DOENÇAS MULTIFATORIAIS
DOENÇAS GENÉTICAS
CROMOSSÔMICAS 1 cromossomo
MONOGÊNICAS 1 gene
MULTIFATORIAIS GENES
+
AMBIENTE
DOENÇAS GENÉTICAS
CROMOSSÔMICAS 1 cromossomo
MONOGÊNICAS 1 gene
MULTIFATORIAIS GENES
+
AMBIENTE
Doenças monogênicas e cromossômicas são características qualitativas DOENÇA MONOGÊNICA Alelo mutado presente
INDIVÍDUO AFETADO Cromossomo alterado presente
Alelo mutado ausente
INDIVÍDUO NORMAL Cromossomo alterado ausente
DOENÇA CROMOSSÔMICA
Princípios da Herança Multifatorial É poligênica
Pequenas contribuições de vários genes
Vários fatores ambientais
A + B + C + D
1 + 2 + 3 + 4 + 5
DOENÇA CARACTERÍSTICAS QUANTITATIVAS COM DISTRIBUIÇÃO NORMAL
Existem várias características quantitativas com herança multifatorial •Pressão sanguínea •Peso •Concentração sérica de colesterol •Circunferência cefálica •Altura •Inteligência •Cor da pele
O que é distribuição normal ? Supondo que a altura fosse determinada por 1 par de genes, com relação de co-dominância Proporção fenotípica
A: alto (1,80m) a: baixo (1,50m) 2
Aa x Aa AA Aa Aa aa
1 AA: alto (1,80m) 2 Aa: altura média (1,65m) 1 aa: baixo (1,50m)
p r o p o r ç ã o
1
0 baixo
médio
alto
3 categorias fenotípicas
Considerando
que a altura seja determinada por 2 genes:
•Gene A contribui com 1 cm; •Gene C contribui com 1,2 cm; •Letras minúsculas representam alelos contribuindo com 0,5
e 0,6 cm, respectivamente
cm
Os fenótipos se dividiriam em cinco grupos: AACC AaCC aACC AACc AAcC aaCC aACc AacC AaCc aAcC AAcc aaCc aacC aAcc Aacc aacc
6
p r o p o r ç ã o
5
Passam a
4
existir mais
3
categorias de
2
fenótipos intermediários
1 0 A (4)
A/B (3:1)
A/B (2:2)
A/B (1:3)
B (4)
Todos alelos p/ alto: 1 3 alelos alto:1 alelo baixo=4 2 alelos alto:2 alelos baixo=6 1 alelo alto:3 alelos baixo=4 Todos alelos baixo: 1
Várias medidas de alturas seriam possíveis, dentro das 5 categorias Genótipos possíveis AACC AaCC aACC AACc AAcC aaCC aACc AacC AaCc aAcC AAcc aaCc aacC aAcc Aacc aacc
No alelos c/ contribuição máxima 4 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 0
A=1,0; a=0,5; C=1,2; c=0,6
Altura 4,4 3,9 3,9 3,8 3,8 3,4 3,3 3,3 3,3 3,3 3,2 2,8 2,8 2,7 2,7 2,2
Se a altura for determinada por 3 pares de genes, mais categorias fenotípicas ocorrerão 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 A (6) A/B A/B A/B A/B A/B B (6) (5:1) (4:2) (3:3) (4:2) (5:1)
Os fatores ambientais irão conferir ainda mais variações fenotípicas
As características quantitativas têm uma distribuição normal na população (gaussiana)
média s o u d í v i d n i . o N
Desvio padrão
1,40
Altura (m)
1,95
MAS... Muitas doenças multifatoriais parecem estar presentes ou ausentes nos indivíduos
O
que
segue
uma
distribuição
normal
é
a
SUSCETIBILIDADE à doença Existe
um LIMIAR DE SUSCETIBILIDADE que precisa ser
cruzado para a doença estar presente
O modelo do limiar Não afetados Limiar de suscetibilidade Afetados
baixa Poucos fatores genéticos/ambientais contribuem para a doença
SUSCETIBILIDADE
alta
Muitos fatores genéticos/ambientais contribuem para a doença
O limiar de suscetibilidade pode variar entre os sexos limiar
Quem tem maior chance de ter um irmão afetado, o baixo
suscetibilidade
alto
baixo
suscetibilidade
alto
homem ou a mulher ?
Muitas doenças apresentam herança multifatorial Congênitas
Surgimento na vida infantil e adulta •Asma •Autismo
•Fenda labial/palatina
•Diabetes mellitus
•Defeitos cardíacos congênitos
•Epilepsia
•Defeitos do tubo neural
•Glaucoma •Hipertensão •Doença cardíaca isquêmica •Doença maníaco-depressiva •Obesidade •Doença de Parkinson •Câncer •Artrite reumatóide •Lupus
Esquizofrenia
Risco de recorrência e padrão de transmissão para doenças multifatoriais •Não é possível conhecer todos os
fatores genéticos e ambientais
envolvidos na doença – não há como calcular risco de recorrência para cada casal
Risco empírico
Calculado a partir da observação da recorrência da doença em famílias numa dada população
Fatores genéticos e ambientais são diferentes entre as populações
Ou seja, o risco é calculado a partir da agregação familiar da doença •Parentes têm maior chance de compartilhar
genes Risco relativo:
r
=
Prevalência da doença em uma classe de parente do afetado Prevalência da doença na população
r= classe de parentes (irmãos, pais, etc)
Se r = 1, risco igual ao da população
Critérios para definição de herança multifatorial O
risco é maior se mais de um membro da família é afetado
•Lembre-se: o risco inicial de uma família é o estimado, não é o real !
•O que muda agora não é o risco real, mas o seu
suscetibilidade dessa família
conhecimento sobre a
Se
a expressão da doença no probando for mais severa, o risco de recorrência é maior Expressão mais grave - mais fatores causadores da doença presentes nessa família
O
risco de recorrência é maior se o probando for do sexo menos comumente afetado Se o sexo que precisa de mais fatores genéticos e ambientais para desenvolver a doença chegou a apresentá-la é porque a família contém muitos fatores de risco
Tabela 1: Risco de recorrência para estenose pilórica Probandos homens Parentes
Probandas mulheres
Londres
Belfast
Londres
Belfast
Irmãos
3,8
9,6
9,2
12,5
Irmãs
2,7
3,0
3,8
3,8
Observe que o risco de recorrência é diferente em cada população
O
risco de recorrência geralmente diminui rapidamente em parentes mais remotos É improvável que todos os fatores de risco estejam presentes em membros mais distantes Se
a prevalência da doença na população é f, o risco da prole e de irmãos do probando é de aproximadamente √f Não é uma regra absoluta
Tabela 2: Risco relativo (%) para diferentes graus de parentesco Grau de parentesco Doença
Prevalência
Lábio leporino/palato fendido
0,1
4,0
0,7
0,3
Pé torto
0,1
2,5
0,5
0,2
Autismo
0,04
4,5
0,1
0,05
1º. grau
2º. grau
3º. grau
Gene principal + componente multifatorial
Gene A: gene único causando grandes efeitos sobre a altura Efeito multifatorial: outros genes + ambiente somam efeitos individuais menores
Como as influências genéticas podem ser separadas das influências ambientais ? Estudos
de gêmeos
Estudos
caso - controle
Estudos
de gêmeos
Gêmeos monozigóticos •Geneticamente idênticos •Qualquer diferença pode ser atribuída ao
ambiente
•Geneticamente tão diferentes quanto irmãos
não gêmeos •Compartilham ambiente mais semelhante do
que irmãos não gêmeos •Sujeitos a variações ambientais semelhantes
aos gêmeos MZ
Gêmeos dizigóticos
Os gêmeos podem ser concordantes ou discordantes para uma característica Característica totalmente determinada geneticamente Gêmeos MZs criados separadamente
•100% concordância em MZs •Concordante em menor frequência em
DZs (~50%) •Genes idênticos •Ambientes diferentes
Limitações: •Variação genética entre gêmeos MZs •Exposição ambiental pode não ser a
(p.ex.: inativação do X)
mesma
•Alelos ou fatores ambientais diferentes nos diferentes pares
de gêmeos •Viés de amostragem
Herdabilidade Fração da variação fenotípica total que é causada pelos genes Para características qualitativas: Herdabilidade (h) = 2 (C MZ – CDZ) Para características qualitativas: Calcula-se o Coeficiente de correlação intraclasse
Aplica os valores na fórmula
Variação entre os indivíduos Variação total
Onde: variação total = variação entre os indivíduos + variação ambiental
Tabela 3: Taxas de concordância entre Mzs e DZs Doença/característica
Taxa de concordância Herdabilidade MZ
DZ
Distúrbio afetivo (bipolar)
0,79
0,24
>1,0
Alcoolismo
>0,60
<0,30
0,60
Autismo
0,92
0,0
>1,0
IMC
0,95
0,53
0,84
Sarampo
0,95
0,87
0,16
Infarto do miocárdio (homens)
0,39
0,26
0,26
Infarto do miocárdio (mulheres)
0,44
0,14
0,60
Estudos caso-controle Casos: indivíduos com a doença Controles: indivíduos sem a doença
Verifica-se a frequência com que a doença ocorre em toda a extensão familial de cada grupo
•Estudos de associação de mutações a doenças
Frequência alélica ou genotípica é observada nos casos e nos controles Frequência genotípica/alélica casos > controle
Genótipo ou alelo está associado com a doença
Doenças com herança complexa Diabetes mellitus tipo 1 (insulino-dependente) •Representa ~10% dos casos de diabetes mellitus •Incidência de 1:200 em população caucasiana (0,5%) •Destruição das células do pâncreas •Taxa de concordância em MZ: 40% •Taxa de concordância em DZ: 4,8% s = 12
O papel das HLAs na resposta imune
Mutações em genes HLA (HLA-DR3, HLADR4 ou HLA-DQ) são frequentes em indivíduos com DM tipo 1
Doença de Alzheimer •Perda progressiva de memória e outras
funções •Morte de neurônios e formação de placas
amilóides •Placas amilóides: peptídeo a •Três formas raras com herança AD, de
início precoce (30 a 50 anos) •Forma mais comum apresenta
agregação familiar e r elevado, é de início tardio (>60 anos)
Apolipoproteína E (APOE) •Proteína componente do LDL •Constitui as placas amilóides junto com o
peptídeo a •Existem 3 alelos na população: e2, e3 e e4 AD (EUA)
Controle (EUA)
AD (Japão)
Controle (Japão)
Genótipo e4/ e4 e3/ e4 e2/ e4
0,64
0,31
0,47
0,17
e3/ e3 e2/ e3 e2/ e2
0,36
0,69
0,53
0,83
Malformações congênitas Como
defeitos isolados, possuem herança complexa
Defeitos
de fechamento do tubo neural
Fenda
labial com ou sem palato fendido
Fenda
palatina
Malformações cardíacas congênitas
Anencefalia •Prosencéfalo, meninges, abóbada craniana e
pele ausentes
Espinha bífida •Falta de fusão dos arcos das
vértebras
(lombares) •Graus variados: oculta ou aberta
(meningocele ou meningomielocele)
Tubo neural
Meningomielocele
23º dia
Meningocele
Os defeitos do TN e a deficiência de ácido fólico •Risco de DFTN inversamente proporcional aos níveis maternos
de ácido fólico •Efeito limiar: 200 mg/l •Suplementação dietética com 400/800 mg ácido fólico/dia reduz a
incidência de DFTN em >75%
Defeitos de fechamento do tubo neural Isquemia arterial Dano endotelial
Metilação do DNA Hipometilação Problemas na segregação dos cromossomos – Trissomia do 21
Ácido fólico
Metionina
THF
Homocisteína 5-metil-THF
5,10-metilenoTHF
MTHFR
dTMP
Síntese do DNA Revista Brasileira de Medicina, 62(9), 401-408.
Menor incidência de câncer de colon
GENÉTICA DO CÂNCER
O CÂNCER É UM PROCESSO QUE OCORRE EM MÚLTIPLOS ESTÁGIOS
Estágios de desenvolvimento do câncer
Os tumores são capazes de produzir seus próprios vasos sanguíneos (angiogênese)
Estágio metastático
Na progressão do processo neoplásico, a célula adquire as capacidades de :
• Auto-suficiência em sinalização para o crescimento • Insensibilidade à sinalização anti-crescimento • Potencial replicativo ilimitado • Evasão do processo apoptótico - imortalidade • Angiogênese • Invasão tecidual e metástase
O CÂNCER É UMA DOENÇA DO CICLO CELULAR
O ciclo celular MITOSE Divisão celular
Fase G2 Preparação para a divisão celular
G1, S, G2
Intérfase FASE S Duplicação do DNA
FASE G0 A célula não está se reproduzindo
FASE G1 Atividade metabólicas associadas com crescimento celular e replicação do DNA
Fase G0
Como é assegurado que os eventos do ciclo celular ocorram na ordem correta?
ciclina CDK
Proteína quinase que ativa as proteínas responsáveis pelos eventos de uma determinada fase do ciclo
Proteína que, quando presente, torna a CDK ativa
A ciclina que ativa a CDK responsável por uma fase do ciclo celular será degradada na fase seguinte
Complexo CDK1/ciclina B (responsável pela entrada da célula em mitose)
A progressão pelo ciclo celular é controlada pelos complexos CDKs/ciclinas G1
S
CDK4 CIC.D CDK6 CIC.D
G2
CDK2 CIC.A
M
CDK1 CIC.B
CDK1 CDK2 CIC.E
CIC.A
G1
pRb
S
CICLINA D
CICLINA E
CDK4,6
CDK 2
E2F P P P P pRb Ciclina A Timidilato sintase Dihidrifolato redutase Timidina quinase Ciclina E
E2F
E2F
O CÂNCER É UMA DOENÇA GENÉTICA
A célula adquire as características neoplásicas através do acúmulo de mutações
Genoma estável
Célula normal cromossômicas Mutações pontuais
Genoma instável
Célula tumoral
Cariótipo de um rabdomiosarcoma em um homem de 21 anos. Hipotetraplóide, com muitas alterações numéricas e estruturais, no último caso resultando em ganhos significativos nos cromossomos 2q, 5, 8p, 9q e 11q e perdas nos cromossomos 3q, 4q, 12q, 17, 19 e 21.
Cariótipo espectral (SKY, spectral karyotiping )
“Pontos de quebra” dos cromossomos tumorais (cancer breakpoints )
Locais onde a quebra é recorrente (considerando-se o mesmo tipo e/ou tipos diferentes de tumores) São regiões muito ricas em genes - 20 das 30 regiões cromossômicas mais ricas em genes são breakpoints
As aberrações cromossômicas podem resultar em perda ou ganho da função de genes MUTAÇÕES PONTUAIS E ALTERAÇÕES EPIGENÉTICAS TAMBÉM SE ACUMULAM DURANTE O PROCESSO TUMORAL
Respostas ao dano no DNA
Elimina o dano porque elimina a célula que o contém
PARE Bloqueio na divisão celular Impede que a célula dê origem a outra célula com o dano
Apoptose Reparo do DNA Elimina o dano porque o conserta
Sistemas de Reparo do DNA
Manutenção das informações do DNA Resposta envolve uma variedade de proteínas e complexos enzimáticos Células – múltiplos sistemas de reparo •Essencialidade •Diversidade de origem dos danos
www.rsc.org/.../10/Discovering_DNA_repair.asp
Etapas básicas do reparo do DNA 4) DNA ligase ligação fosfodiéster para selar a fita –
2) Endonuclease retira os nucleotídeos
1) Proteína reconhecedora do dano
3) DNA polimerase sintetiza novos nucleotídeos
–
TTGAACTGGGTACGATCCA T AACTTGACCCATGCTAGGT
–
Os pontos de checagem (checkpoints) do ciclo celular
O controle do checkpoint na fase G1
CDK2 p21
CDK4Cic D
Controlam a saída da fase G1
Cic E/A
p21
pRb E2F
p53 ATM
Morte celular Necrose
Apoptose
FADD Casp 8 Casp 8 Casp 8 Casp 8
translocase
Via independente da MT Bax
p53
Bid ATM Cit. c Apaf-1 Casp. 9 DFF40 Ca+ Mg+
Casp. 3 Proteínas do citoesqueleto
Acinus
300 / 50 kb endonuclease 180/200pb
Dois eventos chave para surgimento/progressão do tumor: Homeostase
PROLIFERAÇÃO CELULAR
Acúmulo de células - TUMOR
MORTE CELULAR
Gene atuando normalmente no processo homeostático Necessidade de aumentar a população celular Sinais para: Indução de proliferação celular Inibição de morte celular •
•
OU
Divisão celular
Apoptose
Aumenta número de células
O MESMO GENE SOFRENDO MUTAÇÃO DE GANHO DE FUNÇÃO
OU
Proliferação celular
Apoptose
Aumento excessivo do número de células - tumor
Oncogenes Genes
que,
quando
mutados,
são
constitutivamente
expressados, podendo resultar em proliferação descontrolada, inibição da apoptose e transformação neoplásica. Ex.:fatores de crescimento, proteínas quinases, transdutores de sinais, fatores de transcrição.
Como os oncogenes são mutados Geralmente são eventos somáticos mutações em células germinativas tornam-se constitutivas, o que é letal –
1) Amplificação gênica : são feitas muitas cópias de um gene Ex. : gene MYC Double minutes
Regiões homogeneamente coradas
2
–
Translocações cromossômicas
2.a ) Produção de proteínas quiméricas Ex. : BCR/ABL em leucemia mielóide crônica
BCR ABL
GRB2
JAK2
CAKL
Inibição da apoptose Proliferação Crescimento independente de fator de crescimento •
•
•
2.b) Transposição para uma região que é muito ativa transcricionalmente Ex. : MYC/IGH em linfoma de Burkit IGH : muito expresso em
•
linfócitos MYC : fator de transcrição
•
que estimula proliferação celular
Mutação pontual Alteração de uma ou poucas bases, mudando a informação genética Ex. : gene RAS
RAS GDP
RAS
ativa inativa
RAS GTP
ativa
GDP inativa
GTP
RAS
Divisão celular
Divisão celular
A PREDISPOSIÇÃO AO CÂNCER PODE SER HERDADA
GENES SUPRESSORES DE TUMOR: a segunda categoria de genes mutados no câncer
Retinoblastoma Origina-se
de retinoblastos que se diferenciam em células fotorreceptoras e neurônios Processo
de diferenciação falha nos tumores, e as células continuam a se dividir, podendo se espalhar e metastatizar Câncer
comum em crianças
40% hereditários
60% esporádicos Bilateral Unilateral
Unilateral Maioria dos casos é bilateral 80% desses casos são mutações de novo na linhagem germinal
Forma hereditária
Mutação somática (2º evento) Mutação herdada (1º evento)
Basta outro evento para o desenvolvimento de novo tumor Comumente bilateral Knudson, A. - Nature Rev 1:157, 2001
Forma esporádica Mutação somática (1º evento) Mutação somática (2º evento)
Mais dois eventos devem acontecer para produzir outro tumor Raramente bilateral Knudson, A. - Nature Rev 1:157, 2001
Hipótese dos dois eventos (“two
) hits”
Knudson, 1971 2 eventos são necessários para ocorrência do tumor, tanto da forma hereditária quanto da não-hereditária
Na forma hereditária, o primeiro evento ocorre na linhagem germinativa, e o segundo é uma mutação somática
Na forma esporádica, as 2 mutações são somáticas
Predisposição herdada ao câncer (cânceres familiais) Doença Polipose adenomatosa do cólon familial Câncer de cólon hereditário, não poliposo
Gene APC MSH2, MLH1
Câncer de mama e ovário
BRCA1
Câncer de mama de início precoce
BRCA2
Síndrome de Li Fraumeni
TP53
Ataxia telangiectasia
ATM
Melanoma familial
CDKN2A (p16)
Gene atuando normalmente no processo homeostático Necessidade de diminuir a população celular
Sinais para: Inibição de proliferação celular Indução de morte celular •
•
OU
Divisão celular
Apoptose
Reduz número de células
O mesmo gene sofrendo mutação de perda de função
OU
Divisão celular
Apoptose
Um alelo ainda consegue realizar a função Os dois precisam ser inativados para contribuir para o processo tumor
Genes supressores de tumor Genes que inibem o fenótipo neoplásico, geralmente envolvidos na inibição da divisão celular e ativação da apoptose. Quando são inativados ou perdidos, o crescimento descontrolado torna-se possível.
Genes supressores de tumor
Mutações nestes genes resultam em perda de função Os dois alelos precisam estar inativados para que haja
contribuição para o processo tumoral recessiva
–
a mutação é
Como os genes supressores de tumor são mutados Mutação pontual: alteração de uma ou poucas bases,
resultando em perda ou diminuição da função Deleção do gene: pequenas deleções cromossômicas, que
não são visíveis ao microscópio Metilação da região promotora: impede ligação do aparato
basal de transcrição à região promotora
Classificação dos genes supressores de tumor
Genes zeladores (caretakers -proteção do genoma)
Reparo do DNA Proteção do telômero
Genes porteiros (gatekeepers - proliferação e sobrevivência) Controle do ciclo celular Apoptose
Estabilidade genômica
