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De la gentica a la clnica en lostrastornos psiquitricos:

factores de vulnerabilidad/proteccin

Unidad de Trastornos AdictivosServicio de Psiquiatra

Hospital Universitario 12 de octubreMadrid2004

Kandel E. A New Intellectual Framework for Psychiatry. American Journal of Psychiatry 1998 April; 155(4): 457-469

Enfermedades psiquitricas, comportamiento y genes

Complejidad de los caracteres relacionados con el pensamiento y la conductaLa plasticididad neuronal como respuesta al medio ambiente

1. ..Los genes alterados, por s solos, no explican todas las variantes de la enfermedad mental. Los factores sociales y del desarrollo contribuyen de forma importante...

2."...Las alteraciones en la expresin gentica inducidas por el aprendizaje, originan cambios en los patrones de conexinneuronal...

3. "...La psicoterapia y la intervencin psicosocial (que ocasionancambios a largo plazo en el pensamiento y comportamiento)afectan la expresin gentica, ya que producen modificaciones de las conexiones sinpticas, as como cambios estructurales en los patrones anatmicos de interconexin de las vasneurales..."

Heredabilidad (h2)

Proporcin de la varianza para un rasgo en la poblacin que se debe a factores genticos

A: heredabilidad ( variacin fenotpica debida a factores genticos )

C: variacin fenotpica debida a ambientes comunes

E: variacin fenotpica debida a ambientes no compartidos

R. Plomin y col. Behavioral Genetics (2001)

1. Indice de recurrencia2. Concordanci a cl nica :gem elos m onozigticos y dizigt icos3. Estudios de adopci n

Herencia y alcoholismo

Los familiares cercanos de alcohlicos tienen un riesgo triple o cudruple

Cotton, 1979; Goodwin, 1988 Hay mayor concordancia en gemelos monocigticos que en

dicigticos. Schuckit, 1981

Nios adoptados de padres biolgicos con alcoholismo, tienen un riesgo cuatro veces mayor.

Goodwin et al, 1973 y 1975

Herencia y abuso de drogas Estudios familiares

mayores tasas de trastornos por uso de drogas entre familiares de adictos. mayores tasas de depresin, personalidad antisocial y alcoholismo mayores tasas de familiares con trastornos por uso de drogas entre adictos a

opiceos

Rounsaville et al, 1991; Merikangas et al, 1998 Estudios de gemelos

Mayor concordancia entre gemelos monocigticos Grove et al, 1990

Mayor concordancia para varones Pickens et al, 1991

Mayor heredabilidad para el caso de los opiceos, y menor para el cannabis Golberg et al, 1993; Tsuang et al, 1998; Kendler et al, 1999

Estudios de adopcin correlacin significativa con alcoholismo en el padre biolgico no correlacin con alcoholismo en el padre adoptivo.

Cadoret et al, 1986 y 1995

Factores hereditarios en TDAH

Importante asociacin familiar compatible con un modelo autosmico dominante con alta penetrancia, y mayor componente hereditario en mujeres (Faraone et al, 1992)

Mayor frecuencia de TDAH en padres biolgicos que en padres adoptivos de nios con TDAH (Cantwell 1972, Morrison y Stewart, 1973)

Mayor concordancia en gemelos monozigticos (51%) que en dizigticos (33%)(Goodman y Stevenson, 1989)

2

Factores hereditarios en psicopata Asociacin en familias y estudios de adopcin (Cadoret et al,

1980, 1991)

Mayor concordancia en gemelos monocigticos (51%) que en dicigticos (22%) (McGuffin y Gottesman, 1985)

Mayor heredabilidad para el trastorno antisocial del adulto(Raine et al, 1995)

Teora de los dos umbrales: mayor heredabilidad en mujeres, mayor sensibilidad al ambiente (interno o externo) en hombres.

Factores hereditarios en esquizofrenia

Los familiares de primer grado tienen un riesgo entre 5 y 15 veces mayor

Concordancia en gemelos monocigticos triple que en dicigticos

Concordancia en estudios de adopcin: Heredabilidad global del 89%

Kendler y Gruenberg, 1984 Ingram y Ketty, 2000

Cardno y Gottesman, 2000

Los factores genticos constituyen el riesgo mas importante para la esquizofrenia

No afectado Afectado

Kringlen and Cramer, 1989; Gottesman and Bertelsen, 1989

Valores de concordancia entre gemelos monocigticos

46% de los gemelos MZ presentan concordancia para esquizofrenia

Riesgo para la descendencia~ 15%

Genes compartidos

0 20 40 60

1

2

2

4

5

6

13

9

6

48

17

12,5% Familiares detercer grado

25% familiares desegundo grado

50% familiares deprimer grado

Poblacin general

100%

El riesgo de esquizofrenia a lo largo de la vida se correlaciona con la proximidad gentica a una paciente con esquizofrenia

Riesgo de padecer la enfermedad

Hiptesis actual:

En la etiologa de la esquizofrenia intervienen mltiples genes con diferente contribucin, que interaccionan entre ellos y con el medio

ambiente

Vulnerabilidad a la enfermedad

La esquizofrenia es un trastorno del neurodesarrollo

Anormalidades en las conexiones sinpticas

a. Trastorno de Herencia Mendeliana: su presencia depende de unnico gen (rasgo mendeliano)

b. Trastorno de Herencia compleja: expresin depende de la contribu-cin de muchos genes y su interaccin con el ambiente

c. Trastornos mitocondriales

Gentica Molecular Humana

3

Excepcin: Mutaciones en un nico gen causan la enfermedad (esquizofrenia)

Mltiples genes, sus interrelaciones y el ambiente

Reto actual: Identificar las variantes allicas de susceptibilidad

Gentica Molecular de trastornos psiquitricos

R P

Herencia Mendeliana o Monognica

*Caracteres cualitativos

* Un solo gen con dos alelos

* Dominancia-recesividad

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/

Autosmica dominante

Autosmica recesiva

Ligada al cromosoma X dominante

Ligada al cromosoma X recesiva

Ligada al cromosoma Y

Complicaciones de la herencia mendeliana:

*Heterogeneidad gentica: un mismo fenotipo producido por cambios en diferentes genes

*Penetrancia: frecuencia de expresin de un alelo

*Expresividad variable: una mutacin esta asociada a diferentes fenotipos

*Genes modificadores: interacciones entre diferentes pares gnicos

*Influencia del medio ambiente

En las enfermedades mendelianas el anlisis gentico comienza con el rbol genealgico

Bsqueda de mutaciones

Gentica Molecular Humana de enfermedades monognicas

Mutaciones Las mutaciones consisten en cambios en la secuencia del ADN

Tipos:*Inserciones*Deleciones*Puntuales*Reorganizaciones

WKL1Gen: 12 exones (280 Kb)Cromosoma:22q13.33

Protena nueva: canal inico que se expresa en cerebro

Clnica: esquizofrenia catatnica

Meyer y col, 2001

4

Mecanismo patolgico: cambios conformacionales en la protena mutante

Mutacin : 1121C/ALeu309Met

WKL1

Anlisis de expresin

Meyer y col, 2001

SYNGR1Gen: 6 exonesCromosoma: 22q13Protena: Sinaptogirina1 Funcin: plasticidad sinpticaClnica: Esquizofrenia paranoide

Verma y col, 2004

Mutacin Puntual:Trp27Stop

Mecanismo patognico: haploinsuficiencia

SYNGR1 Anormalidades cromosmicas en esquizofrenia:

Traslocacin balanceada y recproca (1:11) (q42;q14.3)Gen: DISC1 y DISC2

DISC1 regulacin del citoesqueleto(migracin neuronal y trasporte intracelular)DISC1 interacciona con WKL1

Microdelecin del cromosoma 22q11 (2% de pacientes)Sndrome 22qDS asocia a esquizofrenia (25-30%) Gen: COMT codifica catecol-o metil-transferasaRatones knock-out para COMT: aumento de dopamina solo en la corteza

prefontal

Esquizofrenia de herencia compleja

Mltiples genes con diferente contribucin que determinan diferentes subtipos clnicos

La esquizofrenia podra ser un sndrome donde se solapan un conjunto de sntomas o sndromes

Los sntomas se relacionan con variaciones de alelos de susceptibilidad, que se combinan produciendo la varianza en

el cuadro clnico

BC

A

Gen AGen BGen C

Gen AGen DGen E

Gen EGen FGen G

Gen FGen DGen H

Alelos de vulnerabilidad oproteccin

Rasgo 1

Rasgo 2

Rasgo 3

Rasgo 4

Sndromes

AmbienteDesarrollo

Farmacolgicos

Herencia compleja: Genes y Ambiente

El RETO: identificar los alelos implicados

5

Estudios genticos en familias con esquizofrenia

1. Ligamiento gentico: determina regiones en el genoma que se trasmiten con la enfermedad en familias afectadas. 1200 familiasResultados: evidencias de ligamiento con varios loci

2004: 6p24-22, 1q21-22 y 13q32-34

2. Asociacin gentica: determinar los alelos (variantes de un mismo gen) que son ms o menos frecuentes en las poblaciones de pacientes cuando se comparan con poblacin control sana.Requerimiento: Escoger regiones candidatas en el genoma

Estudio de ligamiento en familias :

El anlisis de ligamiento permite identificar las regiones en elgenoma que se trasmiten con la enfermedad en familias con

varios individuos afectados

Loci de los genes implicados en la enfermedad

Familias

Mapa GenticoAnlisis de ligamiento

Met A A MetT TG G

Val G G ValT TC C

Ser T T SerC CA A

Leu C C LeuT T G G

Gln C T StopA AA A

Pro C CC CG G

Anlisis intensivo

Intervalo de ligamiento

Clones GenesCandidatos

Secuencia

Identificacin de lamutacin

Resultados actuales de ligamiento gentico:

1q21-226p24-2213q32-34

8p21-226q21-25

22q11-125q21-q2310p15-p111q42

Meta-anlisis de 20 bsquedas genmicas:

1q21-22, 6p24-22, 13q32-34

Lewis y col, 2003

El anlisis de ligamiento de familias no ha permitido identificar los genes implicados en la esquizofrenia

a. Herencia polignica

b. Baja contribucin de cada gen

6

Como identificar los genes implicados en los loci de la esquizofrenia?

Estudio de genes candidatos en familias

Seleccin de genes candidatos

a. Localizacin en las regiones de intersb. Conocimiento de los mecanismos fisiolgicos

y patolgicos implicados

Estudios de Asociacin

Anlisis de polimorfismos

Los polimorfismos son variantes de un gen o aleloscon frecuencia mayor del 1% en la poblacin

Los polimorfismos son variaciones en el DNA

Las variaciones en el DNA se asocian a las variaciones biolgicas

1. Cada persona tiene un genoma ligeramente diferente

2. Algunas diferencias alteran la funcin biolgica

Algunos tipos de polimorfismos del genoma:

1.VNTRs o minisatlites: poliallicos

2.STRS o microsatlites: poliallicos, muy informativos,inestables

3.SNPs: biallicos, muy frecuentes, estables

DRD4

DRD4Cromosoma 11p15.5D4 en reas lmbicas implicadas en cognicin y emocinPolimorfismos: VNTR(48pb2-11) 32 a 176 aa capacidad de unin ligandos

SNPmicrosatlitesdeleciones

Como podemos saber el genotipo

1. Reaccin en cadena de la ADN polimerasa (PCR) de la regin genmica que contiene polimorfismo

2. Anlisis del producto amplificado

3. Anlisis estadstico

7

Receptor de Serotonina 5HTT

AGGAGCGTGTACTACCCCAGGACGCATGCAGGGCCCCCAC

Presencia o ausencia de 44 pb

tggtggcacg tgcctgtagt cccagctact cgggaggctg aacccaggaa gtggaggttg cagtgagcca agatcatgcc attgcactcc agcctgggtg ttgcagggag actccgtctc aaaaacaaca aacaaacaaa cataaaaaag aatacatctc ggtgtgtgat gttccccttc ctgtgtccat gtgttctcat tgttcaattc ccacctatga gtgagaacat gcagcacacc aacatggcac atgtatacat atgtaactaa cctgcatgtt gtgcacatgt accctaaaacttaaagtata ataataataa taataataat aataataata ataataataa taaagattacacctctttcc cttaatggca gggttaacag aagcagcatt ttgtgacaca tgattgtgctgggagaaggg tgaaagaaaa aggaagatgg attcctttaa taagggtgta gtgctctttt

Tamao del fragmento amplificado: ~270 pb

Secuencia de la regin que contiene el microsatlite AATn

Anlisis del microsatlite (AAT)n de CNR1 en pacientes

(AAT)16Allelo 10

(AAT)7Alelo 1

8

Seleccin de los SNPs apropiados para estudiar una poblacin Clasificacin de los SNPs

1. Si cambia el aminocidoFuncin de la protenaEstabilidad de la protena

2. Si no cambia el aminocido:Alterando la expresin

Elemento del promotorEstructura del mRNA

Genotipado del polimorfismo TaqI A del gen del receptor 2 de la dopamina (DRD2)

Genotipado del polimorfismo TaqI A del gen del receptor D2 de la dopamina (DRD2)

agccaccacggctggccaagttgtctaaatttccatctcggctcctggcttagaaccacccagagtggccactgacggctccttgccctctaggaaggacatgatgccctgctttcggctgcggagggccagttgcaggggtgtgcagctcactccatcctggacgtccagctgggcgcctgcctcgaccagcactttgaggatggctgtgttgcccttgagggcggccaggtgggcgggtgtccagcccaccttgttgcgggcgtggacatttgcgtgatgttctakgaggttgatgacactcag

Secuencia del fragmento amplificado

SNP: C/TDiana del enzima: tcga

Alelo 1 : tcgaAlelo 2: ttga

El polimorfismo TaqI A del gen del receptor D2 de la dopamina (DRD2) se asocia a rasgos antisociales y al

endofenotipo niveles de HVA en alcohlicos

Los alcohlicos portadores del alelo TaqI-A1 tienen niveles de HVA situados en rango alto de la normalidad (OR 2,22)

El alelo TaqI-A1 aparece con mayor frecuencia en los alcohlicos Tipo 2que en los controles (48,31% vs 28,17; p = 0,015) y que en alcohlicos tipo 1

(28,31%)

Electroforesis en gel de agarosa

310 pb (A1)185 pb (A2)125 pb (A2)

5 = HZ [TT] (alelo A1)1,2,4,6,7,8,9 = HZ [CC] (alelo A2)3,10 = DZ [TC] (alelo A1 y A2)

2 3 4 5 6 7 8 9 101

Ponce y col 2004

Ponce y col 2003

Los alelos de polimorfismos de un nucletido (SNPs) que estn cercanos:

-Estn en desequilibrio de ligamientoEstn fuertemente asociados (40 a 1000 Kb)

-Forman parte de un haplotipo:

No es suficiente el genotipado de un polimorfismo

Estudio de haplotipos:grupo de alelos que se transmiten juntos

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Las variantes genticas comunes tienen mayor impacto clnico y sobre las enfermedades complejas que los alelos raros

y de baja penetrancia dominantes

Estudios genticos de asociacin aplicados a enfermedades complejas

Estrategias:

Directa: Catlogo de todas las variantes comunes en regiones reguladoras y codificantes de los genesAplicacin: a medio plazo (necesaria la identificacin detodos los genes y sus variantes)

Indirecta: Estudio de ligamiento y/o asociacin entre la enfermedad ypolimorfismos repartidos por el genoma

1. Comparticin de alelos (IBD)- No se asume modelo de herencia- Sib-pair analysis

2. Estudios de asociacin- No implican estudios familiares

3. TDT (trasmition disequilibrium test): test que mide en familias la transmisinde la asociacin allica

Estudios genticos aplicados a enfermedades complejas

Estrategia directa:

Seleccin de genes candidatos

*Conocimiento de los mecanismos fisiolgicos y patolgicos implicados

*Localizacin en las regiones de inters

Bases de datos de polimorfismosgenticos

Genes candidatos en la esquizofrenia

1. Genes implicados en la transmisin dopaminrgica (DRD1,DRD2,DRD3,DRD4, DRD5, COMT,CCK) y serotoninrgica

2. Sistemas glutamatrgico y GABAergico

3. Neurodesarrollo y neuromodulacin

4. Protenas de la sinapsis

COMTCatabolismo de la dopamina

COMT 22q-11-12

Bray y col, 2003

RGS4 acoplados a receptores a protenas G aumentando respuesta a agonistas

RGS41q21-q22

Mirnicks y col, 2001

DAOModular a receptores glutamatrgicos a travs de la oxidacin de SerinaDetoxificacin

DAAO12q

Chumakov y col,2002

PLG72Activador del enzima D-amino cido oxidasa (DAO)

G7213q32-34

Chumakov y col,2002

Neuroregulina 1 protena sinptica que regula expresin y regulacin de receptores NMDA, de clulas gliales y mielinizacin

NRG18p22-p21

Stefasson y col, 2002

DisbindinaRegulador de receptores nicotnicos, NMDA(estructura de la sinapsis?)

DTNBP1 6p24-22

Straub y col, 2002

Gen ,locus Protena, funcin

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Defectos en la trasmisin glutamatrgica:

PLG72 (G72) activador de DAAO (DAO)

Regulacin de sealizacin glutamatrgica en receptores neuronales NMDA

Neuroregulina 1 (NRG1) Disbindina (DTNBP1 )

Combinaciones allicas especficas incrementan el riesgo

Disminuyen actvidad

Disminuyen actvidad

Datos farmacolgicos:

Antagonistas glutamatrgicos pueden inducir sntomas indistinguibles de la esquizofrenia (Fenil-ciclidina)

Defectos en la transmisin dopaminrgica :

RGS4. disminudo en cerebro de pacientes

COMT: haplotipo con una expresin menor

Calcyon: aumento de esta protena que estimula y regula la afinidad dopaminrgica del receptor D1 en la corteza prefrontal

Datos farmacolgicos:

Antagonistas del receptor dopaminrgico D2 alivian los sntomas

Agonistas dopaminrgicos pueden provocarlos

Reduccin de la actividad glutamatrgica(exitatorio/regulador del tono inhibitorio-NMDA)

Desinhibicin en regiones cerebrales del sistema lmbico y neocortex

Sntomas

D2 regula Actividad de receptor NMDA

Distribucin de genotipos para el SNP de DRD2 C957T en pacientes psiquitricos

140

120

100

80

60

40

20

Nm

ero

de in

divi

duos

(N)

A80

40

20

6050

30

10

70

B70

50

30

20

10CCCTTT

CO

NTR

OLS

ALC

OH

OLI

CS

SCH

IZO

PHR

ENIC

S

40

60

CVarones Mujeres

CO

NTR

OLS

ALC

OH

OLI

CS

SCH

IZO

PHR

ENIC

S

CO

NTR

OLS

ALC

OH

OLI

CS

SCH

IZO

PHR

ENIC

S

(X2: 4,813; df:4; p:0,307) (X2: 3,022; df:4; p:0,554) (X2: 9,537; df:4; p:0,049)

Hoenicka y col, 2004

Identificacin de nuevos genes

1. Estudios de expresincuantitativa:

Microarrays

2. Estudios de protenasGeles bidimensionales

*

*Genes implicados en la secrecin pre-sinptica

*

11

Expresin de enfermedades complejasFactores de riesgo genticos implicados

en las conductas adictivas:

Vulnerabilidad

Eficacia en el tratamiento

Medicina Personalizada: alta eficacia, bajo riesgo

Reto: anlisis molecular en la prctica mdica

Futuro: tratamiento farmacolgico segn genotipo

Factores genticos:Pronstico de respuesta

farmacolgicaToxicidad

Diseo de nuevos frmacos

Farmacogentica y Farmacogenmica

Cintica de un frmaco

AdministracinAbsorcin

MetabolismoDistribucin

ComplejoFrmaco-Receptor

Estmulo

Transferencia delestmulo

Mecanismos reguladores

EfectoAccin Farmacolgica

Excrecin

Farmacogentica en la esquizofrenia:

Antipsicticos tpicos: haloperidolRespuesta: variableReaccin adversa: diskinesia tarda

Antipsicticos atpicos: clozapinaRespuesta: variableReaccin adversa: induce ganancia de peso

Ensayos farmacogenticos con Clozapina

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Ser9Gly

DRD3Cromosoma 3q13.3Esquizofrenia: Estudios de asociacin Ser 9Gly

Estudio farmacogentico con haloperidol

Homozigotos Gly: muestran un incremento del metabolismo , discinesia tarda

PET tras tratamiento con Haloperidol: fluoro-2-deoxi-glucosa

Efecto aditivo de las variaciones de riesgo para los dos genes

Carcter polignico

*Implicaciones actuales sobre la prctica clnica

1. Colectar y clasificar de forma apropiada los pacientes 1. Grupos de pacientes y controles no relacionados, tnicamente homogneos2. Pares de familiares afectados3. Tros compuestos por paciente/padres

2. Definir endofenotipos informativos3. Replicar los hallazgos genticos e identificacin de las variantes

Diagnstico Molecular

Gentica Molecular HumanaSecuencia del Genoma Humano

Fenotipo patolgico/genes implicados

Consejo Gentico

Psiquiatra

Mejor conocimiento del origen de la enfermedadDiseo de nuevos Frmacos

Farmacogentica