Doenças Multifatoriais 4l5v4

DOENÇAS MULTIFATORIAIS

DOENÇAS GENÉTICAS

CROMOSSÔMICAS

MONOGÊNICAS

1 cromossomo

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 cm e 0,6 cm, respectivamente

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

am a

4

existir mais

3

categorias de

2

fenótipos intermediários

1 0 A (4)

A/B (3:1)

A/B (2:2)

A/B B (4) (1:3)

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

No alelos c/ contribuição máxima

AACC AaCC aACC AACc AAcC aaCC aACc AacC AaCc aAcC AAcc aaCc aacC aAcc Aacc aacc

A=1,0; a=0,5; C=1,2; c=0,6

4 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 0

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)

No. indivíduos

média Desvio padrão

1,40

Altura (m)

1,95 Emery

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

Emery

O limiar de suscetibilidade pode variar entre os sexos limiar

Quem tem maior chance de ter um baixo

suscetibilidade

alto

baixo

suscetibilidade

alto

irmão afetado, o homem ou a mulher ?

Jorde – 3ª. edição

Muitas doenças apresentam herança multifatorial Surgimento na vida infantil e adulta Congênitas

•Fenda labial/palatina •Defeitos cardíacos congênitos •Defeitos do tubo neural

•Asma •Autismo •Diabetes mellitus •Epilepsia •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 conhecimento sobre a

suscetibilidade dessa família

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

Jorde, 3ª. edição

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

Jorde, 3ª. edição

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 (p.ex.: inativação do X) •Exposição ambiental pode não ser a 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 (CMZ – 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 Jorde, 3ª. edição

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

Nature Reviews Immunology 2, 283-291 (April 2002

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 Homocisteína

THF

5-metil-THF

5,10-metilenoTHF

MTHFR

dTMP

Síntese do DNA Revista Brasileira de Medicina, 62(9), 401-408. Journal of Integrative Biology 12 (4):229,2008

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 que, quando presente, torna a CDK ativa Proteína quinase que ativa as proteínas responsáveis pelos eventos de uma determinada fase do ciclo

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

M

CDK2

CDK4 CIC.D

G2

CDK1 CDK6

CIC.A CIC.B

CIC.D

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

Nature 408: 433, 2000

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

pRb

p21

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 Trends in Genetics 22:447, 2006

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

GDP

RAS

ativa inativa

ativa RAS GDP inativa

RAS GTP

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 tumora

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 – a mutação é recessiva

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

Desenvolvimento tumoral envolve aumento da taxa de mutações

Agentes mutagênicos elevam a taxa basal de mutações

Genes responsáveis por eliminar o dano não estão funcionando corretamente

Genes responsáveis por eliminar a célula danificada não estão funcionando corretamente

Células com mutações adquirem vantagem proliferativa em relação à célula normal