Manual de Neurogenetica.pdf - MANUAL DE NEUROGENu00c9TICA...

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Unformatted text preview: MANUAL DE NEUROGENÉTICA ERRNVPHGLFRVRUJ MANUAL DE NEUROGENÉTICA A. Jiménez Escrig ERRNVPHGLFRVRUJ DIAZ DE SANTOS Reservados todos los derechos. «No está permitida la reproducción total o parcial de este libro, ni su tratamiento informático, ni la transmisión de ninguna forma o por cualquier medio, ya sea electrónico, mecánico por fotocopia, por registro u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del Copyright.» © Adriano Jiménez Escrig, 2003 Ediciones Díaz de Santos, S. A. Juan Bravo, 3-A. 28006 Madrid España Internet: E-Mail: [email protected] ISBN: 84-7978-556-X84-7978-473-3 Depósito legal: M. 5.927-2003 Diseño de cubierta: Ángel Calvete Fotocomposición: FER, S. A. Impresión: Edigrafos, S. A. Encuadernación: Rústica-Hilo, S. L. DIRECTOR ADRIANO JIMÉNEZ ESCRIG Hospital Ramón y Cajal. Universidad de Alcalá. Madrid AUTORES MANUEL BARÓN RUBIO Fundación Hospital Alcorcón. Madrid [email protected] FRANCISCO JAVIER CAROD ARTAL Hospital Sarah. Brasilia. Brasil [email protected] JOSÉ MANUEL GOBERNADO SERRANO Hospital Ramón y Cajal. Universidad de Alcalá. Madrid [email protected] ADRIANO JIMÉNEZ ESCRIG Hospital Ramón y Cajal. Universidad de Alcalá. Madrid [email protected] ADOLFO LÓPEZ DE MUNAIN Servicio de Neurología y Unidad Experimental. Hospital Donostia ILUNDAIN Fundazioa. San Sebastián [email protected] MANUEL LOUSA GAYOSO Hospital Ramón y Cajal. Madrid [email protected] DAVID MAYO CABRERO Banco de Tejidos. Madrid [email protected] ANA PARDO VIGO Hospital Ramón y Cajal. Universidad de Alcalá. Madrid. [email protected] ÍNDICE Autores .............................................................................................................................................. VII Introducción ..................................................................................................................................... XI NEUROGENÉTICA BÁSICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Generalidades de genética .............................................................................................. 3 Técnicas de biología molecular en investigación y diagnóstico .................................... 23 Animales transgénicos en neurología ............................................................................. 37 Terapia génica ................................................................................................................ 51 Programas informáticos de uso en genética ................................................................... 59 Recursos de genética en Internet .................................................................................... 67 La neurogenética desde el punto de vista del neurólogo clínico .................................... 83 Estrategias para el estudio genético molecular de una enfermedad neurológica ........... 89 NEUROGENÉTICA CLÍNICA 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Miopatías hereditarias .................................................................................................... Enfermedad de Charcot-Marie-Tooth ............................................................................ Polineuropatía amiloidea familiar .................................................................................. Heredoataxias ................................................................................................................. Genética de las demencias ............................................................................................. Genética de los movimientos anormales ........................................................................ Xantomatosis cerebrotendinosa ..................................................................................... Trastornos neurológicos paroxísticos.............................................................................. Genética de los accidentes cerebrovasculares ................................................................ Trastornos de la coagulación .......................................................................................... Enfermedades mitocondriales ........................................................................................ 97 117 141 147 159 183 203 209 225 237 255 Listado de enfermedades neurológicas genéticas ......................................................................... 273 Secuencia histórica de la genética .................................................................................................. 277 Glosario ............................................................................................................................................. 283 Índice analítico ................................................................................................................................. 293 IX Introducción En el año 2001, con la finalización del Proyecto Genoma Humano, se ha culminado posiblemente la mayor empresa científica del siglo XX. La realización de este proyecto ha iniciado una nueva era de la medicina, caracterizada por una mayor precisión diagnóstica, que nos obligará a cambiar las actuales clasificaciones de las enfermedades y, sobre todo, un dramático avance en el conocimiento de la patogénesis de las enfermedades. Esto último va a abrir una enorme cantidad de nuevas vías terapéuticas de las que vamos a disponer en los próximos años. Entre todas las especialidades de la Medicina, la Neurología va a ser posiblemente la especialidad en la que esto va a tener más impacto. Por eso, en estos años, la especialidad de la Genética se ha ido introduciendo lentamente en nuestra práctica clínica y de investigación, hasta ocupar una parte muy importante de ella. La Genética presenta varias características que la diferencian de otras herramientas que utilizamos los neurólogos. En primer lugar, es una especialidad nueva, de la que apenas teníamos unos conocimientos básicos. En segundo lugar, es una especialidad en continuo cambio, por lo que el volumen de conocimientos nuevos que de ella recibimos muchas veces y que vamos a seguir adquiriendo en los próximos años, nos puede desbordar. En tercer lugar, es una especialidad multidisciplinaria, en la que están implicados médicos, bioquímicos, biólogos, etc. A pesar de ello, todo el mundo coincide en que la Genética está lo suficientemente asentada, y nos aporta tanto a nuestra práctica clínica, que merece la pe- nar dedicarse a ella con suficiente profundidad. Por ello, se ha pretendido organizar un libro que tenga una utilidad práctica a quien lo lea. Los que no sean neurólogos, podrán encontrar una visión clínica de la especialidad que los clínicos muchas veces les solicitan. Los neurólogos, podrán introducirse en la especialidad y repasar o conocer temas que nos competen en nuestra práctica diaria con pacientes con transtornos neurogenéticos. Esperamos haber conseguido al menos alguno de los dos fines. Quisiéramos finalizar con una puntualización metodológica. La Genética, como cualquier otra ciencia, tiene su propio lenguaje, una jerga con términos como hibridación, anillamiento, desnaturalización, etc., que presenta dos tipos de dificultades. La primera, el desconocimiento que impone la novedad, que nos obliga a un esfuerzo adicional de aprender el significado de este lenguaje, hasta la fecha desconocido. Para ello, se han intentado describir los términos a medida que han ido apareciendo. Pero como esto no siempre ha sido posible, y en ocasiones puede parecer reiterativo, los términos más importantes se han explicado en un glosario incluido al final del texto. La segunda dificultad viene dada porque al ser la mayoría de los descubrimientos de origen anglosajón la terminología usada es casi siempre inglesa. Términos como primer, traducidos al español como cebador o iniciador, pueden tener un significado confuso, por lo que para conseguir la máxima claridad en las explicaciones del texto, inevitablemente se hace necesario utilizar el término en inglés o en ambos idiomas. XI XII INTRODUCCIÓN Otra aclaración necesaria es que el propósito del libro no es hacer una recopilación extensa del conocimiento actual de la Genética, algo por otra parte imposible de conseguir dada la extensión que está alcanzado esta disciplina, sino servir de introducción para animar a los lectores a adquirir nuevos conocimientos, y al mismo tiempo darles una visión práctica que les ayude en su trabajo diario. PARTE I NEUROGENÉTICA BÁSICA C APÍTULO 1 Generalidades de genética A. Jiménez Escrig DE LOS EXPERIMENTOS DE MENDEL AL CONOCIMIENTO DE LA ESTRUCTURA DEL DNA Mendel (1822-1884), un monje austríaco que vivió y trabajó en Brun, realizó durante más de 20 años diferentes experimentos sobre la herencia de los caracteres en los guisantes. Mendel notó que los descendientes de determinadas plantas heredaban ciertas características de sus progenitores y decidió observar y cuantificar estas características. Eligió para sus experimentos el guisante, por la rapidez de sus ciclos reproductivos y la capacidad de seleccionar su polinización de forma artificial, y a lo largo de estos años observó y cuantificó la herencia de la altura, el color y posición de las flores, forma y color de las vainas, el color del guisante y la superficie de este, rugoso o liso. Mendel se quedó para explicar su teoría con estos dos últimos caracteres. A partir de estos experimentos, Mendel comunica en 1865 las llamadas leyes de Mendel, proponiendo que invisibles unidades internas de información originan los rasgos observables, y que estos factores, que luego se conocerán como genes, pasaban de una generación a la siguiente. La primera de estas leyes, la de la independencia de los caracteres, señala que los mismos (color del fruto y superficie de este) se transmiten de forma independiente. Mendel cruzó guisantes verdes lisos y amarillos rugosos y obtuvo combinaciones diferentes (verdes lisos, verdes rugosos, amarillos lisos y amarillos rugosos). Señaló entonces que los caracteres se transmiten independientemente unos de otros. En la segunda ley de Mendel, Mendel cruzó guisantes con color de fruto verde y amarillo y obtuvo en la primera generación guisantes únicamente verdes, y en la segunda generación guisantes verdes (el 75%) y guisantes amarillos (25%). Habla entonces de que los caracteres se segregan pudiendo transmitirse a través de generaciones sin expresarse. A partir de lo anterior, Mendel sugirió la existencia de ciertas partículas, que llamó factores, que se transmitían de los progenitores, incluso señaló que debían ser dos por cada rasgo. Describió que estos factores interaccionaban entre ellos para dar lugar a las características del individuo, existiendo una herencia dominante y recesiva (el carácter verde es dominante y el amarillo recesivo), impidiendo la presencia de caracteres dominantes que se manifiesten los caracteres recesi3 4 MANUAL DE NEUROGENÉTICA vos y trasmitiéndose los caracteres recesivos en el 25% de los casos. Además, describió la independencia de los caracteres frente a la teoría previa que señalaba que los caracteres podían mezclarse entre ellos. Por falta de aceptación y difusión, las teorías de Mendel permanecieron ocultas hasta 1900, en que de forma independiente de Vries, Von Tshermak y Correns describen de nuevo estas leyes y descubren sus escritos. A los caracteres heredados en los guisantes, Mendel los denominó factores de la herencia. La identidad de estos factores permaneció oscura hasta el siglo XX, cuarenta años después de los experimentos de Mendel, en que aparecieron nuevas técnicas que permitieron conocer el material contenido en los núcleos celulares. Estas nuevas técnicas fueron la construcción de microscopios más potentes y el descubrimiento de materiales de tinción que selectivamente teñían diferentes estructuras de las células. Al examinar con esto los núcleos celulares, se pudo visualizar unas estructuras alargadas con forma de bastoncillos que se denominaron cromosomas. Con el tiempo se vio que estos cromosomas podían diferenciarse por su tamaño y forma y, según esto, que usualmente las células contienen dos copias de cada cromosoma, llamándose a estas células diploides. Todas las células de un organismo van a contener el mismo número de cromosomas, que se duplica inmediatamente antes de cualquier división celular. Las células sexuales o germinales tienen la mitad de los cromosomas que las células no germinales o somáticas, llamándose células haploides, produciéndose por la fertilización una célula diploide llamada cigoto. Una vez que se conocieron los cromosomas, rápidamente apareció como obvio que podían comportarse como partículas o factores de la herencia descritos por Mendel. Lo anterior permitió conocer en 1905 que las células de los organismos femeninos contenían 2 cromosomas X, mientras que las células de los organismos masculinos contienen un cromosoma X y otro Y, siendo el sexo el primer carácter fenotípico al que se asignó una localización cromosómica específica. El análisis cuantitativo de los cromosomas mostró que están compuestos en un 40% por DNA y en un 60% por proteínas. Inicialmente se pensó que estas proteínas eran las portadoras de la información genética por cuanto están formadas por 20 subunidades (los aminoácidos) diferentes, mientras que el DNA está formado sólo por 4 (las bases nitrogenadas), lo que permite mayor variabilidad de la información. Los experimentos de Avery, McLeod y McCarty, y posteriormente de Alfred Hershey y Martha Chase fijaron en el DNA la transmisión de los caracteres. HISTORIA DE LA INVESTIGACIÓN DEL DNA La historia de la investigación del DNA se inicia en 1868 cuando el biólogo suizo Friedrich Meischer, utilizando el núcleo de células obtenidas del pus de los vendajes quirúrgicos detectó una sustancia que contenía fósforo y que llamó nucleína. Meischer demostró que la nucleína consistía en una porción ácida, que luego se denominaría DNA, y una porción básica proteica que hoy conocemos como histonas. Aunque Miescher y otros que posteriormente le siguieron sospechaban que la nucleína podría jugar un papel en la herencia celular, se consideraba que la falta de diversidad en su estructura era una importante contradicción para esto. La primera evidencia del papel del DNA en la herencia fue aportada por Avery, McLeod y McCarty, que descubrieron que el DNA obtenido de una capa virulenta del streptoccoco pneumoniae transformaba en virulenta una cepa inactiva. Si este experimento fijaba la herencia en el DNA, todavía existía la posibilidad de que el agente transmisor de la herencia fuera el contenido proteico del ácido nucleico. La pregunta fue finalmente contestada en 1952 mediante el uso de un virus bacteriófago T2, que infecta las células bacterianas transmitiendo el material radioactivo, en un experimento conducido por Alfred Hershey y Martha Chase. Estos prepararon dos tipos de fagos, uno con DNA marcado con fósforo radioactivo y otro con proteínas de su cápsula marcadas con azufre radioactivo. El examen de las bacterias transfectadas reveló la presencia únicamente de fósforo 5 GENERALIDADES DE GENÉTICA radioactivo en las bacterias que se transmitía en sucesivas generaciones, por lo que se demostró que el DNA era el agente transmisor de la herencia. A pesar de que desde los años 50 se conocía que el DNA llevaba la información genética de una generación a la siguiente, la estructura del DNA y el mecanismo a través del cual se transmitía la información genética no se dedujo hasta 1953, en que James Watson, un genetista americano, y Francis Crick, un físico inglés, trabajando en la Universidad de Cambridge propusieron el modelo de doble hélice, un descubrimiento que se ha considerado la llave de la moderna biología molecular y biotecnología. Usando información derivada de diferentes estudios previos sobre la química y la estructura del DNA, Watson y Crick fueron capaces de ensamblar estos datos para producir este modelo. De estudios previos se conocía que el DNA es un polímero de subunidades de nucleótidos, cada uno formado por un azúcar (desoxirribosa), fosfato y una de cuatro bases nitrogenadas, purinas (adenina, guanina) o pirimidinas (timina, citosina). Un dato muy importante fue el descubrimiento de Erwin Chargaff (1940) de que las cuatro bases pueden encontrarse en diferente proporción en los distintos organismos, pero que el número de adeninas es igual al número de timinas, y el número de guaninas igual al número de citosinas. Los estudios de difracción de rayos X de Rosalind Franklin y Maurice Wilkins en Londres, mostraron un patrón de difracción característico del que se deducía que la molécula de DNA tenía dos periodicidades a lo largo de su eje, una periodicidad principal de 0,34 nm, y una secundaria de 3,4 nm. Con todo ello, Watson y Crick diseñaron su conocido modelo tridimensional, consistente en dos cadenas helicoidales de DNA enrolladas alrededor de un eje para formar una doble hélice que gira hacia la derecha. En este modelo las dos cadenas de DNA corren en dirección opuesta y son complementarias, apareándose mediante puentes de hidrógeno la adenina con la timina y la citosina con la guanina. Este apareamiento complementario de las bases asegura que cuando el DNA se replica se origine un duplicado exacto del molde previo. CARACTERÍSTICAS DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS De acuerdo con lo anterior, los ácidos nucleicos son polímeros constituidos por la unión de diferentes nucleótidos en una secuencia 5’,3’. La Figura 1.1 muestra la composición de los nucleósidos. El azúcar es una pentosa, ribosa en el RNA y desoxirribosa en el DNA. Las bases pueden ser purinas (adenina, guanina) y pirimidinas (citosina, timina en el DNA y citosina y uracilo en el RNA). La unión de una base y la pentosa se denomina nucleósido, y la unión de un nucleósido con un grupo fosfato se llama nucleótido. El grupo fosfato de los nucleótidos proporciona a la molécula el carácter ácido. A pH neutro el DNA tiene carga negativa, por lo que migrará hacia el polo positivo en la electroforesis. En la célula se encuentra en forma de sal asociado a proteínas básicas. Los ácidos nucleicos son estructuras polares. Esta polaridad, que los hace solubles en agua, deriva del modo en que se unen en una secuencia 5’,3’, lo que quiere decir que se conectan a través de enlaces entre el carbono 5’ de una pentosa y el 3’ de la siguiente, quedando siempre un enlace 5’ y un enlace 3’ libre en cada lado. Por convención, la secuencia de DNA siempre se lee en la dirección 5’,3’. La parte variable de la molécula es la secuencia de las bases (A,C,G,T). En el modelo de doble hélice, cada cadena es complementaria de la otra: una purina (adenina y guanina) siempre se opone a una pirimidina (citosina y timina). Citosina siempre es complementaria de la guanina, al formar 3 puentes de hidrógeno, y adenina es complementaria de timina al formar 2 puentes de hidrógeno (Figura 1.2). Además, se dice que tie- Tabla 1.1. Abreviatura de los ácidos nucleicos. A G U Y M W D V C T R K S B H N Adenina Guanina Uridina T o C (Pirimidina) A o C (Amino) A o T (Weak) AGoT ACoG Citidina Timina G o A (Purina) G o T (Keto) G o C (Strong) CGoT ACoT A C G o T (Any) 6 MANUAL DE NEUROGENÉTICA Figura 1.1. Estructura de los ácidos nucleicos. nen una disposición antiparalela, lo que significa que los enlaces fosfodiester de cada cadena van en una disposición opuesta: 5’ 3’ en una cadena y 3’ 5’ en la complementaria. Figura 1.2. Uniones de las bases nitrogenadas. Esta especificidad del apareamiento de las bases es la característica estructural más importante del DNA. Como cada nucleótido de la cadena es complementario del opuesto, puede servir de GENERALIDADES DE GENÉTICA plantilla en la replicación de la cadena cuando la doble hélice se abre. Se dice por esto que la replicación de DNA es semiconservadora, porque por cada cadena de DNA que se forma una es nueva y la otra es la anterior. En la Figura 1.3 se muestra cómo se replica el DNA. Las dos hebras se sepa...
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