Genomic imprinting and human chromosome 15

GABRIELA M. REPETTO

Department of Pediatrics, Facultad de Medicina, P. Universidad Católica de Chile, Santiago

Corresponding Author: Gabriela Repetto. Dept. of Pediatrics, Facultad de Medicina, P. Universidad Católica de Chile. Marcoleta 367, Santiago, Chile. FAX: (56-2) 638-4307. Phone: (56-2) 354-3753. Email: [email protected]

Received: May 20, 2001. Accepted: 10 de julio de 2001

RESUMEN

La impresión genómica es un fenómeno reversible que afecta la expresión de genes en función de su origen parental. Los trastornos humanos mejor caracterizados que resultan de una alteración del proceso de impresión son los síndromes de Angelman y Prader-Willi. Se deben a la falta de genes activos maternos o paternos, respectivamente, de la región cromosómica 15q11q13. La mayoría de los casos surgen a través de eliminaciones intersticiales. Revisamos la evidencia de que otras alteraciones citogenéticas comunes de esta región, duplicaciones intersticiales y supernumerarias, podrían ser los productos recíprocos de las eliminaciones y también se ven afectadas por el fenómeno de impresión, dado el predominio de duplicaciones derivadas de la maternidad en pacientes comprobadas por retrasos en el desarrollo o características autistas.

Términos clave: cromosoma 15; deleciones/duplicaciones del cromosoma 15; impresión genómica

Impresión genómica

La impresión genómica es un fenómeno epigenético que resulta en la expresión diferencial de alelos dependiendo de su origen parental. Aunque esta característica ha sido bien conocida por los biólogos durante años en diferentes modelos animales y en particular a través de experimentos de trasplante pronuclear, sus consecuencias clínicas en humanos solo han comenzado a dilucidarse recientemente (Hoppe y Illmensee 1977, Sapienza y Hall 1995). Se estima que menos del 1% del genoma humano está sujeto a impresión, y se han identificado varios grupos de genes impresos. Hay evidencia de que el proceso de silenciamiento preferencial de los alelos ocurre durante la meiosis, está mediado por la metilación del ADN, así como por las diferencias de tiempo de replicación específicas de los alelos y se «restablece» en cada generación (Nicholls 1994, Knoll et al 1994, Ledbetter y Engel 1995). Ahora se sabe que el proceso de impresión y sus alteraciones están involucrados en varios trastornos humanos, incluidos ciertos tipos de cáncer; esta revisión se centrará únicamente en la región cromosómica impresa 15q11q13.

Región del cromosoma humano 15q11q13

Una de las regiones impresas humanas mejor caracterizadas se encuentra en el brazo largo proximal del cromosoma 15. Se han identificado varios genes en esta región, y se sabe que al menos siete genes y transcripciones solo están activos de la copia paterna: ZNF127, NDN, SNURF, SNRPN, IPW, PAR1 y PAR5 (Robinson et al 1997, Cassidy et al 2000). Solo un gen en esta región, UBE3A, se ha demostrado que se expresa exclusivamente a partir del alelo materno (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997), y esta expresión diferencial es particularmente evidente en el cerebro (Rougeulle C et al 1997, Vu y Hoffman 1997). Los estudios murinos han demostrado la expresión materna exclusiva de UBE3A en porciones específicas del cerebro, como las células de Purkinje, regiones del hipocampo y el nervio olfativo (Albrecht et al 1997). Además, estudios de pacientes con pequeñas eliminaciones o translocaciones han demostrado la presencia de un centro de impresión de acción cis (Ohta et al 1999). Un gen no impreso de esta región, el gen P, involucrado en la biosíntesis de melanina, vale la pena mencionar debido a las anomalías pigmentarias observadas en algunos pacientes con alteraciones citogenéticas de esta región (ver más adelante) (Lee et al 1994).

Trastornos humanos debidos a efectos de impresión del cromosoma 15

«Genes activos faltantes»: Síndromes de Angelman y Prader-Willi

Las consecuencias clínicas del proceso de impresión y sus defectos se describieron por primera vez en pacientes con síndromes de Angelman (AS) y Prader-Willi (PWS), dos causas fenotípicamente distintas de retraso mental (RM). Los pacientes con EA tienen IM grave, habla ausente o mínima, convulsiones, marcha atáxica, episodios de risa excesiva, micrognatia y, en algunos casos, hipopigmentación (Williams et al 1995). En contraste, los pacientes con SPW tienen hipotonía central neonatal, deterioro cognitivo leve, hiperfagia de inicio infantil que resulta en obesidad, hipogonadismo hipogonadotrófico, manos y pies pequeños, rasgos faciales característicos y algunos también tienen hipopigmentación (Holm et al 1993). Ambos síndromes, que difieren claramente en sus características fenotípicas, comparten etiologías comunes: aproximadamente el 70% de los pacientes tienen una deleción de 15q11q13, generalmente detectable con el uso de técnicas como la hibridación fluorescente in situ (FISH) (Cassidy et al 1996, 2000). Las eliminaciones involucran la copia heredada por la madre en individuos con EA, mientras que aquellos con SPW tienen eliminaciones del alelo paterno (Knoll et al 1989). Se cree que la deleción del gen P es la causa de la hipopigmentación. El análisis molecular de las eliminaciones ha demostrado que la mayoría de los pacientes comparten una región eliminada común de aproximadamente 4 Mb, con puntos de corte proximales entre los marcadores D15S18 y D15S541 o entre D15S541 y D15S543, y puntos de corte distales entre D15S12 y D15S24 (Kuwano et al 1992, Christian et al 1995, Amos-Landgraf et al 1999). Esta agrupación de puntos de corte sugiere la inestabilidad de la región.

Casi el 30% de los pacientes con SPW y el 10% de los que tienen EA tienen disomía uniparental (DUP) del cromosoma 15, que es la herencia de ambos homólogos del mismo padre (Nicholls 1993, Cassidy et al 2000). Esta anomalía parece ser el resultado del rescate de trisomía o monosomía y conduce a la ausencia de la contribución biparental normal de los genes en esta región (Ledbetter y Engel 1995). La disomía uniparental se evalúa de forma rutinaria en laboratorios clínicos, ya sea mediante análisis de microsatélites, o mediante la evaluación del estado de metilación, ya sea con Southern blot o PCR específica de metilación (Cassidy et al 1996, Kubota et al 1996).

Ambos mecanismos, microdeleciones y DUP, parecen ser eventos esporádicos de bajo riesgo de recidiva para los hermanos de los pacientes afectados. Se han notificado algunos casos de EA y SPW recurrentes en las familias. Los mecanismos subyacentes han sido la impresión de mutaciones en el centro o supresiones en PWS (Buiting et al 1994 y Ohta et al 1999) y, de hecho, mutaciones de la copia materna de UBE3A en casos AS (Kishino et al 1997, Matsuura et al 1997) consistentes con la noción de que esta última es una condición monogénica. Cuando la madre es portadora de mutaciones, el riesgo para su descendencia de tener EA es del 50%. Como se indicó anteriormente, UBE3A, que codifica una proteína involucrada en la ubiquitinación, es el único gen conocido de la región que se expresa únicamente a partir de la copia materna. No está claro si el fenotipo PWS se debe a la falta de uno o varios genes; el pensamiento actual es que corresponde a un síndrome genético contiguo. En resumen, una ausencia de contribución de los genes paternos en la región resulta en SPW, una ausencia de genes activos maternos resulta en el fenotipo AS, y varios mecanismos podrían explicar estos fenómenos.

«Genes adicionales»: Duplicaciones supernumerarias e intersticiales

Otros reordenamientos pueden afectar esta región cromosómica, siendo las duplicaciones más comunes, que pueden ser supernumerarias o intersticiales. Las duplicaciones supernumerarias se encuentran con frecuencia como cromosoma dicéntrico bisatelitado 15 (dic (15)). Estos son uno de los marcadores supernumerarios más comunes, representando el 50% de los encontrados durante el cariotipado de rutina (Webb 1994). Con base en la presencia o ausencia de genes de la región AS/PWS común, estos marcadores se pueden clasificar en dic pequeños y grandes (15)s, que también difieren en sus consecuencias clínicas (Webb 1994). Los dic pequeños (15)s pueden ser familiares, y en la mayoría de los casos están asociados con fenotipos normales, pero los dic grandes (15)s se ven generalmente en pacientes con retrasos en el desarrollo y autismo o rasgos similares al autismo, generalmente acompañados de otros hallazgos como hipotonía, convulsiones y apariencia facial característica. Los análisis moleculares de estos marcadores han demostrado que la cid pequeña (15) tiene puntos de corte similares al punto de corte de deleción proximal descrito anteriormente, entre D15S18 y D15S541 o D15S541 y D15S543. Por lo general, no contienen copias adicionales de los genes impresos, y pueden ser de origen materno o paterno. En contraste, hay una variación más amplia en el tamaño de los dic (15)s grandes, con algunos extendiéndose al punto de interrupción de deleción distal común entre D15S12 y D15S24, pero con algunos marcadores de extensión aún mayor (Cheng et al 1994). Esto implica que estos pacientes tienen tetrasomía para genes de la región impresa. Sorprendentemente, la mayoría de los pacientes reportados tienen cid (15)derivados de los cromosomas maternos, la mayoría derivados de ambos homólogos, lo que sugiere que se originaron en la meiosis I (Wolpert et al 2000). Faltan estudios de expresión génica, probablemente debido a la ausencia de genes activos exclusivamente maternos que podrían evaluarse en sangre u otras muestras. Un estudio reciente que utilizó RT-PCR mostró un exceso aparente de transcripción de SNRPN en un individuo con una cid grande (15) y características de tipo autista en comparación con las secuencias de control, lo que sugiere que el exceso de genes puede ser capaz de escapar del proceso de impresión (Muralidhar et al 1999). La relación de este hallazgo con el fenotipo cognitivo no está clara.

Los estudios de individuos con duplicaciones intersticiales que resultan en trisomía para los genes en la región también muestran puntos de corte que son similares a las deleciones. Se han identificado pacientes con duplicaciones maternas en el curso de la evaluación de los retrasos en el desarrollo, y parece que las duplicaciones paternas son asintomáticas (Cook et al 1997, Repetto et al 1998).

El predominio de duplicaciones hereditarias maternas sugiere que los eventos que conducen a las duplicaciones son más comunes durante la meiosis femenina o que hay un sesgo de comprobación, que puede deberse a un fenotipo normal o más leve o a la letalidad temprana de las duplicaciones derivadas de los padres. Los estudios de pacientes determinados de manera imparcial, por ejemplo, durante el diagnóstico prenatal, ayudarán a aclarar la importancia de las observaciones.

CONCLUSIONES

La impresión es un fenómeno complejo que modifica la herencia mendeliana simple. Sus implicaciones para los seres humanos solo se reconocen recientemente, en particular a través de los estudios de enfermedades que resultan de anormalidades en el proceso normal de herencia biparental. Es de destacar que las alteraciones descritas de la región cromosómica 15q11q13 comparten puntos de corte comunes, lo que sugiere que podría haber un mecanismo común para estas anomalías. Es posible que las alteraciones sean el resultado de eventos de cruce desiguales en la meiosis, y que las eliminaciones y duplicaciones sean productos recíprocos. Esto se ha descrito para otros trastornos, como Charcot-Marie-Tooth tipo IA y neuropatía hereditaria con riesgo de parálisis por presión en el cromosoma 22 (Chance et al 1994). Se han descrito grupos de secuencias repetidas en los puntos de corte comunes en el cromosoma 15, lo que hace que esta sea una hipótesis plausible (Amos-Landgraf et al 1999).

También es evidente que estos trastornos comparten la presencia de diversos grados de disfunción cognitiva, aunque los fenotipos específicos son bastante diferentes. Esto podría deberse a la agrupación de genes que codifican receptores de neurotransmisores como subunidades de receptores gamma amino butíricos (Greger et al 1995, Cassidy et al 2000). Las anomalías citogenéticas del cromosoma 15 son la causa más común conocida de trastorno autista. Además, los estudios de vinculación en individuos con este y otros trastornos relacionados sin anomalías citogenéticas han mostrado resultados positivos para marcadores en esta región, lo que sugiere la presencia de genes de susceptibilidad (Cook et al 1998). Es evidente que queda mucho por aprender sobre el proceso de impresión, sus implicaciones para las enfermedades humanas y, en particular, los trastornos descritos aquí que representan una proporción significativa de las causas de las discapacidades cognitivas.

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