Mutación en la línea germinal

Una mutación en la línea germinal suele surgir debido a factores endógenos , como errores en la replicación celular y daño oxidativo. ^{[ 5 ]} Este daño rara vez se repara de forma imperfecta, pero debido a la alta tasa de división de las células germinales, puede ocurrir con frecuencia. ^{[ 5 ]}

Las mutaciones endógenas son más frecuentes en los espermatozoides que en los óvulos. ^{[ 6 ]} Esto se debe a que los espermatocitos experimentan un mayor número de divisiones celulares a lo largo de la vida del varón, lo que resulta en más ciclos de replicación que podrían dar lugar a una mutación del ADN. ^{[ 5 ]} También se producen errores en los óvulos maternos, pero con menor frecuencia que en los espermatozoides paternos. ^{[ 5 ]} Los tipos de mutaciones que se producen también tienden a variar entre los sexos. ^{[ 7 ]} Los óvulos de la madre, tras su producción, permanecen en estasis hasta que cada uno se utiliza en la ovulación. Se ha demostrado que este largo período de estasis da lugar a un mayor número de deleciones, duplicaciones, inserciones y transversiones cromosómicas y de secuencias grandes. ^{[ 7 ]} Los espermatozoides del padre, por otro lado, se replican continuamente a lo largo de su vida, lo que da lugar a muchas pequeñas mutaciones puntuales que resultan de errores en la replicación. Estas mutaciones suelen incluir sustituciones de un solo par de bases, deleciones e inserciones. ^{[ 6 ]}

El daño oxidativo es otro factor endógeno que puede causar mutaciones en la línea germinal. Este tipo de daño es causado por especies reactivas de oxígeno que se acumulan en la célula como subproducto de la respiración celular . ^{[ 8 ]} Estas especies reactivas de oxígeno carecen de un electrón y, debido a su alta electronegatividad (su fuerte atracción por los electrones), lo arrancan de otra molécula. ^{[ 8 ]} Esto puede iniciar daño en el ADN porque provoca que la guanina del ácido nucleico se transforme en 8-oxoguanina (8-oxoG). Esta molécula de 8-oxoG es confundida con una timina por la ADN polimerasa durante la replicación, lo que causa una transversión G>T en una hebra de ADN y una transversión C>A en la otra. ^{[ 9 ]}

En ratones y humanos, la tasa de mutación espontánea en la línea germinal masculina es significativamente menor que en las células somáticas . ^{[ 10 ]} Además, aunque la tasa de mutación espontánea en la línea germinal masculina aumenta con la edad, la tasa de aumento es menor que en los tejidos somáticos. Dentro de la población de células madre espermatogoniales testiculares, la integridad del ADN parece mantenerse mediante una vigilancia altamente eficaz del daño al ADN y procesos protectores de reparación del ADN . ^{[ 10 ]} El aumento progresivo de la tasa de mutación con la edad en la línea germinal masculina puede ser resultado de una disminución en la precisión de la reparación de los daños al ADN o de un aumento en los errores de replicación del ADN . Una vez completada la espermatogénesis , los espermatozoides diferenciados que se forman ya no tienen la capacidad de reparar el ADN y, por lo tanto, son vulnerables al ataque de los radicales libres oxidativos predominantes que causan daño oxidativo al ADN. Dichos espermatozoides dañados pueden sufrir muerte celular programada ( apoptosis ). ^{[ 10 ]}

Una mutación en la línea germinal también puede ocurrir debido a factores exógenos . Al igual que las mutaciones somáticas, las mutaciones en la línea germinal pueden ser causadas por la exposición a sustancias nocivas que dañan el ADN de las células germinales. Este daño puede repararse perfectamente, sin que se presenten mutaciones, o repararse imperfectamente, dando lugar a diversas mutaciones. ^{[ 11 ]} Los mutágenos exógenos incluyen sustancias químicas nocivas y radiación ionizante ; la principal diferencia entre las mutaciones en la línea germinal y las mutaciones somáticas es que las células germinales no están expuestas a la radiación UV y, por lo tanto, no suelen mutar directamente de esta manera. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Las mutaciones en genes supresores de tumores o protooncogenes pueden predisponer a un individuo al desarrollo de tumores. ^{[ 15 ]} Se estima que las mutaciones genéticas hereditarias están involucradas en el 5-10% de los cánceres. ^{[ 16 ]} Estas mutaciones hacen que una persona sea susceptible al desarrollo de tumores si la otra copia del oncogén está mutada aleatoriamente. Estas mutaciones pueden ocurrir en las células germinales, lo que permite que sean hereditarias . ^{[ 15 ]} Los individuos que heredan mutaciones de la línea germinal en TP53 están predispuestos a ciertas variantes de cáncer porque la proteína producida por este gen suprime los tumores. Los pacientes con esta mutación también tienen riesgo de síndrome de Li-Fraumeni . ^{[ 16 ]} Otros ejemplos incluyen mutaciones en los genes BRCA1 y BRCA2 que predisponen al cáncer de mama y ovario, o mutaciones en MLH1 que predisponen al cáncer colorrectal hereditario no polipósico .

La enfermedad de Huntington es una mutación autosómica dominante en el gen HTT. El trastorno causa degeneración en el cerebro, lo que resulta en movimientos y comportamientos incontrolables. ^{[ 17 ]} La mutación implica una expansión de repeticiones en la proteína Huntington, lo que provoca un aumento de su tamaño. Los pacientes que tienen más de 40 repeticiones tienen más probabilidades de verse afectados. El inicio de la enfermedad está determinado por la cantidad de repeticiones presentes en la mutación; cuanto mayor sea el número de repeticiones, antes aparecerán los síntomas de la enfermedad. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Debido a la naturaleza dominante de la mutación, solo se necesita un alelo mutado para que la enfermedad se manifieste. Esto significa que si uno de los padres está afectado, el hijo tendrá un 50 % de probabilidad de heredar la enfermedad. ^{[ 19 ]} Esta enfermedad no tiene portadores porque si un paciente tiene una mutación, (muy probablemente) se verá afectado. La enfermedad suele tener un inicio tardío, por lo que muchos padres tienen hijos antes de saber que tienen la mutación. La mutación HTT se puede detectar mediante el cribado del genoma .

La trisomía 21 (también conocida como síndrome de Down ) se produce cuando un niño tiene tres copias del cromosoma 21. ^{[ 20 ]} Esta duplicación cromosómica ocurre durante la formación de las células germinales, cuando ambas copias del cromosoma 21 terminan en la misma célula hija, ya sea de la madre o del padre, y esta célula germinal mutante participa en la fecundación del cigoto. ^{[ 20 ]} Otra forma más común en que esto puede ocurrir es durante el primer evento de división celular después de la formación del cigoto. ^{[ 20 ]} El riesgo de trisomía 21 aumenta con la edad materna, siendo el riesgo de 1/2000 (0,05 %) a los 20 años y aumentando a 1/100 (1 %) a los 40 años. ^{[ 21 ]} Esta enfermedad puede detectarse mediante procedimientos no invasivos e invasivos prenatalmente. Los procedimientos no invasivos incluyen la detección de ADN fetal a través del plasma materno mediante una muestra de sangre. ^{[ 22 ]}

La fibrosis quística es un trastorno autosómico recesivo que causa una variedad de síntomas y complicaciones, la más común de las cuales es un revestimiento mucoso grueso en el tejido epitelial pulmonar debido a un intercambio de sales inadecuado, pero también puede afectar el páncreas , los intestinos , el hígado y los riñones . ^{[ 23 ] [ 24 ]} Muchos procesos corporales pueden verse afectados debido a la naturaleza hereditaria de esta enfermedad; si la enfermedad está presente en el ADN tanto del espermatozoide como del óvulo, entonces estará presente en prácticamente todas las células y órganos del cuerpo; estas mutaciones pueden ocurrir inicialmente en las células de la línea germinal, o estar presentes en todas las células parentales. ^{[ 23 ]} La mutación más común observada en esta enfermedad es ΔF508, que significa una deleción del aminoácido en la posición 508. ^{[ 25 ]} Si ambos padres tienen una proteína CFTR (regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística) mutada, entonces sus hijos tienen un 25% de heredar la enfermedad. ^{[ 23 ]} Si un niño tiene una copia mutada del gen CFTR, no desarrollará la enfermedad, pero se convertirá en portador de la misma. ^{[ 23 ]} La mutación puede detectarse antes del nacimiento mediante amniocentesis o después del nacimiento mediante pruebas genéticas prenatales. ^{[ 26 ]}

Este sistema de edición induce una ruptura de doble cadena en el ADN, utilizando un ARN guía y la proteína efectora Cas9 para romper los esqueletos del ADN en secuencias objetivo específicas. ^{[ 27 ]} Este sistema ha demostrado una mayor especificidad que TALEN o ZFN debido a que la proteína Cas9 contiene secuencias homólogas (complementarias) a las secciones de ADN que rodean el sitio que se va a cortar. ^{[ 27 ]}  Esta cadena rota se puede reparar de dos maneras principales: reparación dirigida homóloga (HDR) si hay una cadena de ADN presente para ser utilizada como plantilla (ya sea homóloga o donante), y si no la hay, entonces la secuencia sufrirá una unión de extremos no homólogos (NHEJ). ^{[ 27 ]} NHEJ a menudo resulta en inserciones o deleciones dentro del gen de interés, debido al procesamiento de los extremos romos de la cadena, y es una forma de estudiar la inactivación de genes en un entorno de laboratorio. ^{[ 29 ]} Este método puede utilizarse para reparar una mutación puntual utilizando el cromosoma hermano como plantilla, o proporcionando una plantilla de ADN de doble cadena con la maquinaria CRISPR /Cas9 para ser utilizada como plantilla de reparación. ^{[ 27 ]}

Este método se ha utilizado tanto en modelos humanos como animales ( Drosophila , Mus musculus y Arabidopsis ), y la investigación actual se centra en hacer que este sistema sea más específico para minimizar los sitios de corte fuera del objetivo. ^{[ 30 ]}

El sistema de edición genómica TALEN (nucleasas efectoras tipo activador de la transcripción) se utiliza para inducir una ruptura de ADN de doble cadena en un locus específico del genoma, que luego puede usarse para mutar o reparar la secuencia de ADN. ^{[ 31 ]} Funciona mediante el uso de una secuencia repetida específica de un aminoácido de 33-34 aminoácidos de longitud. ^{[ 31 ]} La especificidad del sitio de unión al ADN está determinada por los aminoácidos específicos en las posiciones 12 y 13 (también llamados residuo variable de repetición (RVD)) de esta repetición en tándem, y algunos RVD muestran una mayor especificidad para ciertos aminoácidos que otros. ^{[ 32 ]} Una vez iniciada la ruptura del ADN, los extremos pueden unirse mediante NHEJ, que induce mutaciones, o mediante HDR, que puede corregir mutaciones. ^{[ 27 ]}

De forma similar a las TALEN, las nucleasas de dedos de zinc (ZFN) se utilizan para crear una ruptura de doble cadena en el ADN en un locus específico del genoma. ^{[ 31 ]} El complejo de edición ZFN consta de una proteína de dedo de zinc (ZFP) y un dominio de corte de enzima de restricción. ^{[ 33 ]} El dominio ZFP puede modificarse para cambiar la secuencia de ADN que corta la enzima de restricción , y este corte inicia procesos de reparación celular, similares a los de la edición de ADN CRISPR/Cas9. ^{[ 33 ]}

En comparación con CRISPR/Cas9, las aplicaciones terapéuticas de esta tecnología son limitadas, debido a la extensa ingeniería necesaria para que cada ZFN sea específica para la secuencia deseada. ^{[ 33 ]}