Mutações e Doenças Genéticas

 As doenças genéticas são muito mais comuns do que se acreditava. Estima-se que a frequência de doenças genéticas em indivíduos vivos seja de 670 por 1000. Incluídos nesse número estão não só as doenças genéticas “clássicas” mas também o câncer e as doenças cardiovasculares, as duas principais causas de morte no mundo ocidental. Ambas possuem componentes genéticos importantes. As doenças cardiovasculares, como a aterosclerose e a hipertensão, resultam de interações entre os gene e o meio ambiente, e, sabe-se agora, que a maioria dos cânceres resulta do acúmulo de mutações somáticas.

As doenças genéticas encontradas na prática médica representam somente a ponta de um iceberg, que são aquelas com os erros genotípicos menos extremos, permitindo um desenvolvimento embrionário completo e um nascimento vivo. Estima-se que 50% dos abortos espontâneos nos primeiros meses da gestação tenham anormalidade cromossômica demonstrável; isto é, além e vários erros detectáveis menores e muitos outros ainda além do nosso alcance de identificação. Em torno de 1% de todos os recém-nascidos possui uma anormalidade cromossômica grosseira, e aproximadamente 5% dos indivíduos com menos de 25 anos desenvolvem uma doença séria com um componente genético significante.

Com o projeto do genoma humano, sabemos que menos de 2% do genoma humano codifica para proteínas, enquanto mais da metade representa bloco de códigos de nucleotídeos cujas funções são misteriosas. O que foi totalmente inesperado foi que os humanos possuem meros 30.000 genes ao invés dos 100.000 preditos anteriormente. Entretanto, sabe-se também que por splicing alternativo, 30.000 genes podem dar origem a mais de 100.000 proteínas. Além disso, estudos muito recentes indicaram que proteínas completamente formadas podem ser cortadas e ligadas umas às outras para darem origem a peptídeos que não foram preditos na estrutura do gene. Os humanos não são tão pobres, afinal de contas. Com o término do projeto genoma humano, um novo termo, chamado genômica, foi adicionado ao vocabulário médico. Enquanto a genética é o estudo de um único gene ou de alguns poucos genes e de seus efeitos fenotípicos, a genômica é o estudo de todos os genes do genoma e de suas interações

Outra revelação surpreendente do progresso recente da genômica é que, na média, dois indivíduos quaisquer compartilham 99,9% das suas sequências de DNA. Assim, a notável diversidade dos humanos é codificada em torno de 0,1% de nosso DNA. Os segredos da predisposição para doenças e da resposta a agentes ambientais e a drogas deve, então, residir nessas regiões variáveis. Ainda que pequenas quando comparadas com a sequência total de nucleotídeos, este 0,1% representa algo em torno de 3 milhões de pares de bases.

A forma mais comum de variação no DNA no genoma humano é o polimorfismo de nucleotídeo único (SNP). Tipicamente, os SNPs são bi-alélicos (i.e., somente duas opções existem para um dado local dentro da população), e eles podem ocorrer em qualquer lugar no genoma – dentro de éxons, íntrons ou em regiões inter-gênicas. Menos de 1% dos SNPs ocorre nas regiões codificantes. Isso poderia, obviamente, alterar o produto gênico e gerar uma doença. Muito mais comumente, entretanto, o SNP é somente um marcador que é co-herdado com o gene causador da doença, devido á proximidade física. Outra forma de expressar isso é dizer que o SNP e o fator genético estão em desequilíbrio de ligação.

Muito esforço está em andamento para construir mapas de SNPs do genoma humano de forma que seja possível decifrar os determinantes das doenças. Assim como a genômica envolve o estudo de todas as sequências de DNA a proteômica se preocupa com a medição de todas as proteínas expressas em uma célula ou tecido.

Atualmente, o progresso da proteômica vem atrás do da genômica, porque a metodologia para identificar centenas de proteínas distintas simultaneamente não está completamente desenvolvida, mas muito esforço continua sendo feito.

                                                   MUTAÇÕES                                             

 A mutação pode ser definida como uma mudança permanente no DNA. As mutações que afetam a linhagem germinativa são transmitidas para a progênie e podem dar origem a doenças herdadas. As mutações que surgem nas células somáticas não causam doenças hereditárias, mas são importantes na gênese dos cânceres e de algumas mal-formações congênitas.

             Baseado na extensão das mudanças genéticas, as mutações podem se classificadas em três categorias. As mutações genômicas envolvem perda ou ganho de cromossomos inteiros, dando origem a monossomias ou trissomias. As mutações cromossômicas resultam do rearranjo do material genético e dão origem a mudanças estruturais visíveis no cromossomo. As mutações envolvendo mudanças no úmero de cromossomos são transmitidas em baixa frequência porque a maioria é incompatível com a sobrevivência.

A grande maioria das mutações associadas ás doenças hereditárias são as mutações gênicas sub-microscópicas. Essas podem resultar em deleção parcial ou completa de um gene ou, mais, frequentemente, afetar uma única base. Por exemplo, uma única base nucleotídica pode ser substituída por uma base diferente, resultando em uma mutação pontual. Menos comumente, um ou dois pares de bases podem ser inseridos ou deletados do DNA, levando a alterações na fase de leitura da fita de DNA; assim elas são referidas como mutações na fase de leitura. As consequências das mutações variam, dependendo de vários fatores, incluindo o tipo de mutação e o sítio genômico afetado por ela.

Mutações pontuais dentro das sequências codificantes: Uma mutação pontual (substituição de um único nucleotídeo) pode alterar o código de tri-nucleotídeos e levar á reposição de um aminoácido por outro no produto gênico. Como essas mudanças alteram o significado do código genético, elas são frequentemente chamadas de mutação de sentido trocado. Se a substituição desse aminoácido causa pouca mudança na função da proteína, a mutação é chamada mutação de sentido trocado “conservativa”. Por outro lado, uma mutação de sentido trocado “não-conservativa” substitui o aminoácido normal por um outro muito diferente. Um exemplo excelente desse tipo é a mutação falciforme afetando a cadeia beta-globina da hemoglobina.

Mutações dentro de sequências não-codificantes: efeitos deletérios também podem resultar de mutações que não envolvem os éxons. Como se bem sabe, a transcrição do DNA é iniciada e regulada por sequências promotoras e acentuadoras que são encontradas abaixo ou acima do gene. Mutações pontuais ou deleções envolvendo essas sequências regulatórias podem interferir com a ligação de fatores de transcrição e assim levar a uma redução marcante ou á ausência total da transcrição. Esse é o caso de algumas formas de anemias hemolíticas hereditárias. Além disso, mutações pontuais dentro dos íntrons levam a emendas defeituosas das sequências intrônicas. Assim, em troca, interferem com o processamento normal dos transcritos de mRNA mensageiro iniciais e resultam na falta de formação de transcritos de mRNA maduros. Consequentemente, a tradução não pode ocorrer, e o produto gênico não é sintetizado.

Deleções e inserções: Pequenas deleções ou inserções envolvendo a sequência codificante levam a alterações na fase de leitura da fita de DNA; assim, elas são conhecidas como mutações de fase de leitura. Se o número de pares de bases envolvido for três ou múltiplo de três, a alteração na fase de leitura não ocorre; ao contrário, sintetiza-se uma proteína que não possui ou possui um ou mais aminoácidos.

Mutações de repetições de tri-nucleotídeos: Mutações de repetições de tri-nucleotídeos pertencem a uma categoria especial porque essas mutações são caracterizadas pela amplificação de uma sequência de três nucleotídios.

                          DOENÇAS GENÉTICAS MENDELIANAS                    

Todas as doenças mendelianas são o resultado de mutações expressas em genes únicos de grande efeito. Não é necessário detalhar as leis de Mendel aqui, porque todo estudante de biologia, e possivelmente toda ervilha de jardim, já aprendeu sobre elas quando criança. Somente alguns comentários de relevância médica são feitos.

O número de doenças mendelianas conhecidas cresceu em proporções monumentais. Estima-se que cada indivíduo seja um carreador de cinco a oito genes deletérios. A maioria destes são recessivos e, portanto, não trazem efeito fenotípicos sérios. Em torno de 80% a 85% dessas mutações são familiares. O restante representa mutações novas adquiridas de novo por um indivíduo afetado.

Algumas mutações autossômicas produzem expressão parcial no heterozigoto e expressão completa no homozigoto. A anemia falciforme é causada pela substituição da hemoglobina normal (HbA) pela hemoglobina S (HbS). Quando um indivíduo é homozigoto para o gene mutante, toda a hemoglobina é do anormal, HbS, e mesmo em saturação normal de oxigênio, a doença é completamente expressa (i.e., a deformidade falciforme de todas as hemácias e a anemia hemolítica). No heterozigoto somente uma proporção da hemoglobina é HbS (o restante sendo HbS), e, portanto, a hemácia falciforme, e possivelmente a hemólise, só ocorre quando há a exposição á baixa tensão de oxigênio. A isso se chama de traço falciforme para diferenciar da anemia falciforme completa.

Ainda que a expressão gênica seja comumente descrita como dominante ou recessiva, em alguns casos, ambos os alelos de um par gênico podem ser completamente expressos no heterozigoto – uma condição chamada de co-dominância. Os antígenos de histo-compatibilidade e do grupo sanguíneo são bons exemplos de herança co-dominante.

Um único gene mutante pode levar a muitos efeitos finais, denominados pleiotropismo; ao contrário, mutações em vários lócus genéticos podem produzir a mesma característica (heterogeneidade genética). A anemia falciforme pode servir como exemplo de pleiotropismo. Nessa doença hereditária, a mutação pontual não somente origina a HbS, que predispõe a hemácia á hemólise, como também as hemácias anormais tendem a causar entupimentos nos pequenos vasos, induzindo, por exemplo, a fibrose do baço, infartos orgânicos e mudanças ósseas. Os vários desarranjos finais são todos relacionados ao defeito primário na síntese da hemoglobina. Por outro lado, a surdez infantil profunda, uma entidade clínica aparentemente homogênea, resulta de qualquer um dos 16 tipos diferentes de mutações autossômicas recessivas. O reconhecimento da heterogeneidade genética é importante não só no conselho genético, mas também é relevante para a compreensão da patogênese de algumas doenças comuns, como o diabetes melito.

Finalmente, deve-se notar que nem todas as mudanças de nucleotídios produzem genes que causam doenças. Quando uma mudança dessas ocorre no DNA de pelo menos 1% da população, é chamada de polimorfismo.

                   DOENÇA COM HERANÇAS MULTIFATORIAIS            

Como mostrado anteriormente, as doenças multi-fatoriais resultam de ações combinadas de influências do meio ambiente om dois ou mais genes mutantes com efeitos aditivos. O componente genético exerce um efeito de dosagem – quanto maior o numero de genes deletérios herdados, mais severa é a expressão da doença. Como os fatores ambientais influenciam significativamente a expressão dessas doenças, o termo poligênico não deve ser utilizado.

Várias características fenotípicas normais são governadas por herança multi-fatorial como a cor dos cabelos, dos olhos e da pele, a altura e a inteligência. Essas características exibem uma variação contínua nos grupos populacionais, produzindo uma curva de distribuição em forma de sino. As influências ambientais, entretanto, modificam significativamente a expressão fenotípica das características multi-fatoriais. Por exemplo, o diabetes melito do tipo II possui várias características das doenças multi-fatoriais.

É reconhecido clinicamente que indivíduos frequentemente manifestam a doença depois de ganharem peso. Assim, a obesidade, como outras influências ambientais, desmascara a característica genética da diabetes. As influências nutricionais podem fazer com que gêmeos idênticos atinjam alturas diferentes. A criança privada de cultura pode não alcançar a sua capacidade intelectual completa.

             

Os traços seguintes caracterizam a herança multi-fatorial. Elas foram estabelecidas para a herança multi-fatorial de mal-formações congênitas e, em todas as probabilidades, prevalecem para outras doenças multi-fatoriais.

-        O risco de expressar uma doença multi-fatorial é condicionado ao número de genes mutantes herdados. Assim, o risco é maior em irmãos de pacientes que possuem expressão severa da doença. Por exemplo, o risco de lábio leporino em irmãos de um caso-índice é de 2,5% se o lábio leporino for uni-lateral, mas de 6% se for bi-lateral. Semelhantemente, quando maior o número de parentes afetados, maior o risco para outros parentes.

-        A taxa de recorrência da doença (varia de 2% a 7%) é a mesma para todos os parente de primeiro grau (i.e., genitores, irmãos e filhos) do indivíduo afetado. Assim, se os genitores possuem um filho afetado, o risco de que a próxima criança seja afetada é de 2% a 7%. Semelhantemente, existe a mesma chance de que um dos genitores seja afetado.

-        A probabilidade de que ambos os gêmeo idênticos sejam afetados é significativamente menor que 100%, mas é muito maior do que gêmeos não idênticos sejam afetados. A experiência provou que, por exemplo, a frequência de concordância para gêmeos idênticos está na faixa dos 20% a 40%.

-        O risco de recorrência da anormalidade fenotípica em gestações subsequentes depende do resultado das gestações anteriores. Quando uma criança é afetada, existe até 7% de chance de que a próxima criança seja afetada, mas depois de duas crianças, o risco sobe para 9%.

-        A expressão de uma característica multi-fatorial pode ser contínua (ausência de um fenótipo distinto, e.g., altura) ou descontínua (com um fenótipo distinto, e.g., diabetes melito). Nesta última, a doença é expressa somente quando a influência combinada dos genes e do ambiente cruzam um certo limiar. No caso da diabetes, por exemplo, o risco de expressão fenotípica aumenta quando os níveis de glicose sanguínea cruzam um certo nível.

 A conferência desse modo de herança a uma doença deve ser feita com cautela. Depende de muitos fatores, mas primeiramente no agrupamento familiar e na exclusão de todos os modos de transmissão mendeliano e cromossômico.

Uma gama de níveis de gravidade de uma doença é sugestivo de herança multi-fatorial, mas como mostrado anteriormente, a expressividade variável e a penetrância reduzida de genes mutantes únicos também podem responder por esse fenômeno. Devido a esses problemas, algumas vezes é difícil distinguir entre herança mendeliana e multi-fatorial.

Ao contrário das doenças mendelianas, muitas das quais incomuns, o grupo multi-fatorial inclui alguns dos males comuns dos quais os seres humanos são herdeiros. 

                                                     DOENÇAS CITOGENÉTICAS                                         

 As aberrações subjacentes ás doenças citogenéticas (mutações cromossômicas) podem tomar a forma de número anormal de cromossomos ou de alterações na estrutura de um ou mais cromossomos. O complemento cromossômico normal é expresso como 46,XX para as mulheres e 46,XY para os homens. Qualquer múltiplo exato do número haploide e chamado de euploide. Se um erro ocorre na meiose ou na mitose, entretanto, e a célula adquirir um complemento cromossômico que não é múltiplo exato de 23, é chamado de aneuploidia. As causas comuns de aneuploidia são a não-disjunção e o retardo da anáfase. O primeiro ocorre quando um par de cromossomos homólogos não se separa durante a primeira divisão mitótica, ou as cromátides não se separam nem na segunda divisão meiótica u nas divisões celulares mitóticas, resultando em duas células aneuploides. Quando a não-disjunção ocorre durante a gametogênese, os gametas formados possuem tanto um cromossomo extra (n+1) ou um cromossomo a menos (n-1). A fertilização desses gametas por gametas normais resulta em dois tipos de zigotos – trissômicos (2n+1) ou monossômicos (2n-1). No retardo da anáfase, um dos cromossomos homólogos na meiose, ou uma das cromátides na mitose retarda e é deixado para traz no núcleo celular. O resultado é uma célula normal e outra com monossomia. Como visto subsequentemente, a monossomia ou a trissomia envolvendo os cromossomos sexuais, e até mesmo aberrações mais bizarras, são compatíveis com a vida e são geralmente associadas a graus variáveis de anormalidades fenotípicas. A monossomia envolvendo um autossomo geralmente representa perda de muita informação genética para permitir o nascimento com vida ou até mesmo a embriogênese, mas algumas trissomias autossômicas permitem a sobrevivência. Com exceção da trissomia do 21, todas geram crianças gravemente incapacitadas que quase sempre morrem em idade precoce.

             Ocasionalmente, erros mitóticos ocorrem no desenvolvimento inicial e dão origem a duas ou mais populações celulares no mesmo indivíduo, uma condição chamada de mosaicismo. O mosaicismo pode resultar de erros mitóticos durante a clivagem do ovo fertilizado ou nas células somáticas. O mosaicismo que afeta os cromossomos sexuais é relativamente comum. Na divisão do ovo fertilizado, um erro pode fazer com que uma das células filhas recebam três cromossomos sexuais, enquanto a outra recebe somente um, gerando, por exemplo, um mosaico 45,X/47,XXX. Todas as células descendentes de cada um desses precursores possuirão tanto um complemento 47,XXX ou 45,X. Esse paciente é um variante em mosaico da síndrome de Turner, com a extensão da expressão fenotípica dependente do número e da distribuição das células 45,X. Se o erro ocorrer em uma clivagem mais tardia, o mosaico possuirá três populações de células, com algumas possuindo o complemento normal 46,XX (i.e., 45,X/46,XX/47,XXX). Erros mitóticos repetidos podem levar a várias populações celulares.

             O mosaicismo autossômico parece ser muito menos comum do que o que envolve os cromossomos sexuais. Um erro em uma divisão mitótica inicial afetando os cromossomos geralmente leva a um mosaico inviável com monossomia autossômica. Raramente, a perda de uma linhagem celular inviável é tolerada durante a embriogênese, gerando um mosaico (e.g., 46XY/47,XY+21). Um paciente desse tipo é um mosaico da trissomia do 21 com expressão variável da síndrome de Down, dependendo da proporção de células que expressam a trissomia.

                         DIAGNÓSTICO DAS DOENÇAS GENÉTICAS                         

O diagnóstico de doenças genéticas necessita de exame do material genético (i.e., cromossomos e genes). Portanto, dois grandes métodos são empregados: a análise citogenética e análise molecular. A análise citogenética necessita de cariotipagem.

             A análise cromossômica pré-natal deve ser oferecida a todos os pacientes que possuem risco de filhos anormais citogeneticamente. Pode ser realizada nas células obtidas na amniocentese, em biópsia das vilosidades coriônicas ou em sangue de cordão umbilical. Algumas indicações importantes são as seguintes:

-        A idade materna avançada (mais de 34 anos de idade) devido ao maior risco de trissomias.

-        Um genitor que carrega uma translocação balanceada recíproca, uma translocação robertsoniana, ou inversão (nesses casos, os gametas podem ser desbalanceados, e, portanto, os filhos possuem risco de doenças cromossômicas).

-        Um genitor com um filho anterior com anormalidade cromossômica.

-        Um genitor que é carreador de uma doença genética ligada ao X (para determinar o sexo fetal).

            A análise cromossômica pós-natal é geralmente realizada nos linfócitos do sangue periférico. As indicações são as seguintes:

-        Múltiplas anomalias congênitas

-        Retardo mental ou retardo de desenvolvimento sem explicação

-        Suspeita de aneuploidia (e.g., manifestações da síndrome de Down)

-        Suspeita de autossomos desbalanceados (e.g., síndrome de Prader-Willi)

-        Suspeita de anormalidade nos cromossomos sexuais (e..g, síndrome de Turner)

-        Infertilidade (para descartar anormalidades nos cromossomos sexuais)

-        Múltiplos abortos espontâneos (para descartar os genitores como careadores de translocações desbalanceadas; ambos os parceiros devem ser avaliados)

Muitas doenças genéticas são causadas por mudanças sutis em genes individuais que não podem ser detectadas por cariotipagem. Tradicionalmente, o diagnóstico de doenças monogênicas tem dependido da identificação dos produtos gênicos anormais (e.g., enzimas ou hemoglobina mutantes) ou em seus efeitos clínicos, como a anemia ou o retardo mental (e.g., fenilcetonúria). Agora é possível identificar mutações ao nível de DNA e oferecer diagnóstico genético para várias doenças mendelianas graves.