Conceptul de boli genomice a fost introdus în 1998, de către James Lupski,
pentru a descrie afecţiuni genetice care se produc prin rearanjarea structurii genomului uman, determinată de anumite caracteristici ale arhitecturii sale,
ce-l predispun la instabilitate. Prin
aceasta, bolile genomice se deosebesc de bolile monogenice clasice cauzate de
mutaţii specifice, „punctiforme“, în secvenţa nucleotidică ADN a unei gene: în
bolile genomice, este modificată structura genomului şi nu structura unei
anumite gene.
Lupski a studiat mecanismul molecular de
producere a două afecţiuni neurologice ereditare frecvente: boala Charcot-Marie-Tooth tipul 1A (CMT1A) – o neuropatie periferică,
demielinizantă, motorie şi senzorială – şi neuropatia
ereditară cu pareze induse de presiune (HNPP); el a demonstrat că CMT1A
este produsă de o duplicaţie a genei PMP22 (care codifică proteina mielinei
periferice 22), iar HNPP rezultă prin deleţia
aceleiaşi gene. Analiza moleculară a regiunii în care este situată gena PMP22, pe braţul scurt al cromozomului
17 (17p12), a evidenţiat că această genă este flancată de două secvenţe
repetitive mici, cvasiidentice (numite LCR – de la „low copy repeats“ – repetiţii cu număr mic de copii). Ele sunt
implicate într-un mecanism de „rearanjare
genomică“, care are loc în cursul meiozei (formării gameţilor), denumit recombinare
omologă nealelică (prezentat în detaliu în caseta alăturată). Prin
acest mecanism, între cromozomii din „perechea de omologi1” se produce un schimb
(„recombinare“) inegal de segmente, care va genera duplicaţia şi,
respectiv, deleţia genei PMP22, generând
astfel cele două afecţiuni „de dozaj
genic“: CMT1A şi HNPP.
Ulterior, Lupski a demonstrat că bolile
genomice sunt diverse: în funcţie de
mărimea segmentului genomic implicat, deleţia şi duplicaţia – rezultate prin
recombinare omologă nealelică – pot produce boli
monogenice, mendeliene (de tipul CMT1A şi HNPP), precum şi sindroame cromozomiale cu microdeleţii sau microduplicaţii,
care implică mai multe gene învecinate (de exemplu, sindromul Smith-Mageneis,
produs de deleţia 17p11.2, sau sindromul de microduplicaţie a aceleiaşi
regiuni, numit şi sindromul Potocki-Lupski). În ambele situaţii, fenotipul
clinic este consecinţa unui dozaj anormal
– haploinsuficienţă (în deleţii) sau hiperexpresie (în duplicaţii) – a
genei/genelor localizate în segmentul cromozomial ce a suferit „rearanjarea“
genomică.
Progresele cunoaşterii în acest domeniu nou
al bolilor genomice au fost la început mici, ca urmare a limitelor tehnologice şi
conceptuale (gândirea „genocentrică“,
axată pe alterarea unei gene specifice). Ulterior, introducerea tehnicilor de
analiză a întregului genom (hibridizare genomică comparativă pe microreţele sau„array CGH“) şi finalizarea Proiectului
Genomul Uman au dus la amplificarea cunoştinţelor,
demonstrând că recombinarea omologă nealelică generează modificări genomice
diverse: deleţii, duplicaţii, inversii şi variaţii ale numărului de copii („copy number variations“ – CNV) ale
segmentului genomic flancat de LCR.
Una dintre surprizele descifrării
structurii genomului uman a fost abundenţa
secvenţelor repetitive, precum şi a duplicaţiilor segmentale sub formă de
LCR (segmente de ADN de 10–200 Kb şi peste 95% identitate de secvenţă), care alcătuiesc
5,4% din genomul de referinţă. Duplicaţiile LCR sunt prezente în întregul
genom, fiind situate în poziţii diferite, în acelaşi cromozom sau în cromozomi
diferiţi, şi având orientare „directă“ sau „inversată“. Prin împerecherea
imperfectă a acestor secvenţe duplicate cvasiidentice şi recombinare reciprocă (v. figura) se produce o varietate de
modificări structurale: duplicaţii şideleţii (între LCR orientate direct
pe acelaşi cromozom), inversii (între
LCR orientate invers pe acelaşi cromozom) şi translocaţii reciproce (între LCR localizate pe cromozomi diferiţi).Duplicaţiile segmentale reprezintă,
deci, caracteristici arhitecturale
ale genomului ce predispun la instabilitatea şi modificarea lui,
deoarece produc, de obicei prin recombinare omologă nealelică, rearanjări
genomice ale segmentului delimitat de aceste duplicaţii. A devenit
evident că: (1) rearanjările cromozomiale nu
sunt întâmplătoare şi (2) producându-se în anumite „puncte fierbinţi de recombinare ectopică“, ele sunt recurente (se pot produce identic la mai
multe persoane neînrudite). Pentru a avea o imagine completă a fenomenului de
remaniere genomică, trebuie să menţionăm că au fost descrise şi rearanjări non-recurente, produse în regiuni
genomice cu secvenţe repetitive cvasiidentice (de exemplu, microsateliţi) prin
alte mecanisme, ce implică replicarea sau repararea ADN.
Variaţiile
numărului de copii (CNV), determinate de rearanjările genomice, apar cu o
frecvenţă (aproximativ 10–6–10–4) de 100–10.000
ori mai mare decât rata mutaţiilor ADN prin modificări nucleotidice
(aproximativ 10–8), fapt ce permite concluzia că acest fenomen frecvent este mecanismul cel mai important de variabilitate
genomică şi, implicit, de producere a numeroase boli umane.
Prin analiza comparativă a genomurilor
diferitelor specii de vertebrate, s-a stabilit că LCR sunt rare la cele mai
multe mamifere, dar prezintă o expansiune
semnificativă la primate şi om, jucând,
probabil, un rol important în evoluţia genelor şi a genomului uman. Duplicaţiile
genice, urmate de diversificarea rapidă a secvenţelor duplicate, au fost un
„rezervor“ de producere a unor fenotipuri adaptative, prin creşterea dozajului
unor gene specifice, ce determină avantaje
evolutive („ipoteza Ohno“). De exemplu, achiziţia vederii colorate (tricromice)
la primatele superioare, asociată cu pierderea multor gene pentru receptorii
olfactivi, denotă rolul mai mare al vederii colorate în percepţia mediului,
comparativ cu olfacţia. Unele gene care deosebesc omul de cimpanzeu au apărut şi
s-au amplificat (prin duplicaţii repetate) datorită recombinării secvenţelor
repetitive mici (LCR) care le flanchează. Dintre acestea, cităm amplificarea
genei amilazei salivare (AMY1), care
a favorizat consumul de glucide în primele societăţi umane agricole, sau amplificarea
genei pentru aquaporina 7 (AQP7),
implicată în transportul apei, glicerolului şi ureei, care a contribuit la creşterea
capacităţii umane de a rezista la efort. Recent, s-a evidenţiat la om amplificarea a 140 de gene, cele mai
multe dintre ele implicate în funcţia neuronilor, dezvoltarea creierului uman şi
funcţiilor cognitive, precum şi „naşterea“
unor gene noi.
Rolul benefic al duplicaţiilor segmentale şi
al flexibilităţii genomice în evoluţia
relativ rapidă a omului are, însă, şi un „revers
al medaliei“, deoarece, generând o predispoziţie
la instabilitate genomică, determină apariţia, la unii indivizi, a unor
rearanjări asociate cu boli variate. În funcţie de mărimea segmentului genomic
implicat şi de numărul de gene localizate în regiunea remaniată, rearanjările
genomice pot produce boli monogenice,
sindroame cromozomiale cu microdeleţii/microduplicaţii sau aberaţii cromozomiale mari (inversii,
translocaţii reciproce, izocromozomi). Recent, s-a demonstrat că recombinarea
omologă nealelică este implicată şi în etiologia unor boli complexe, multifactoriale, precum şi a unor tipuri de cancere. Alteori, rearanjările genomice
produc doar polimorfisme benigne, fără
consecinţe fenotipice, prin variaţii ale numărului de copii (CNV) ale unui
segment genomic; acestea pot însă influenţa răspunsul şi
vulnerabilitatea/rezistenţa organismului la „agresiunile“ mediului, inclusiv
efectele medicamentelor la persoane diferite.
Mecanismele
moleculare
prin care rearanjările genomice (duplicaţii, deleţii, inversii, translocaţii)
determină un fenotip anormal sunt
multiple: • modificarea dozajului genic,
prin duplicaţia sau deleţia unei gene (de exemplu, duplicaţia genei PMR22 în CMT1A şi deleţia ei în HNPP) • pierderea funcţiei, prin inactivarea
genei, atunci când punctul de rupere este localizat într-o genă funcţională • câştig de funcţie, prin fuziunea a două
gene, în urma unor translocaţii (fenomen frecvent implicat în producerea multor
cancere) • efecte de poziţie, prin îndepărtarea
sau alterarea secvenţelor reglatorii • demascarea
unei alele recesive, prin deleţii care îndepărtează alela normală de pe
cromozomul omolog.
Aşa cum am arătat mai sus, rearanjările
genomice prin recombinare ectopică mediată de secvenţe repetitive mici determină
un număr şi o varietate mare de boli,
prezente în multiple specialităţi medicale. Considerăm că „inventarierea“
lor (chiar şi parţială) ar putea oferi o imagine mai completă asupra
amplitudinii implicării bolilor genomice în patologia umană şi o „motivaţie“
pentru cunoaşterea lor de către toţi medicii.
Dintre bolile
monogenice, transmise mendelian, ce pot fi produse şi prin rearanjări
genomice, cităm: boala polichistică renală tip 1 (ADPKD), nefronoftizia juvenilă,
hemofilia A, talasemiile alfa şi beta, boala Charcot-Marie-Tooth tip 1A,
neurofibromatoza tip 1, atrofia musculară spinală, distrofia musculară
Duchenne, hiperplazia congenitală de suprarenală, sindromul de insensibilitate
la androgeni, boala Gaucher tip 1, cancerul colorectal non-polipozic ereditar
(HNPCC sau sindromul Lynch tip 1), discromatopsia pentru culoarea roşu/verde
etc.
Sindroamele
cu microdeleţii sau microduplicaţii cromozomiale sunt produse prin
pierderea sau câştigul unor fragmente cromozomiale mici (1–4 Mb), care pot fi
detectate numai prin tehnicile de analiză citogenetică moleculară. Conform
bazei de date DECIPHER2, se cunosc astăzi mai mult de 60 de asemenea sindroame.
Unele sunt mai frecvente (de exemplu, sindromul velo-cardio-facial afectează
1:2.000 nou-născuţi, iar microdeleţiile cromozomului Y se întâlnesc la 20% din
bărbaţii infertili), dar majoritatea sunt rare; global însă, aceste sindroame
constituie a treia cauză genetică de
retard mental, după sindromul Down şi sindromul X fragil. Fenotipul
sindroamelor cu microdeleţie este de obicei determinat de haploinsuficienţa
uneia sau mai multor gene învecinate, situate în segmentul absent (de aceea, se
mai numesc sindroame ale genelor
contigue). Sindroamele cu microdeleţii sunt mai uşor de depistat clinic,
comparativ cu sindroamele de microduplicaţii, care produc fenotipuri „mai blânde“,
ce pot „scăpa“ identificării clinice (excesul de informaţie este de obicei mai
puţin „dăunător“ decât deficienţa ei). Teoretic – pe baza mecanismului de
recombinare omologă nealelică – sindroamele cu microduplicaţii ar trebui însă să
fie la fel de frecvente ca şi cele cu microdeleţii; acest fapt a fost confirmat
prin descoperirea tuturor duplicaţiilor corespunzătoare unui segment deletat.
Recent, s-a demonstrat că recombinarea
omologă nealelică este implicată şi în boli
complexe, multifactoriale (de exemplu: deleţia 17q12 în diabetul zaharat cu
debut la maturitate; deleţia 15q13.3 şi 1q21.1 în schizofrenie, convulsii
idiopatice; deleţia 16p11.2 în autism, tulburări de comportament), iar variaţiile
numărului de copii (CNV) din genomul uman au fost asociate cu susceptibilitatea
la infecţie HIV, boală Crohn, glomerulonefrite, psoriazis, lupus eritematos
sistemic (LES), pancreatite şi multe alte boli.
Se poate conchide că recombinarea omologă
nealelică mediată de secvenţe repetitive mici (LCR) este un fenomen frecvent şi
un mecanism major de producere a numeroase boli umane. Acest fapt este
confirmat de frecvenţa anomaliilor structurale în cancere (de exemplu, diferite translocaţii specifice şi
izocromozomul 17q în hemopatiile maligne), de rata mare a CNV patologice la 20%
din nou-născuţii cu anomalii congenitale
sporadice, precum şi de rearanjările genomice care se produc în cursul
mitozei celulelor somatice şi generează „mozaicuri genomice celulare“ patogene.
Proiectul Genomul Uman a stabilit secvenţa şi structura unui genom haploid de
referinţă şi nu a putut anticipa mecanismele şi frecvenţa bolilor genomice şi
nici amplitudinea variaţiilor numărului de copii (CNV) din genomul diploid,
evidenţiate de metodele actuale de analiză de înaltă rezoluţie a genomului. A
apărut astfel genomica inversă, care
studiază relaţiile dintre genomotip
(rearanjările genomice) şi fenotip.
În concluzie, dezvoltarea conceptului de
boli genomice, definirea mecanismelor de producere a acestor afecţiuni şi
folosirea unor tehnici noi de analiză a întregului genom au dus la îmbunătăţirea
identificării clinice şi descoperirea etiologiei multor boli umane. Studiile
acestor fenomene şi boli au furnizat noi informaţii despre structura şi evoluţia
genomului uman şi au conturat rolul
arhitecturii genomice (duplicaţii segmentale şi secvenţe repetitive) în
determinismul instabilităţii genomice,
care a facilitat evoluţia omului, dar a devenit şi o cauză de boală. Mai mult,
amplificarea cunoştinţelor despre CNV sugerează că aceste variaţii polimorfice
ar putea juca un rol major în determinismul bolilor complexe, multifactoriale
ale adultului.
