Genetica Molecular De Los Trans Tor Nos Mentales

GENETICA MOLECULAR DE LOS TRASTORNOS MENTALES Carla Gallo Laboratorios de Investigación y Desarrollo Facultad de Ciencias y Filosofía Universidad Peruana Cayetano Heredia

TRASTORNOS MENTALES • Alteraciones de la conducta humana • Llegan a ser inhabilitantes: – incapacidad de llevar una vida normal • estudios • trabajo • relaciones interpersonales

TRASTORNOS MENTALES esquizofrenia • • • • •

pensamientos fuera de la realidad: sentirse atacado, perseguido oír voces ver cosas que no existen aislamiento social

depresión unipolar • • • • • • • •

tristeza abatimiento falta de energía alteraciones en hábitos alimenticios (comer mucho o poco) alteraciones en el sueño (dormir mucho o muy poco) sentimientos de culpa autoestima disminuida deseos de no vivir

trastorno bipolar (manía-depresión) periodos alternados de más de 1 semana de duración

•

- depresión - manía: • hiperactividad • autosuficiencia • grandiosidad • irritabilidad • violencia • pocas horas de sueño

•

trastorno obsesivo-compulsivo pensamientos, impulsos o imágenes repetitivas, no controlables ejecución de acciones repetitivas, no controlables

TRASTORNOS MENTALES • Aparecen en algún momento en el transcurso de la vida del individuo • prevalencia de vida estimada: 1/10

• En la actualidad existen tratamientos que pueden llegar a aliviar los síntomas, pero ninguno logra la curación

TRASTORNOS MENTALES Trastorno Trastorno bipolar Esquizofrenia Depresión Trastorno obsesivocompulsivo

Prevalencia en la población (%) 0.8 1 5 - 17 2

TRASTORNOS MENTALES • Los trastornos mentales tienen un origen biológico: – son heredables – están involucrados sistemas de señales químicas en el cerebro (neurotransmisores) • los fármacos que se utilizan para aliviar los síntomas de los trastornos mentales modulan la actividad de estas señales químicas

SISTEMAS DE NEUROTRANSMISORES RELACIONADOS CON LOS TRASTORNOS MENTALES Trastorno Esquizofrenia Depresión Trastorno Bipolar

Neurotransmisor Dopamina Serotonina Glutamato Noradrenalina Serotonina Dopamina Noradrenalina Dopamina Acetilcolina

Trastorno Obsesivo-Compulsivo: Serotonina, Noradrenalina

TRASTORNOS MENTALES

Genes

+

Ambiente

=

Comportamiento

vulnerabilidad enfermedad

GENES (alrededor de 30,000 en humanos)

PROTEINAS (endofenotipo)

CARACTERISTICAS (exofenotipo)

AMBIENTE

Genes y trastornos mentales • Los trastornos mentales son enfermedades complejas: – causadas por múltiples genes que interactúan entre sí

• El efecto del ambiente es importante: – aún no han sido identificados los factores no genéticos que transforman la vulnerabilidad en enfermedad

• Ningún gen específico ha sido identificado de manera definitiva como causante de las diversas formas de los trastornos mentales

Ambiente común (familiar)

Ambiente específico para el individuo

Uno o más genes de efecto mayor

Genes de efecto menor

Enfermedad

GENES • Genes de vulnerabilidad – hacen al individuo susceptible a manifestar la enfermedad

• Genes modificadores del curso de la enfermedad – modulan la acción de los genes de vulnerabilidad, haciendo que la enfermedad sea menos severa, o que no se manifieste

• La identificación genes de vulnerabilidad o genes modificadores del curso de la enfermedad permitiría contar con herramientas extraordinarias para la investigación en terapéutica y prevención de los trastornos mentales

• Diagnóstico temprano • Tratamiento • Prevención

IDENTIFICACION DE GENES ASOCIADOS A TRASTORNOS PSIQUIATRICOS: ESTRATEGIAS

ESTRATEGIA: EVOLUCION • 1987 - 1997 – Estudios a pequeña escala (100 - 200 individuos afectados) – Costos elevados por el estado de la tecnología

• 1998 - 2004 – Estudios a gran escala (más de 200 individuos afectados) – Costos menores por avance tecnológico – Generación de bancos de datos y de muestras accesibles a la comunidad científica a través de convenios – Trastornos mentales listos para estudios a gran escala (por su credibilidad diagnóstica): autismo, trastorno bipolar, esquizofrenia.

PROBLEMAS • Definición de fenotipos psiquiátricos – diagnóstico basado en observación de conducta – sutiles diferencias entre individuos podría significar la participación de genes distintos

• Desarrollo de modelos animales – trastornos mentales: alteraciones de conductas propias del humano – buscar conductas equivalentes – buscar vías de señalización química en el cerebro (neurotransmisión) equivalentes

INVESTIGACION: PREGUNTAS

FENOTIPO

¿Cómo se transmite la enfermedad? • Estudios de segregación

¿Existe un componente genético? • Estudios de familias • Estudios de gemelos • Estudios de adopción ¿Qué tan importante es el componente genético?

¿Dónde están los genes? • Estudios de ligamiento • Estudios de asociación

¿Cómo contribuyen los genes a la enfermedad? • Estudios caso-control / Estudios de cohortes

INVESTIGACION EN GENETICA PSIQUIATRICA Estudio Población Familia Gemelos Adopción Ligamiento Asociación Modelos Animales

Unidad de Análisis Sujetos en la población general Pedigríes Gemelos monozigóticos y dizigóticos Adoptados; parientes adoptivos y biológicos de los adoptados Pedigríes nucleares y/o extendidos Individuos no relacionados, afectados y controles Expresión y función de genes en animales

Objetivo Establecer incidencia de vida Establecer estimados de familiaridad; modo estimado de transmisión y riesgo Distinguir efectos genéticos de efectos ambientales Distinguir efectos genéticos de efectos ambientales Establecer la localización cromosómica de un gen de susceptibilidad Identificar un gen de susceptibilidad específico Especificar vías y procesos del desarrollo

INVESTIGACION EN GENETICA PSIQUIATRICA Método Análisis de vía

Fuente de información Gemelos, adopción

Análisis de segregación

Pedigríes

Análisis de ligamiento

Pedigríes

Análisis de asociación

Afectados y controles no relacionados

Objetivo Distinguir efectos ambientales de efectos poligénicos Distinguir un locus principal de poligenes o ambiente Establecer la localización cromosómica de un locus de susceptibilidad putativo Implicar a un gen específico como el locus de susceptibilidad genética a una enfermedad, dado un desequilibrio en ligamiento

ESTUDIOS DE FAMILIAS • Estudios de segregación – patrón de herencia no mendeliano – se originarían por la alteración de un grupo de genes, y no por un gen único: poligénico

HERENCIA MENDELIANA P

F1

T

T

(TT) x

(TT)

(Tt)

(Tt)

(tt)

(Tt) t

t

x (tt)

F2

T

t

ESTUDIOS DE FAMILIAS •

Si una característica depende de factores genéticos: • La presencia de dicha característica aumentará con el mayor grado de similitud genética entre individuos • La característica se agregará en unidades genéticamente relacionadas (familias)

ESTUDIOS DE FAMILIAS Relación de recurrencia de riesgo Trastorno Trastorno bipolar Esquizofrenia Depresión Trastorno obsesivo-compulsivo

λ1

λ2

λ3

7 11 1.1 – 1.6 4.6

4.5 -

2 -

Relación de recurrencia de riesgo = riesgo de parientes con diferente grado de relación genética, dividido por la prevalencia (con qué frecuencia se encuentra el trastorno en la población); λ1 = parientes de primer grado (50% de genes compartidos); λ2= parientes de segundo grado (25% de genes compartidos); λ3= parientes de tercer grado (12.5% de genes compartidos).

MODO DE HERENCIA •

Esquizofrenia: – Complejo – Genes múltiples en interacción (Mc Gue et al 1985, Gottesman et al 1967, Rao et al 1981, O’Rourke et al 1982, Risch 1990)

•

Trastorno Bipolar: – Complejo – Genes múltiples en interacción (Craddock et al 1995, Neuman & Rice 1992)

•

Depresión: – Complejo – Genes múltiples – Riesgo depende de interacción entre genes y de factores ambientales propios (Crowe et al 1981, Goldin et al 1983, Tsuang et al 1985, Cox et al 1983)

•

Trastorno Obsesivo-Compulsivo: – Locus único, dominante (Nicolini et al 1991, Alsobrook et al 1999, Nestadt et al 2000)

MODO DE HERENCIA •

No se conoce: • El número de genes que pueden causar susceptibilidad • Qué tan importante es cada gen de susceptibilidad en su contribución a la aparición de la enfermedad • Qué grado de interacción existe entre cada gen de susceptibilidad

ESTUDIOS DE GEMELOS •

Los gemelos monozigóticos (MZ) comparten el 100% de sus genes, mientras que los dizigóticos (DZ) comparten el 50% de sus genes – Si los genes son responsables de una característica dada, los gemelos MZ deberán ser más parecidos en esta característica que los gemelos DZ

ESTUDIOS DE GEMELOS Monozigóticos

Dizigóticos

Trastorno Bipolar

62%

8%

Esquizofrenia

46%

14%

Depresión Unipolar

40%

17%

Trastorno ObsesivoCompulsivo

33%

7%

Parámetro: Concordancia (coincidencia en el diagnóstico)

ESTUDIOS DE GEMELOS •

Existe un factor genético en la etiología de los trastornos mentales

•

El componente ambiental es significativo

TRASTORNOS MENTALES • producto de la interacción compleja entre genes de vulnerabilidad, y la influencia de factores ambientales – el poseer un gen de vulnerabilidad no necesariamente va asociado a la ocurrencia del trastorno – varias combinaciones de genes distintas pueden originar el mismo trastorno

IDENTIFICACION DE GENES ASOCIADOS A TRASTORNOS PSIQUIATRICOS: ESTRATEGIAS MOLECULARES

LOCALIZACION DE GENES Ligamiento Localización cromosómica Identificación de genes diagnóstico

Estructura y secuenciamiento Producto del gen

tratamiento

Adaptado de McGuffin, P. ALTERNATIVES TO LINKAGE METHODS IN BIPOLAR DISORDER. 1997.

LOCALIZACION DE GENES Análisis de Ligamiento •

Permite localizar un gen causante de una enfermedad sin conocer su función

•

Se basa en 2 principios: – 1) La secuencia primaria del genoma humano no es fija, sino que varía entre individuos (POLIMORFISMO) – 2) Durante el proceso celular llamado meiosis, 2 pares de cromosomas correspondientes se alinean y se separan en 2 células hijas que eventualmente generarán los gametos

LOCALIZACION DE GENES Análisis de Ligamiento: Resumen del Procedimiento •

ADN genómico de afectados y sus familiares

•

Sondas para los marcadores polimórficos (microsatélites)

•

Enzimas de restricción

•

Análisis de los distintos patrones de RFLPs generados para cada marcador

•

Los marcadores que no segregan ni con la enfermedad ni con la ausencia de ella son descartados

•

Los análisis son hechos mediante programas estadísticos complejos que requieren del uso de computadoras.

•

Los resultados son expresados mediante el score lod: –

estimado estadístico de la cercanía relativa del marcador polimórfico al gen causante de la enfermedad.

–

un socre lod de 3 o más es considerado como indicativo que el gen de la enfermedad está “ligado” al marcador (probabilidad de 1000 a 1 a favor del ligamiento)

LOCALIZACION DE GENES Clonamiento Posicional (“Caminata” Cromosómica) •

Técnica para la localización del gen • esto permite ubicar y clonar la región del gen involucrada en la enfermedad

LOCALIZACION DE GENES Función del Gen: Análisis Mutacional •

Si el gen clonado es homólogo a genes con funciones conocidas, se hace mucho más fácil identificar su función

•

Se asume que si se ha identificado el gen correcto, la estructura y función de su preducto será anormal en los individuos con la enfermedad.

MODELOS ANIMALES

PROBLEMAS •

Inconsistencia en los estudios realizados: • • • •

genes con efectos relativos de pequeña magnitud efectos ambientales comunes e individuales error diagnóstico o clasificación errada heterogeneidad: – clínica – etiológica

• falta de poder estadístico, debido al tamaño reducido de la muestra

POSIBLES SOLUCIONES •

Muestras de número suficiente como para tener poder estadístico en los análisis –

Estudios de asociación en familias, usando el barrido genómico

•

Confirmación de ligamiento. La significancia del ligamiento debe permanecer al incrementar la muestra (más familias, más sujetos por familia)

•

Mejorar la clasificación de fenotipos para identificar caracter’ísticas clínicas o endofenotipos que puedan delinear subgrupos clínicamente distintos

•

Trabajos deben ser ejecutados en ciego, tanto en la elaboración de los pedigrís, como en el trabajo de genotipaje. –

Los modelos diagnósticos y jerarquías, así como la justificación para clasificar fenotipos específicos como “afectados” deben ser especificados antes del análisis estadístico

•

La información diagnóstica y de genotipaje debe estar disponible a la comunidad científica para facilitar la comprensión de discrepancias entre estudios.

•

Incorporar las nuevas técnicas que vayan haciéndose disponibles:

EVOLUCION DE LA ESTRATEGIA • 1987 - 1997 – Identificación de genes ligados con poco valor estadístico – Resultados no podían ser duplicados

• 1998 - 2003 – Identificación de genes ligados con elevado valor estadístico: • esquizofrenia

– Diseño de nuevas estrategias, en base a avances tecnológicos: • farmacogenómica • microarrays • análisis estadísticos complejos

EJEMPLO: ESQUIZOFRENIA

ESTADO DEL CONOCIMIENTO Estudios de Ligamiento 1987-1997 •

Cromosoma 5q • resultados no han podido ser replicados • reanálisis de grupos de datos del estudio original excluyen la presencia de un locus de suceptibilidad en esta región

•

Cromosomas 6p y 8p • en estudio posterior con 700 familias, en el que participaron 14 grupos a nivel internacional, se encontró ligamiento muy débil con ambas regiones

•

Cromosomas 3p, 9p, 20p y 22q • resultados pierden fuerza en grupos más grandes • resultados no replicados

ESTADO DEL CONOCIMIENTO Estudios de Ligamiento 1998 - 2004 •

•

Regiones en que se encuentra ligamiento significativo: • 6p • 8p • 1q21–q22 • 6q21–q22.3 • 13q34 Ligamiento con menor fuerza estadística: • • • • •

2q 3p 5q 10p 11q

D-aminoácido oxidasa

Neuregulina-1 = factor de crecimiento-2 (GGF2) = Heregulina • la neuregulina es una señal neuronal que promueve la proliferación y supervivencia del oligodendrocito, la célula que forma mielina en el sistema nervioso central

• se ha encontrado que ratones deficientes en neuregulina: • tienen menos número de receptores de NMDA funcionales • tienen comportamiento anormal que es revertido parcialmente por el antipsicótico clozapina

• disbindina es un componente que regula el tráfico hacia las organelas relacionadas al lisosoma (organela de reciclamiento celular) • se ha encontrado que la disbindina podría regular indirectamente la actividad de los receptores de NMDA

• DAAO oxida la D-serina, que es un potente activador del receptor NMDA • mediante un método que permite ubicar proteínas que interactúan entre sí (método de doble híbrido) se identificó la proteína G72, que en posteriores ensayos en vitro resultó ser un activador de DAAO

GENES Y ESQUIZOFRENIA •

La contribución de estos genes de vulnerabilidad a la esquizofrenia es modesta

•

Existen una serie de factores desconocidos (otros genes, ambiente) que intervienen en la manifestación de la enfermedad • se generan resultados inconsistentes

•

Una vez ubicados genes de vunerabilidad como estos, es importante conocer sus interacciones con otras proteínas

GENETICA MOLECULAR DE LOS TRASTORNOS MENTALES: PERSPECTIVAS

PERSPECTIVAS •

Hasta la fecha, las categorías diagnósticas para los trastornos psiquiátricos no han podido ser asociadas a alteraciones biológicas

•

Sin embargo, existen trabajos en marcha que finalmente permitirán asociar características conductuales particulares con variantes genéticas: • herramientas – gran número de muestras – – – –

barrido genómico perfiles de expresión genética (microarrays) neuroimágenes endofenotipos (fenotipos intermedios)