Asociaciones de enfermedades CNV
El efecto de las CNV en la expresión génica, y sus efectos potencialmente perturbadores en la estructura y función génica, sugiere que es probable que contribuyan de manera considerable a las enfermedades humanas. Sin embargo, debido al descubrimiento relativamente reciente de las NVC y a las limitaciones actuales en las técnicas de alto rendimiento, todavía no está claro el alcance total de las asociaciones de la enfermedad por NVC. No obstante, habida cuenta del número cada vez mayor de casos en que se han demostrado esas asociaciones, es probable que contribuyan de manera sustancial a las enfermedades humanas.
Dado el gran número de genes que se superponen con las NVC (Tabla (Tabla 1),1), es probable que se vea afectada una proporción significativa de genes biomédicos relevantes. En nuestro estudio de descubrimiento de NVC, por ejemplo, casi la mitad de las variantes de intersección de genes estaban representadas en la base de datos OMIM, incluidos los genes asociados con enfermedades mendelianas, trastornos genómicos y enfermedades comunes (de Smith et al., 2007). De hecho, muchos cambios en el número de copias de genes contribuyen directamente a las enfermedades monogénicas. En las enfermedades recesivas, la hemicigosidad debida a la deleción de un gen, o parte de un gen, podría desenmascarar una mutación en la otra copia del gen. Por el contrario, la duplicación de una copia de un gen sano en un cromosoma teóricamente podría enmascarar los efectos de una mutación causante de enfermedad en el gen en el otro cromosoma, rescatando así el fenotipo. De hecho, se ha predicho que una proporción de la penetrancia variable mostrada por muchos trastornos genéticos dominantes podría explicarse por las NVC (Beckmann et al., 2007).
Se sabe que la enfermedad de Alzheimer de inicio temprano autosómica dominante (ADEOAD) es causada por mutaciones sin sentido en los genes APP en el cromosoma 21, pero también se ha encontrado duplicación del locus APP en pacientes con este trastorno (Rovelet-Lecrux et al., 2006). Se cree que esta ganancia de número de copias conduce a una abundancia de depósitos de amiloide en el cerebro. De manera similar, la triplicación del gen SNCA, que conduce a una profusión de cuerpos de Lewy, se ha asociado en pacientes con enfermedad de Parkinson autosómica dominante (Singleton et al., 2003). No se sabe que ninguno de estos genes esté superpuesto por variantes en individuos sanos, y por lo tanto, se cree que estas ganancias de número de copias subyacen a la enfermedad: estas características se denominan mutaciones de número de copias (CNM). La pérdida o ganancia de material exónico también podría resultar en mutaciones sin sentido o cambios de marco: de hecho, la distrofia muscular de Duchenne (DMD) generalmente es causada por deleciones de novo y duplicaciones que resultan en cambios de marco. Si estos fueran descubiertos por primera vez hoy, serían conocidos como CNM. Es importante destacar que la mayoría de las estrategias de secuenciación para la identificación de mutaciones que causan enfermedades monogénicas omitirían tales variantes, que por lo tanto podrían representar una proporción significativa de mutaciones «faltantes», y complicarían el asesoramiento genético.
Además de las enfermedades monogénicas, las variaciones en el número de copias de grandes regiones genómicas son la causa subyacente de muchos trastornos genómicos, y tales aberraciones pueden afectar el número de copias de múltiples genes. En algunos casos, se cree que los cambios de dosis de muchos genes contribuyen al fenotipo, por ejemplo con el ∼1.Supresión de 6-Mb en el cromosoma 7q11. 23 que conduce al síndrome de Williams-Beuren (Peoples et al., 2000). En otros trastornos, como CMT1A y SMS, se cree que los cambios de dosis en un solo gen son la base de la enfermedad(Roa et al., 1991; Slager et al., 2003). La interpretación de los datos derivados de las investigaciones clínicas sobre la causa subyacente de los presuntos trastornos genómicos se complica con frecuencia por la presencia de AVNc. Todavía no tenemos una apreciación completa del espectro normal de variación del número de copias, particularmente en grupos de población que no son HapMap (Consorcio Internacional HapMap, 2003), por lo que puede ser muy difícil distinguir entre las NVC benignas y las variantes que causan enfermedades. Otras complicaciones pueden ser causadas por AVN que se superponen con aberraciones más grandes, de modo que las diferentes combinaciones de variantes mitigan o empeoran los fenotipos. Esto podría ayudar a explicar, por ejemplo, las diferentes manifestaciones de fenotipos observadas en pacientes con trisomía 21: por ejemplo, ∼el 40% de los pacientes tienen defectos cardíacos congénitos (Freeman et al., 1998) y ∼1% desarrollan leucemia (Zipursky et al., 1992).
La situación con respecto a las enfermedades complejas es aún menos sencilla. Los avances recientes en el análisis de enfermedades complejas, utilizando enfoques de asociación de SNP en todo el genoma, han puesto de relieve nuevos genes y posibles vías patógenas(Frayling et al., 2007; Sladek et al., 2007), pero los marcadores SNP encontrados todavía no explican la heredabilidad estimada de estos trastornos. Por lo tanto, es probable que otros factores genéticos contribuyan a los trastornos complejos comunes, incluidas las variantes raras, las modificaciones epigenéticas y la variación del número de copias. Aunque los CNV se superponen con muchos genes biológicamente importantes, varios de los cuales ya estaban asociados con la enfermedad, esto no es evidencia de por sí de que desempeñen un papel en la enfermedad. Por lo tanto, se están realizando estudios para identificar las NVC específicas asociadas a la enfermedad. Esto ya ha llevado a asociaciones de enfermedades reportadas con variantes que son relativamente comunes en poblaciones aparentemente sanas. Una proporción sustancial de estas asociaciones se ha encontrado con genes implicados en el sistema inmunitario y en la defensa contra enfermedades. El primer ejemplo de esto fue el descubrimiento de que el bajo número de copias de un NVC frecuente, incluido el gen FCGR3B, se asocia con glomerulonefritis en ratas y seres humanos (Aitman et al., 2006). Este gen juega un papel clave en la regulación de las respuestas inflamatorias e inmunitarias, especialmente en la unión de neutrófilos a complejos inmunes y la eliminación de estos complejos, y desde entonces se ha asociado con lupus eritematoso sistémico (LES) y otros trastornos autoinmunes sistémicos, como la vasculitis asociada a ANCA (Fanciulli et al., 2007).
Como se describió anteriormente, las variaciones en el número de copias de otro gen, el componente del complemento C4, se han asociado durante mucho tiempo con LES. Este gen también juega un papel en la eliminación de complejos inmunes, así como en la activación de vías de complemento que actúan contra los microbios invasores, y en la reducción del umbral para la activación de linfocitos B. Recientemente se ha confirmado que un número bajo de copias de C4 aumenta el riesgo de LES, mientras que un número alto de copias de este gen tiene un papel protector contra la enfermedad (Yang et al., 2007).
Otro gen implicado en la defensa contra la enfermedad es el CCL3L1, que también se incorpora dentro de un NVC extremadamente común y altamente polimórfico. Este gen se ha implicado en la susceptibilidad y la progresión de la enfermedad en el VIH, ya que CCL3L1 es el ligando más eficaz para el receptor de quimiocina CC 5 (CCR5), que es el principal co-receptor del VIH, por lo que es una quimiocina supresora del VIH importante (Menten et al., 2002). La posesión de un número bajo de copias de CCL3L1 es un factor de riesgo importante para el VIH, asociado con cargas virales más altas y una mayor pérdida posterior de células T (Gonzalez et al., 2005).
Posiblemente el ejemplo más intrigante de una NVC asociada a una enfermedad que se superpone a genes relacionados con el sistema inmunitario es el de los genes beta-defensin, que son candidatos a la variación en la susceptibilidad a trastornos autoinmunes e inflamatorios, debido a sus funciones antimicrobianas y proinflamatorias. Estos genes varían mucho en número de copias tanto en humanos (Armour et al., 2007) y también macacos, lo que sugiere que este es un antiguo punto de acceso para la variación del número de copias (Lee et al., 2008). Una unidad de repetición grande en el cromosoma 8p23.1, incluyendo DEFB4, SPAG11, DEFB103, DEFB104 y DEFB105 entre otros, es muy variable en número de copias, con individuos que llevan entre 2 y 12 copias por genoma diploide. Un número elevado de copias de esta unidad aumenta la susceptibilidad a la psoriasis, enfermedad inflamatoria común de la piel, consistente con una respuesta inmunitaria exagerada que conduce a una enfermedad inflamatoria (Hollox et al., 2008). Por el contrario, el bajo número de copias del gen DEFB4 se ha asociado con la enfermedad de Crohn colónica, que se cree que se debe a un debilitamiento de la barrera antibacteriana en la mucosa colónica debido a una deficiencia relativa de beta-defensinas (Fellermann et al., 2006). Este es el primer ejemplo de una NVC común que en números bajos de copias puede conducir a una enfermedad, y en números altos de copias puede conducir a otra enfermedad fenotípicamente distinta.También se ha observado que las variantes
superponen genes relevantes para el cáncer, por ejemplo, una región de deleción de 630 kb en el cromosoma 3p21.3 deleted en cáncer de pulmón, incorporando tres genes supresores de tumores TUSC2, TUSC4 y NAT6, se encontró que solapaban una deleción relativamente común de NVC en una población ostensiblemente sana (Wong et al., 2007). Muchos otros oncogenes y supresores tumorales se ven afectados por la variación del número de copias, incluidos LPP, MLLT3, MEN1, APC, VAV2, TNFRSF25, BCAS1 e HIC2 (Conrad et al., 2006; de Smith et al., 2007; Wong et al., 2007). Se están realizando estudios para determinar sus consecuencias para la susceptibilidad al cáncer, pero ya tenemos al menos un ejemplo de asociación significativa. Una variante de deleción de UGT2B17, que se encuentra en alrededor de 11-12% de los sujetos sanos, muestra una relación significativa con el riesgo de cáncer de próstata en los caucásicos. El aumento de los niveles séricos de testosterona y otros andrógenos es un factor de riesgo para el cáncer de próstata, y se cree que la deleción de este gen, que está involucrado en el metabolismo de los andrógenos, puede conducir a un aumento de los niveles séricos de andrógenos (Park et al., 2006). Una pregunta interesante, que aún no se ha investigado, es si existe alguna relación entre los NVC heredados en regiones genómicas relevantes para el cáncer y la incidencia de las diversas pérdidas y ganancias genómicas que ocurren durante la progresión del cáncer. Dado que estos cambios tienen una importancia pronóstica considerable, tal relación puede tener consecuencias importantes para las decisiones tempranas sobre el manejo terapéutico.
Como se describe, los genes implicados en el desarrollo cerebral están enriquecidos en NVCn (de Smith et al., 2007), y una proporción de estas variantes puede, por lo tanto, contribuir a la susceptibilidad a trastornos neurológicos y psiquiátricos, como el trastorno bipolar (EB) y la esquizofrenia. De hecho, algunos de los genes candidatos más importantes para BD y esquizofrenia, como PDE4ß, CHRNA7 y DISC1, están superpuestos por variantes conocidas. En una cohorte de pacientes con EB, por ejemplo, se encontró un aumento significativo de la presencia de un NVC conocido que se superpone al GSK3ßgene en comparación con los controles sanos (Lachman et al., 2007). Este es un gen candidato creíble para BD, ya que está involucrado en el desarrollo de células neuronales, y se ha demostrado que los ratones transgénicos con Gsk3ßoverexpresión imitan actos de manía clínica, con mayor actividad locomotora y respuesta de sobresalto acústico (Prickaerts et al., 2006). El GSK3ßvariant solo se ha documentado en dos muestras de control sanas hasta el momento, por lo que podría describirse como una NVC rara. Sin embargo, algunos estudios dirigidos a la identificación de variantes asociadas con enfermedades particulares han descubierto variantes del número de copias de genes que están presentes solo en pacientes con esas enfermedades, y no en la población general. Por lo tanto, estas variantes deben denominarse mutaciones del número de copias (CNM), ya que no están presentes con una frecuencia apreciable (>1%) en la población general y pueden ser la causa directa de la enfermedad, en lugar de actuar como loci de susceptibilidad.
Además de los CNV comunes que desempeñan un papel en los trastornos neurológicos, varios CNM de novo también se han asociado con tales enfermedades. Las variantes que incorporan tres genes expresados en el cerebro involucrados en la señalización de glutamato, GLUR7, AKAP5 y CACNG2, se encontraron solo en pacientes con esquizofrenia en un estudio (Wilson et al., 2006). Se especula que estos genes se expresan de manera diferente durante el desarrollo embrionario humano temprano, y que el desarrollo de un sistema nervioso central normal depende de la compleja regulación de estos genes (Wilson et al., 2006). Un estudio reciente también indica que raras variantes de novo con alta penetrancia pueden ser la base de la esquizofrenia en algunos casos. Xu et al. (2008) encontraron una frecuencia del 10% de variantes nuevas en pacientes con esquizofrenia esporádica, que fue ocho veces mayor que en los controles. El número de genes superpuestos por estas variantes era relativamente pequeño, pero el análisis de GO mostró que las categorías más enriquecidas eran vías asociadas con el desarrollo neuronal (Xu et al., 2008). Estos resultados se reflejan en otro informe reciente de una asociación con variantes raras que afectan los genes del desarrollo neurológico en casos de esquizofrenia (Walsh et al., 2008).
Los hallazgos de estos estudios de esquizofrenia tienen paralelos en investigaciones recientes sobre la genética del autismo, ya que también se han determinado asociaciones de variantes de novo con este trastorno del desarrollo neurológico (Sebat et al., 2007; Marshall et al., 2008). Sebat et al. (2007), por ejemplo, encontraron que la frecuencia de mutaciones espontáneas es del 10% en casos esporádicos de autismo, en comparación con solo el 1% en controles no afectados, y varios genes, incluidos SHANK3, NLGN4 y NRXN1, se han implicado en la etiología del autismo a través de estudios de variación del número de copias. Sin embargo, la interpretación de estos datos es algo complicada por las dificultades inherentes a: a) demostrar que una variación particular del número de copias es en realidad de novo (la mayoría de las metodologías actuales adolecen de altos falsos negativos, así como de resultados falsos positivos) y b) establecer la tasa «normal» de generación de cambios de novo en el número de copias.
La distinción entre variantes comunes de número de copias de genes y CNMs raros no siempre es clara. Un ejemplo particular de esto son las ganancias y pérdidas de número de copias comunes de la región en el cromosoma 7 que incorpora los genes PRSS1 y PRSS2, mutaciones sin sentido en las que se sabe que causan pancreatitis hereditaria. Se trata de una enfermedad autodigestiva, en la que una cascada de activación de enzimas digestivas pancreáticas es causada por la activación prematura de tripsina (Le Marechal et al., 2006). Se han encontrado VNCS que superponen los dos genes en individuos sanos, pero una triplicación de esta región está asociada con la enfermedad. Se cree que el aumento de la dosis de los genes PRSS1 y PRSS2 triplicados puede alterar el equilibrio entre la activación y la inhibición de la tripsina dentro del páncreas (Le Marechal et al., 2006), lo que sugiere que una duplicación del mismo locus en ambos cromosomas podría tener el mismo efecto. La región triplicada es, por lo tanto, una mutación del número de copias que subyace a la enfermedad, mientras que una ganancia de una sola copia en un cromosoma (es decir, duplicación de NVC) podría describirse como una NVC de premutación para el fenotipo adverso. La situación se complica aún más, sin embargo, por la reciente identificación de una duplicación de este locus en cuatro pacientes con pancreatitis hereditaria, que no se encontró en los controles (Masson et al., 2008b): es posible, por lo tanto, que la duplicación de este locus pueda, en algunos individuos, causar enfermedad, pero en otros actuar como una NVC benigna.
La misma enfermedad también se ha demostrado recientemente como resultado de otro mecanismo genético en conjunto. Como se mencionó anteriormente, Masson et al. (2008a) identificaron un gen híbrido PRSS2/PRSS1, que describen como un efecto de «doble ganancia de función», con consecuencias cualitativas y cuantitativas, en una familia francesa con pancreatitis hereditaria. Este gen de fusión consiste esencialmente en una duplicación de la mitad de cada gen, actuando así como un CNM «cuantitativo», además de una mutación sin sentido «cualitativa», que ha dado lugar a un fenotipo altamente penetrante en esta familia. Esta parece ser una nueva relación genotipo-fenotipo.
Hasta la fecha se han llevado a cabo muy pocas investigaciones para examinar los efectos duales de los CNV y los SNP. Un ejemplo, sin embargo, es el análisis del gen del factor de complemento H y cofactor de membrana (CFH), que contiene una variante de aminoácidos que predispone a la degeneración macular relacionada con la edad (Klein et al., 2005). Este gen está contenido dentro de una región CNV; por lo tanto, es posible que las variaciones en el número de copias de este gen, o su región genómica circundante, puedan modificar el riesgo de enfermedad. En apoyo de esto, un haplotipo que lleva deleciones de los genes cercanos CFHR1 y CFHR3 ha demostrado ser protector contra la enfermedad (Hughes et al., 2006). Este ejemplo destaca la necesidad de evaluar la contribución de ambos tipos de variantes a fenotipos complejos y enfermedades, ya que casos como estos pueden ser solo la punta del iceberg (Masson et al., 2008a).
Es probable, por lo tanto, que las variaciones en el número de copias de genes jueguen un papel importante en la salud humana, con algunos CNVs de genes comunes que aumentan la susceptibilidad a ciertas enfermedades complejas, mientras que los llamados CNM son la causa directa de enfermedades de tipo mendeliano. Las estimaciones actuales indican que las variantes de número de copias se superponen más del genoma humano que los SNP (estimaciones actuales de bp 29% bp cf. 0,4% (http://projects.tcag.ca/variation)); sin embargo, queda por demostrar si las NVC son la principal fuente de diferencias interindividuales en el fenotipo fisiológico, así como en la aptitud física general y la susceptibilidad a la enfermedad. La interacción entre los SNP y los CNV funcionalmente relevantes añade un mayor nivel de complejidad a las investigaciones.