de la proteína codificada por el gen que presenta dicha mutación. Las enfermedades genéticas se transmiten de generación en generación debido a que se originan por una alteración presente en las células madre, por lo que son de carácter hereditario. En cambio, alteraciones en las células somáticas no son hereditarias y sólo afectan al organismo que las desarrolla.

Las enfermedades genéticas pueden clasificarse según características específicas en alteraciones genéticas, según su extensión: mutación puntual (es la alteración de un solo nucleótido y la causa de las enfermedades monogénicas); mutación mediana (normalmente tiene lugar en secuencias repetidas, como los satélites o microsatélites, e implica la deleción o inserción de secuencias de más de dos nucleótidos), y finalmente, mutación a gran escala (pueden ser cromosómicas o citogenéticas, y afectan a cromosomas completos o a grandes fragmentos de ellos). Se distinguen translocaciones, deleciones o inserciones de fragmentos cromosómicos, además de anomalías en el número de cromosomas de la célula. Las alteraciones numéricas se deben a segregación cromosómica errónea, mientras que las anomalías estructurales o cromosomopatías lo hacen a reordenamientos cromosómicos.

Además, las enfermedades genéticas también pueden clasificarse en alteraciones genéticas, según el genoma afectado, ya que pueden presentarse en el genoma nuclear o mitocondrial; las primeras son más frecuentes, ya que el tamaño del material genético nuclear es mayor. A su vez, las alteraciones genéticas nucleares pueden clasificarse según el tipo de cromosoma afectado, ya que el defecto puede estar localizado en los cromosomas sexuales (cromosomas X o Y) o en los cromosomas autosómicos (22 pares). Esta distinción combinada con el carácter dominante o recesivo con el que se expresa la enfermedad es la clasificación más sencilla y la empleada de forma más común en genética.

Sin embargo, clásicamente, desde el punto de vista molecular, las enfermedades del ser humano se dividen en: 1) enfermedades monogénicas o mendelianas (nucleares y mitocondriales); 2) enfermedades exógenas, adquiridas o ambientales, y 3) enfermedades multifactoriales de origen complejo.

Enfermedades monogénicas

Enfermedades nucleares

Enfermedades hereditarias causadas por la mutación o alteración de un solo gen (o locus). También se les conocen como enfermedades mendelianas, ya que se transmiten en la descendencia según las leyes de Mendel. Se conocen más de 6000 enfermedades hereditarias monogénicas, con una prevalencia de un caso por cada 200 nacimientos. Si el alelo anormal aparece en ambos cromosomas homólogos, el individuo es homocigoto para dicha alteración, mientras que si lo hace en uno solo de los alelos cromosómicos se denomina heterocigoto para la mutación.

Para su inclusión en este grupo, la enfermedad ha de cumplir las siguientes características:

• Debe estar determinada genéticamente; es decir, deberse a mutaciones que alteran la secuencia o la organización del genoma codificante.

• Debe afectar a moléculas en cantidad, estructura, actividad o función. En especial, se alteran las proteínas, en cantidad o en actividad.

• La alteración bioquímica que afecta a estructuras celulares o vías metabólicas y causa la enfermedad debe ser el resultado de las alteraciones en las moléculas.

Las alteraciones monogénicas generan múltiples enfermedades; entre las más conocidas se encuentran: albinismo, anemia falciforme, daltonismo, distrofia muscular de Duchenne, hemofilias o hipercolesterolemia familiar, entre otras. Para obtener una mayor información acerca de estos temas se puede acceder por vía electrónica a la base de datos del OMIM (Online Mendelian Inheritence of Man; http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim). Esta base de datos de consulta en línea es un catálogo actualizado de genes humanos y alteraciones genéticas. El OMIM se centra principalmente en las enfermedades genéticas heredables.

Algunos ejemplos de enfermedades monogénicas comunes son: anemia falciforme, fibrosis quística, enfermedad de Batten, enfermedad de Huntington (cromosoma 4), enfermedad de Marfan, hemocromatosis, deficiencia de alfa-1 antitripsina, distrofia muscular de Duchenne, síndrome de cromosoma X frágil, hemofilia A y fenilcetonuria. Cada enfermedad y gen tienen asignados un código de seis dígitos. A este número se le denomina código MIM (herencia mendeliana en el hombre, por sus siglas en inglés), en el cual se concentran las alteraciones genéticas heredadas y no heredadas. Además, es una base de datos referente al proyecto del genoma humano. A esta información se accede mediante el OMIM, que se actualiza a diario. Debido a los avances científicos que inducen un constante reordenamiento de las diferentes enfermedades genéticas es más aconsejable basarse en la versión on line que en la impresa.

Las enfermedades monogénicas (cuadro 19-1) se transmiten según los patrones hereditarios mendelianos y pueden clasificarse como:

Enfermedad autosómica dominante. Sólo se necesita un alelo mutado del gen para que la persona manifieste una enfermedad autosómica dominante. Por lo menos uno de los dos progenitores de una persona afectada padece la enfermedad y este progenitor tiene 50% de probabilidad de transmitir el gen mutado a su descendencia, que manifestará la enfermedad (figura 19-1A).

Enfermedad autosómica recesiva. Para que la enfermedad se manifieste, se requiere que los dos alelos del gen se encuentren mutados en la persona afectada, cuyos padres en general no padecen la enfermedad, pero portan cada uno al menos una copia del gen mutado, por lo que pueden transmitirlo a la descendencia. La probabilidad de tener un hijo afectado por una enfermedad autosómica recesiva entre dos personas portadoras de una sola copia del gen mutado (que no manifiestan la enfermedad) es de 25% (figura 19-1B). Una de las enfermedades genéticas más comunes e importantes de tipo autosómica recesiva son las hemoglobinopatías, como por ejemplo la anemia falciforme, también llamada anemia drepanocítica o enfermedad de la hemoglobina SS (Hb SS). Esta afección es el resultado de la sustitución de adenina por timina en el gen de la globina beta, lo que conduce a una mutación de ácido glutámico por valina en la posición 6 de la cadena polipeptídica de globina beta y a la producción de una hemoglobina funcionalmente defectuosa, la hemoglobina S. Debido al cambio de ese aminoácido, las moléculas de hemoglobina se agregan formando fibras y dándole al hematíe su característica forma de hoz. Aunque esta enfermedad está presente al nacer, generalmente los síntomas no ocurren hasta después de los cuatro meses de edad. Esta anemia puede volverse potencialmente mortal y los pacientes pueden presentar “crisis” o episodios dolorosos y agudos causados por vasos sanguíneos bloqueados y órganos dañados. Se conocen varios tipos de crisis: crisis hemolítica (cuando se dañan los glóbulos rojos), crisis de secuestro esplénico (cuando el bazo se agranda y atrapa células sanguíneas) y crisis aplásica (cuando una infección hace que la médula ósea deje de producir glóbulos rojos). Estas crisis dolorosas, que ocurren en casi todos los pacientes en algún momento de sus vidas, pueden durar de horas a días y afectar los huesos de la espalda, los huesos largos y el tórax. Algunos pacientes presentan un episodio con intervalos de unos cuantos años, mientras que otros, muchos episodios por año. Estas crisis pueden ser tan graves que requieren hospitalización para el control del dolor. Además, las crisis repetitivas pueden ocasionar daños a los riñones, los pulmones, los huesos, el hígado y el sistema nervioso central (figura 19-1).

Enfermedad ligada al cromosoma X. Se manifiesta en las mujeres con una mutación en, por lo menos, uno de los alelos de un gen presente en el cromosoma X, mientras en los hombres se manifiesta en aquellos que presentan el alelo mutado en el único cromosoma X que portan. Tanto los hijos como las hijas de una madre afectada en uno de sus alelos tienen 50% de probabilidades de estar afectados, aunque la manifestación de la enfermedad es generalmente más leve en mujeres que en varones, por la compensación que realiza el alelo no-mutado en las mujeres (figura 19-2).

Los varones afectados sólo transmiten la enfermedad a sus hijas y sus hijos nacerán sanos. Estas enfermedades pueden transmitirse a su vez de forma dominante (figura 19-2A) o recesiva (figura 19-2B). En el cuadro 19-2 pueden observarse algunos ejemplos de estos tres tipos de enfermedades.

Enfermedades mitocondriales

Estas enfermedades son inducidas por la pérdida o disminución de la función mitocondrial de las células afectadas. Cuando ciertos intermediarios metabólicos no funcionan de forma adecuada, hay una crisis energética, lo que puede interrumpir algunas reacciones químicas importantes para la supervivencia celular. La herencia mitocondrial es una de las excepciones a los principios de transmisión mendeliana de las enfermedades monogénicas, ya que su herencia es exclusivamente por línea materna y se ven afectadas por la heterogeneidad genética o heteroplasmia. Algunos ejemplos de estas enfermedades son:

Síndrome de MELAS. También se denomina encefalomiopatía mitocondrial o acidosis láctica. Es un trastorno asociado con una mutación A-G en el ARNt, en la posición 3243 en 80% de los casos descritos, aunque se han notificado otras mutaciones. Los síntomas, además de la triada característica, pueden incluir migraña, vómitos, demencia, epilepsia, sordera, ataxia, retinosis pigmentaria, cardiomiopatía, disfunción tubular renal proximal y miopatía.

Síndrome de MERRF. El síndrome de epilepsia mioclónica asociada a fibras rojas rasgadas (myoclonic epilepsy with ragged red fibers) es una enfermedad que cursa principalmente con mioclonías y epilepsia. Está causado por varias mutaciones, pero cada una de ellas, de forma independiente, conlleva el desarrollo de la enfermedad. Entre 80 y 90% de los casos se da la mutación A8344G (hay una transición de adenina a guanina en la posición 8344 del gen). El síndrome de MERRF es una de las enfermedades con una mayor variabilidad en la expresión de su sintomatología, incluso dentro de una misma familia de afectados. El cuadro clínico de esta enfermedad suele comenzar durante la infancia o la adolescencia y puede incluir epilepsia mioclónica progresiva, degeneración neuronal progresiva, atrofia cerebral y cerebelar visible con técnicas de neuroimagen, demencia, fibras rojas rasgadas, que se observan en la biopsia del músculo, acidosis láctica, aumento de lactato en el líquido cefalorraquídeo (LCR), etcétera.

Síndrome de NARP. Es un trastorno neurodegenerativo y progresivo de inicio juvenil-adultez temprana. Está incluido dentro de las alteraciones de la fosforilación oxidativa. Los pacientes presentan debilidad muscular proximal, con neuropatía sensorial, ataxia y retinitis pigmentaria. La forma de inicio infantil, MILS (síndrome de Leigh de herencia materna) se caracteriza por una encefalopatía asociada a lesión bilateral y simétrica de ganglios basales. El gen MTATP6 es el único asociado a NARP. Más 50% de los individuos afectados presentan una mutación en el nucleótido 8993 de este gen (T8993G).

Neuropatía óptica hereditaria de Leber (NOHL) o atrofia óptica de Leber. Es una degeneración de los gangliocitos de la retina y sus axones que conlleva una pérdida aguda o subaguda de visión central. En la fase aguda, que dura algunas semanas, el ojo afectado muestra una apariencia edematosa de la capa de fibras nerviosas y microangiopatía, y afecta sobre todo a hombres adultos jóvenes. La NOHL se debe habitualmente a una de tres posibles mutaciones puntuales en el ADN mitocondrial. Estas mutaciones afectan a los nucleótidos de las posiciones 11.778, 3.460 y 14.484, respectivamente, en los genes de las subunidades ND4, ND1 y ND6, del complejo I de la cadena de transporte de electrones en las mitocondrias.

Enfermedades exógenas, adquiridas o ambientales

El origen de estas enfermedades no está determinado genéticamente y son producto de la interacción del individuo con agentes externos. Según su origen, se clasifican en:

1. Enfermedades biológicas. Ocasionadas por agentes microbiológicos, como parásitos, bacterias, hongos, virus o priones. Algunos de los ejemplos más representativos de estas enfermedades son:

   Virus: virus de inmunodeficiencia humana (agente causal del sida), virus de papiloma humano (asociado al cáncer cervicouterino), virus herpes zóster (principal agente de varicela).

   Bacterias: Staphylococcus aureus (agente causal de síndrome séptico), Streptococcus pyogenes (el grupo A, productor de la faringitis purulenta y en ocasiones de la fiebre reumática y escarlata).

   Priones: proteínas que producen degeneración del sistema nervioso central (inducen la enfermedad de Creutzfeld-Jacob –ECJ– en humanos, encefalopatía espongiforme bovina o enfermedad de las vacas locas en reses y scrapie en ovejas). Hay tres clases principales de la enfermedad de ECJ: puede ser adquirida a través del consumo de partes de animales infectados, sobre todo tejidos nerviosos, pero también puede ser esporádica o hereditaria.

2. Enfermedades nutricionales. Alcoholismo, anemia ferropénica, deficiencia de ácido fólico y vitaminas.

3. Enfermedades ambientales. Se subdividen en:

   Físicas: traumatismos o accidentes.

   Químicas: intoxicación por medicamentos o xenobióticos, envenenamiento por gases tóxicos (monóxido de carbono), quemaduras por componentes químicos (ácidos, álcalis, líquidos flamables).

   Varios de los ejemplos anteriores son condicionados o exacerbados por factores como el área geográfica, el clima, la urbanización o las políticas sociales, que aumentan la vulnerabilidad humana a padecer enfermedades de tipo exógeno. Como ejemplo de estos factores cabe mencionar el aumento de la temperatura en las tierras altas, las guerras y el calentamiento global.

Enfermedades multifactoriales o de origen complejo

A diferencia de las enfermedades monogénicas, la manifestación clínica de enfermedades multifactoriales es un reflejo del efecto combinado o interacción acumulativa de alteraciones producidas por factores genéticos (mutaciones múltiples, a veces simultáneas, en un número impreciso de genes) y factores ambientales o exógenos (efecto nutricional, agentes tóxicos, estrés oxidativo, factores psicológicos, etcétera).

En cualquier caso, la complejidad del origen dificulta un diagnóstico preciso, lo que ha llevado a que una misma enfermedad reciba distintos nombres. Como no se trata de trastornos de un único gen, la herencia de estas alteraciones no sigue la genética clásica mendeliana; a pesar de ello, son más comunes dentro de una familia que entre individuos no emparentados. Para que el síndrome se presente en otro miembro de la misma familia es necesario que se reúna una combinación de cambios génicos y medioambientales. Entre estas enfermedades pueden citarse malformaciones congénitas (labio leporino, cardiopatías congénitas, anencefalia, espina bífida, malformaciones congénitas del sistema digestivo y respiratorio, etc.), que se manifiestan desde el nacimiento y pueden ser producidas por un trastorno durante el desarrollo embrionario o el parto, o como consecuencia de un defecto hereditario. Las exposiciones a productos químicos o radiaciones en el medio ambiente pueden inducir resultados reproductivos adversos, como reducción en la fertilidad, abortos espontáneos, bajo peso al nacer, malformaciones y deficiencias del desarrollo. Otra categoría son las enfermedades de la edad adulta (algunos tipos de cáncer, enfermedades cardíacas y presión arterial elevada, artrosis, artritis, Alzheimer, Parkinson, sordera, ictus, demencia senil y diabetes mellitus); en todas estas enfermedades se ha observado una predisposición genética. Las condiciones en las que se transcurre por la vida adulta obedecen a diversos factores de índole personal, familiar y cultural. Entre los factores con un papel decisivo en la incidencia de estas enfermedades se incluyen el consumo prolongado de ciertos medicamentos y drogas, el tabaquismo, el consumo excesivo de alcohol, el sedentarismo, la nutrición inadecuada y dietas hipercalóricas. Por ejemplo, entre los principales factores ambientales que incrementan el riesgo de presentar diabetes tipo 2 son la nutrición excesiva y una forma de vida sedentaria, con el consiguiente sobrepeso y obesidad. Un tratamiento completo de la diabetes no sólo debe incluir la disminución de calorías consumidas y ejercicio físico moderado y habitual, sino también un control médico constante. De igual manera, el nivel educativo, los ingresos, las funciones sociales y las expectativas personales influyen en la modificación de los hábitos de vida, que serán condicionantes del futuro envejecimiento.

Se debe sospechar una afección genética cuando un niño presente: bajo peso, un tamaño pequeño para su edad gestacional, hipotonía, malformaciones externas e internas, dismorfias, dificultad para alimentarse, vómitos, somnolencia, convulsiones, etc. Los pilares del diagnóstico de una afección genética son: historia clínica, examen físico y exámenes de laboratorio. A continuación, se hace referencia a estos últimos exámenes, ya que complementan el diagnóstico clínico. Los exámenes de laboratorio se pueden realizar para:

• Rastreo de poblaciones en riesgo: cuando se tienen sospechas de que el producto puede ser portador de la enfermedad por antecedentes familiares, se obtiene una muestra de vellosidad coriónica después de la semana 10 de gestación. Ésta es la forma más común de diagnóstico prenatal en poblaciones de riesgo, como por ejemplo en la enfermedad de Tay-Sacks en judíos.

• Rastreo familiar de portadores: se lleva a cabo para determinar qué personas son portadoras del gen y, por tanto, pueden transmitir la enfermedad a sus hijos. El objetivo de estas pruebas es evitar que dos personas portadoras tengan hijos entre ellos.

• Programa de tamiz neonatal (screening): constituye una prioridad dentro de la atención en problemas de salud pública, ya que busca en una población a los individuos que presentan alguna característica fuera de lo normal o que haga sospechar de la presencia de una enfermedad, para su posterior tratamiento. Este método se realiza a partir de gotas de sangre, lo que hace posible determinar una amplia gama de moléculas. Entre los principales padecimientos que se detectan mediante este procedimiento son:

• Alteraciones endocrinas: hiperplasia adrenal congénita e hipotiroidismo congénito, fibrosis quística.

• Alteraciones de las células de la sangre: anemia falciforme.

• Errores innatos del metabolismo de los carbohidratos: galactosemia.

• Errores innatos del metabolismo de los aminoácidos: fenilcetonuria, homocistinuria y enfermedad de la orina con olor a jarabe de maple o arce, trastornos del ciclo de la urea, acidemias propiónica, metilmalónica e isovalérica.

• Errores innatos del metabolismo de los ácidos orgánicos: deficiencia de la biotinidasa.

• Trastornos de la carnitina y de la oxidación de ácidos grasos: trastornos neuromusculares, cardiacos o muerte súbita.

• Problemas pulmonares y digestivos: fibrosis quística.

En México, la Norma Oficial Mexicana NOM-007-SSA2-1993 sólo establece como obligatoria la prueba para detectar el hipotiroidismo congénito (2011), afección causada por la disminución de la producción de la hormona tiroidea en un recién nacido, que puede ocasionar retardo mental severo y retraso en el crecimiento. También la Secretaría de Salud promueve el tamiz auditivo, para detectar sordera congénita e hipoacusia (disminución de la audición). Como ya se ha mencionado el diagnóstico prenatal genético se realiza mediante una biopsia de vellosidades coriales (amniocentesis), prueba de la alfa-fetoproteína en sangre materna (AFP), ecografía, cordocentesis, determinación de células fetales en sangre materna, fetoscopia, etc., para detectar enfermedades genéticas del producto durante el embarazo. En la actualidad, se dispone incluso de métodos de diagnóstico genético preimplantacional (análisis diagnóstico de una o más células embrionarias), que conlleva la selección embrionaria para la implantación de embriones no afectados.

La mayoría de las enfermedades genéticas no tienen tratamiento definitivo o curativo y, en general, éstos son sintomáticos. Una vez realizado el diagnóstico (en el cuadro 19-2 se presentan algunas enfermedades que pueden detectarse mediante la técnica de reacción en cadena de la polimerasa, PCR) en forma pre o posnatal, existen medidas terapéuticas que mejoran la calidad de vida de los pacientes afectados.

Algunas enfermedades genéticas son tratables mediante la aplicación de medidas paliativas, como por ejemplo dietas de eliminación (fenilalanina en la fenilcetonuria), suplementación de cofactores (factor VIII de la coagulación en hemofilia), reemplazo de enzimas (glucocerebrosidasa en la enfermedad de Gaucher), trasplante de órganos (médula ósea en la talasemia) y medidas quirúrgicas tales como corrección (labio leporino). También es posible realizar terapia preventiva de enfermedad genética, como es el caso de la escisión quirúrgica del colon (colectomía) en la poliposis familiar. Para que una enfermedad genética pueda tratarse mediante terapia génica somática se requiere conocer el gen defectuoso que la produce y habitualmente se requiere contar con un modelo celular in vitro o modelo animal de la afección. El tratamiento mediante terapia génica de estas y otras enfermedades se describirá con más detalle en otro capítulo de este libro.