DIAGNÓSTICO PRENATAL Y EDICIÓN GENÉTICA

DIAGNÓSTICO PRENATAL Y EDICIÓN GENÉTICA

Regalado-González ED¹, Silva-Silva DS¹, Villalpando-Chávez EM¹, Zavala-Díaz MA¹, González-Yebra B².

1. Estudiantes de la Licenciatura en Médico Cirujano, Departamento de Medicina y Nutrición, División de Ciencias de la Salud, Universidad de Guanajuato, México.

2. Investigadora de Biomedicina Molecular. Departamento de Medicina y Nutrición, División de Ciencias de la Salud. Universidad de Guanajuato, México.

Resumen

El mapeo del genoma prenatal, permite el análisis de cada uno de los genes localizados en los cromosomas, con el fin de hacer diagnósticos de enfermedades genéticas antes del nacimiento, ejemplos de estas son: el síndrome de Down, la fibrosis quística, entre otras. Con los avances científicos desarrollados a partir del proyecto Genoma Humano, se han desarrollado múltiples herramientas diagnósticas invasivas y no invasivas, tales como: amniocentesis, CVS (vellosidades coriónicas), estudio de células en el cuello uterino y análisis de microarreglos en los cromosomas. Además, se han desarrollado herramientas, como el CRISPR-CAS9 que permite la detección de anomalías en los genes, así como, la edición de estos, haciendo posible su aplicación en células humanas y la manipulación de los genes para en un futuro eliminar las enfermedades genéticas.

Palabras clave: Genoma prenatal, diagnóstico, enfermedades genéticas, CRISPR-CAS9, edición.

Abstract

The mapping of the prenatal genome allows to analyze each of the genes that are localized in the chromosomes in order to make diagnoses of genetic diseases before birth, for example, Down syndrome, cystic fibrosis, among other. With the scientific advancements that were developed from the Human Genome project, a variety of invasive and non-invasive diagnostic tools have been created, such as amniocentesis, chorionic villi (CV), cell study in the cervix and analysis of microarrays in the chromosomes. Additionally tools like the CRISPR-CAS9 have been developed helping with the detection of genetic abnormalities as well as editing these, making possible its application in human cells and the manipulation of genes to eliminate genetic diseases in the future.

Key words: Prenatal genome, diagnoses, genetic diseases, CRISPR-CAS9, edition.

Resumo

O mapeamento do genoma pré-natal permite analisar cada um dos genes que estão localizados nos cromossomos, a fim de fazer diagnósticos de doenças genéticas antes do nascimento, por exemplo, síndrome de Down, fibrose cística, entre outros. Com os avanços científicos que foram desenvolvidos a partir do projeto Genoma Humano, uma variedade de ferramentas diagnósticas invasivas e não invasivas foram criadas, como amniocentese, vilosidades coriônicas (CV), estudo celular no colo uterino e análise de microarranjos nos cromossomos. Além disso, ferramentas como o CRISPR-CAS9 foram desenvolvidas auxiliando na detecção de anormalidades genéticas, bem como na sua edição, possibilitando sua aplicação em células humanas e a manipulação de genes para eliminar doenças genéticas no futuro.

Palavras-chave: genoma pré-natal, diagnóstico, doenças genéticas, CRISPR-CAS9, edição.

 

El libro de la vida: Proyecto del Genoma Humano.

Los seres humanos estamos formados por miles de millones de células. Dentro del núcleo de cada una de estas células se encuentran nuestros cromosomas, conformados por cadenas de ADN (ácido desoxirribonucleico), dichas cadenas se agrupan de forma específica para codificar genes, dando como resultado el genoma humano. El genoma humano viene empaquetado en 23 pares de cromosomas. El par numero 23 consiste en los cromosomas que definen el sexo de la persona: XX para las mujeres y XY para los hombres (Figura 1) (1-3).

Figura 1. Cariotipo normal del sexo masculino. Se observa los 23 pares de cromosomas, en los cuales están comprendidas nuestras características.

Imagen readaptada de: Hernández, R. (2018). Modelo del cromosoma humano. [Image]Available http://geneticaupc.weebly.com/uploads/4/6/3/1/46317897/practica_1_cromosomas_y_cariotipo_humano.pdf [Accessed 7 May 2018].

En el año de 1990 se inicio el proyecto del genoma humano (PGH), donde se pretendía elaborar un mapa, que ubicara cada uno de los genes localizados en los 23 cromosomas. Dicho proyecto fue concluido en Abril del 2003. Gracias a esté, actualmente podemos conocer el(los) gen(es) que causan algunas enfermedades o anomalías en el desarrollo del bebé; por ejemplo, el gen PAX-2 que se encarga del desarrollo de los tejidos del el ojo y la columna vertebral en el feto, a las primeras semanas del embarazo; o en la mutación del gen INS que esta asociado a la diabetes neonatal (4, 5).

Años más tarde, debido a las contribuciones del PGH, surgieron avances en las pruebas genéticas, y nació un área antes desconocida para los médicos y científicos, fue así que se desarrolló el genoma prenatal. El genoma prenatal consiste en la secuenciación completa de los genes en el feto, con el fin de detectar enfermedades causadas por diversas mutaciones, para ello se establecieron métodos invasivos y no invasivos (6, 7).

Los genes y la herencia

La herencia es la trasmisión de genes de una generación a la siguiente, cada persona tiene 2 copias de cada gen, una de la madre y otra del padre, que pueden combinarse de muchas maneras. Así como nos ayuda a determinar tu color de cabello o de ojos, también podemos saber el riesgo de contraer una enfermedad (2, 8).

Lo más probable, es que todo mundo sea portador de cinco a diez genes defectuosos en cada una de sus células. Los problemas surgen cuando el gen es dominante (quiere decir, que si un padre la tiene, hay 50% de posibilidades de desarrollarla) o recesivo (para poseer la enfermedad se necesita que ambos padres tengan la mutación de este gen, y que existan dos copias), o bien, que el ambiente incremente la susceptibilidad (8-10) (Figura 2).

Figura 2. Diagrama de la herencia mendeliana. En esta imagen se podemos observar la forma en la que se heredan tanto las características como las enfermedades.

Imagen readaptada de: Consejo Genético (2018). Tipos de herencia genética. [Image] Available at: https://www.e-geneticare.com/preguntas-frecuentes/que-es-la-herencia-genetica [Accessed 9 May 2018]

Diagnóstico prenatal

Actualmente existen varios métodos para localizar los cambios en el ADN del feto, todos estos, con el fin de encontrar de manera temprana cualquier anormalidad genética que condicione alguna enfermedad (6).

Las dos pruebas que se usan con mayor frecuencia son la amniocentesis, que consiste en una toma del líquido amniótico, y el muestreo de vellosidades coriónicas (CVS, por sus siglas en inglés) que consiste en la toma de células que se encuentran en la placenta. Estos dos procedimientos nos pueden ayudar a encontrar el diagnóstico de ciertas enfermedades, pero son pruebas que tienen muchas limitaciones, además de ser invasivas (12,13).

Se están desarrollando cada vez más técnicas prenatales confiables no invasivas y que puedan encontrar de manera temprana las anomalías. Una de ellas es el estudio de las células que se encuentran en el cuello uterino, en el cual se separan las células del bebé, obteniendo su ADN; puede realizarse desde la quinta semana y no es invasivo, pero sólo se obtiene una pequeña fracción del ADN fetal, por lo que puede estar limitado para explorar las anomalías (13, 14).

El análisis de microarreglos cromosómicos, es la prueba de más alta resolución, es capaz de ver variaciones en el ADN, tanto macroscópicas como microscópicas, puede detectar cambios específicos pequeños, que no podrían ser diagnosticados con las técnicas antes mencionadas. Esta prueba se encuentra limitada, ya que no es capaz de detectar los cambios que no siguen el patrón de la enfermedad. El evaluar también a los padres con esta técnica, nos ayuda a definir si es una cuestión hereditaria o no (7,12).

Algunas de las enfermedades más frecuentes son: Síndrome de Down, Fibrosis quística; Hemofilia, Corea de Huntignton, etc. Tabla 1.

Síndrome de Down	Es causado por la presencia de una copia extra del cromosoma 21, se presenta en 1 de cada 700 nacimientos. Las manifestaciones son disminución del tono muscular en la cara, retrasos y defectos del corazón y sistema digestivo. (15, 16)
Fibrosis quística	Es un enfermedad autosómica recesiva, que afecta a 1/5000 nacimientos en la población caucásica. Es causada por la mutación del gen CFTR caracterizado por congestión pulmonar como infección y por malabsorción de nutrientes por el páncreas. Para poseer la enfermedad se necesita que ambos padres tengan la mutación de este gen. (17, 18 )
Enfermedad de Huntington	Es autosómica dominante, quiere decir que si un padre la tiene hay 50% de posibilidad de desarrollarla. El defecto se encuentra en el cromosoma 4 en una proteína llamada Huntingtina, las personas nacen con el gen defectuoso pero los síntomas no aparecen hasta después de los 30 o 40 años. Los síntomas iniciales de esta enfermedad pueden incluir movimientos descontrolados, torpeza y problemas de equilibrio. Más adelante, puede impedir caminar, hablar y tragar. Algunas personas dejan de reconocer a sus familiares. Otros están conscientes de lo que los rodea y pueden expresar sus emociones. (19, 20)
Distrofia muscular de Duchenne	Es una enfermedad, ligada al cromosoma X donde hay una deleción que produce una deficiencia muscular progresivo y rápido que conduce a la discapacidad física y muerte prematura. (19, 21)
Anemia de células falciformes	Es una alteración autosómica recesiva por una sustitución que sucede en el cromosoma 11, que en la sangre produce que los glóbulos rojos se deformen y adquieran apariencia de hoz, lo que entorpece la circulación y causa microinfartos y anemia. (22, 23)
Hemofilia	Es una enfermedad hereditaria ligada al cromosoma X, impide que la sangre se coagule adecuadamente lo que hace que las personas sangren más de lo normal. (18, 26)
Distrofia muscular de Becker	Es un trastorno ligado al cromosoma X, caracterizado por una debilidad de los miembros inferiores. (19, 21)
Síndrome de Noonan	Se encuentra una mutación en el cromosoma 12, se caracteriza por talla baja, enfermedades cardíacas, alteraciones físicas, es autosómica dominante, también puede aparecer en personas que no tengan factores hereditarios. (2, 24)
Talasemias	Es un tipo de anemia, que confiere resistencia a la malaria pero hay disminución de la síntesis de una cadena de hemoglobina que es la encargada de llevar el oxigeno a las células. (22, 23)
Síndrome del cromosoma X frágil	Es una forma de discapacidad intelectual hereditaria que es causada por un gen específico, el gen origina una proteína necesaria para el desarrollo cerebral. Un defecto de este gen hace que no se produzca y causa la enfermedad. (1, 23)

Tabla 1. Se describen algunas de las enfermedades más frecuentes como el defecto que las genera.

Editar, corregir y alterar

Tal vez resulte frustrante, pues muchas veces es difícil y costoso el diagnóstico y prevención de las enfermedades genéticas. Hoy en día, el único método para la prevención de enfermedades genéticas, es la fecundación “in vitro”, donde se escogen óvulos fecundados que no portan la enfermedad, aunque no la corrigen completamente, y solo se forman mosaicos, es decir, formas menos graves. (7,26)

Pronto no será la única opción, ya que actualmente se han perfeccionado estudios sobre el desarrollo de células madre, para con ellas poder crear órganos humanos como riñones, hígados, córneas etc., con la finalidad de poder cambiar el órgano dañado, si ese fuera el caso. Además de esto también se está investigando en sistemas que permiten abordar genes específicos responsables de este tipo de enfermedades. En 2013, cuatro equipos internacionales de investigadores, descubrieron un sistema para modificar genes que lleva por nombre: Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas con Espacios Regulares (CRISPR, por sus siglas en ingles). Esta técnica permite cortar genes y guiar a la producción de nuevos (7, 27).

A partir de este procedimiento se ha experimentado con el recorte y adherencia de genes en alimentos, moscas, bacterias, peces, ratas y hasta en células humanas, lo cual ha tenido un gran avance, y estima ser utilizado para terapias futuras de enfermedades crónicas, como el Alzheimer, Parkinson, anemias, entre muchas otras (27, 28).

Editar los genes anómalos es el futuro, y con CRISPR-CAS9 parece que estamos llegando. Esta técnica se basa en dos pasos: se dirige a la región concreta del ADN donde se encuentra la anomalía genética, y ahí la proteína CAS9 se une, fragmentando al ADN, después los mecanismos naturales repararan la zona donde existe el daño, dando como resultado zonas de inserción o deleción, pudiendo llegar a inhabilitar los genes. Este tipo de herramientas nos permitirá inyectar óvulos fecundados con genes corregidos. Algunos de los avances que nos ha permitido CRISPR-CAS9, además de los antes mencionados, es la modificación de genes para mejorar la respuesta a tratamientos, corrección de genes para disminuir algunos de los síntomas de enfermedades genéticas. En la tabla 2, se muestran algunos ejemplos de los usos de CRISP-CAS9. (26-31).

Usos	Justificación
Inactivación del gen PD-1 en linfocitos de un paciente con cáncer, con el fin de promover una mejor respuesta al tratamiento. (26)	El gen PD-1 es uno de los genes supresores de tumores, se encuentra mutado en diferentes tipos de cáncer promoviendo el crecimiento descontrolado de las células malignas. (26)
Eliminación del gen mutado que codifica la proteína CFTR, responsable de la fibrosis quística y reemplazo del mismo por el gen corregido en modelos animales. (17)	El gen mutado es el responsable de la fibrosis quística, este gen produce una proteína que se encuentra en las membranas celulares de glándulas sudoríparas, pancreáticas, del intestino y riñón. (17)
Corrección de la alteración del gen que codifica la enzima de Fah en ratones con la enfermedad de la tirosinemia hereditaria humana, aliviando los síntomas. (30)	La tirosinemia es una enfermedad relacionada con los aminoácidos causada por una alteración en la enzima flumarilacetoacetasa hidrosilasa (Fah). (1)
Interrupción del promotor que permite la replicación del VIH-1, esto disminuyo la expresión de VIH-1 en células humanas infectadas. (31)	El VIH tiene factores que favorecen su replicación, a mayor replicación hay mayor afectación a células inmunes.

Tabla 2. Aplicaciones de CRISP-CAS9.

Conclusión

Gracias al descubrimiento que Watson y Crick realizaron en 1953, sobre la composición de la doble hélice del ADN, se abrieron puertas a la creación científica, y surgieron varias disciplinas para manipular los genes, principalmente para modificar la estructura de los alimentos, experimentación con animales y recientemente, para modificar el curso de nuestra salud alterando la estructura del ADN, cambiando genes y corrigiéndolos.

Actualmente sólo es usado para hacer diagnósticos oportunos en fetos y poder estar preparados o tomar decisiones para las probables enfermedades que se puedan desarrollar y su tratamiento.

El futuro apunta no sólo a diagnosticar precozmente las enfermedades, sino también, se esta intentando manipular el ADN para eliminarlas antes del nacimiento. Con la herramienta CRISPR-CAS9 se ha tenido un gran avance. Aunque manipular el ADN fetal se considera ilegal, es una disciplina nueva y se han obtenido muchos avances, se espera que en por lo menos 50 años, esta técnica esté bien desarrollada y dominada.

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