Investigadores de los Institutos Gladstone y la Universidad de California San Franciso han demostrado cómo la combinación de tres variantes genéticas diferentes puede causar una enfermedad cardiaca congénita.
Con el desarrollo de las técnicas de análisis e interpretación del ADN y la secuenciación del ADN, en los últimos años se han identificado las causas genéticas de numerosas enfermedades monogénicas. Estas herramientas, unidas a un historial clínico familiar permiten asociar la presencia de un único cambio genético a la aparición de una condición determinada. Sin embargo, en el caso de enfermedades en las que intervienen múltiples genes o en las que los factores ambientales tienen un papel relevante, la determinación, y especialmente, la demostración, de cuáles son los factores genéticos que están actuando, requiere de otro tipo de aproximaciones no disponibles hasta la fecha.
Un ejemplo de esta situación son las enfermedades congénitas del corazón, que engloban los diferentes defectos en la estructura del corazón que pueden presentarse en el momento del nacimiento. Hasta el momento se han identificado variaciones genéticas concretas responsables de una proporción de los pacientes con anomalías cardiacas congénitas. Sin embargo, muchos casos no han podido ser diagnosticados genéticamente. Una de las hipótesis para explicar por qué es que en el desarrollo de estos casos puedan intervenir diferentes variantes genéticas, que además, interaccionen entre sí. El problema, hasta la fecha, era demostrarlo.
Un nuevo estudio, publicado en Science, acaba de probar que la hipótesis es correcta y la combinación de varias variantes puede causar una enfermedad cardiaca congénita. “La idea de que múltiples variantes genéticas son necesarias para producir las enfermedades más complejas ha circulado durante mucho tiempo, pero probarla ha sido difícil”, señala Casey Gifford, investigadora en los Institutos Gladstone y primera autora del trabajo. “Con el adviento de la edición del genoma mediante CRISPR y las mejoras en la tecnología de células madre pluripotentes humanas sentimos que finalmente hemos tenido las herramientas adecuadas para probar esta hipótesis una vez encontramos el correcto caso de estudio”.
Los investigadores partían de una familia con diferentes casos de enfermedad cardiaca congénita severa. El primer paciente del estudio había sido una niña de dos meses que no mostraba una maduración adecuada del corazón y no podía bombear correctamente la sangre. El equipo investigó al resto de miembros de la familia y detectó que un hermano anterior había fallecido durante el embarazo por la misma condición y la hermana mayor, de cuatro años, presentaba un defecto cardiaco congénito similar. Además, al investigar el funcionamiento del corazón de los padres, que no habían reportado problemas previamente, el equipo encontró que, si bien la madre no presentaba ninguna anomalía, el padre presentaba una forma asintomática de la enfermedad.
Para determinar las causas de la enfermedad cardiaca congénita, los investigadores secuenciaron el exoma completo de los diferentes miembros de la familia. Tras filtrar e interpretar los resultados, el equipo encontró que el padre había transmitido a los tres descendientes dos variantes de los genes MKL2 y MYH7 descritas como dañinas por diferentes algoritmos. MYH7 codifica para una cadena de la miosina, para el que se han identificado variantes relacionadas con enfermedades cardiacas y MKL2 codifica para un miembro de la familia de miocardinas, reguladores de dos elementos proteicos esenciales para la formación del corazón.
Sin embargo, dada la gravedad de la enfermedad observada en los niños y el fenotipo del padre, portador de las dos variantes, los investigadores se plantearon si podía existir una variante transmitida por la madre, que ejerciera de modificador del fenotipo en los niños. Los investigadores buscaron de nuevo variantes compartidas por los tres niños y la madre que pudieran tener una función en el contexto cardiaco y encontraron una tercera variante que podía ser relevante para la enfermedad, localizada en el gen NKX2-5.
Los investigadores se plantearon que la combinación de las tres variantes era la responsable de la aparición de los defectos cardiacos observados en los tres niños. El siguiente paso de la investigación era demostrarlo. Para ello los investigadores utilizaron la herramienta CRISPR de edición del genoma para generar ratones que fueran portadores de las variantes genéticas identificadas en la familia como causantes de la enfermedad.
Los ratones modelo generados para tener una de las tres variantes identificadas no mostraron signos de enfermedad cardiaca. Sin embargo, aquellos animales portadores de las tres variantes de forma simultánea mostraban los mismos defectos observados en los niños. Los análisis de expresión génica de estos animales mostraban cambios en la expresión de múltiples genes relacionados con el desarrollo y función cardiovascular.
El último paso de los investigadores era comprobar que los resultados obtenidos en ratón eran trasladables a humanos y las variantes identificadas tenían un efecto en células humanas. Para ello, el equipo generó células madre pluripotentes inducidas a partir de células de diversos miembros de la familia y las diferenció en células cardiacas. A los siete días de diferenciación, los investigadores empezaron a observar diferencias entre las células de los pacientes afectados por enfermedad cardiaca congénita, con cambios de expresión acordes a los observados en ratones.
Los resultados del trabajo indican que la combinación de tres variantes es suficiente para causar los defectos cardiacos observados en los tres niños. Los investigadores apuntan a que las variantes en MYH7 y MKL2 condicionan la aparición de los defectos estructurales en el corazón y es la presencia de la tercera variante en NKX2-5, como modificador genético, lo que desencadena la temprana aparición de la enfermedad.
Los autores del artículo resaltan que la disponibilidad de herramientas como CRISPR o células madre pluripotentes inducidas abre un camino de posibilidades hacia la identificación de variantes modificadoras y una mejor comprensión de las bases genéticas de las enfermedades cardiacas.
“Este trabajo proporciona finalmente pruebas experimentales de cómo un gen modificador podría estar funcionando para influir el proceso de enfermedad en humanos, y cómo múltiples genes funcionan juntos para causar enfermedad humana”, señala Deepak Srivastava, investigador y pediatra en el Instituto Gladstone de Enfermedad Cardiovascular y la Universidad de California San Francisco y director del trabajo. “Nos apunta hacia un camino en el que una mutación en un gen podría mejorar o empeorar según con qué está combinada. Este descubrimiento abre la puerta a la identificación de modificadores genéticos de enfermedad y a su utilización como dianas para desarrollar nuevas terapias”.
Investigación original: Gifford CA, et al. Oligogenic inheritance of a human heart disease involving a genetic modifier. Science. 2019. Doi: http://dx.doi.org/10.1126/science.aat5056
Fuente: Combination of Three Gene Mutations Results in Deadly Human Heart Disease. https://gladstone.org/about-us/press-releases/combination-three-gene-mutations-results-deadly-human-heart-disease
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