Variación somática humana

Las variaciones somáticas humanas son mutaciones somáticas ( mutaciones que ocurren en las células somáticas ) tanto en etapas tempranas del desarrollo como en células adultas. Estas variaciones pueden dar lugar a fenotipos patógenos o no, aunque su función en condiciones sanas aún no está completamente clara. ^[1]

El término mosaico (del latín medieval musaicum , que significa "obra de las musas") ^[2] se ha utilizado desde la antigüedad para referirse a un mosaico artístico de piedras ornamentales, vidrio, gemas u otros materiales preciosos. A la distancia, la imagen colectiva aparece como si estuviera en una pintura; solo con una inspección minuciosa se pueden reconocer los componentes individuales. ^[2] En los sistemas biológicos, el mosaicismo implica la presencia de más de una línea celular genéticamente distinta en un solo organismo . La aparición de este fenómeno no solo puede dar lugar a cambios fenotípicos importantes, sino que también revela la expresión de mutaciones genéticas que de otro modo serían letales . ^[3]

Las mutaciones genéticas implicadas en el mosaicismo pueden deberse a factores endógenos, como transposones y cambios de ploidía, o a factores exógenos, como la radiación UV y la nicotina. ^[4]

El mosaicismo somático surge como resultado de mutaciones somáticas : alteraciones genómicas (o incluso mitocondriales ) de diferentes tamaños que van desde un solo nucleótido hasta ganancias o pérdidas cromosómicas dentro de las células somáticas. Estas alteraciones dentro de las células somáticas comienzan en una etapa temprana (preimplantación o concepción) y continúan durante el envejecimiento, dando lugar a heterogeneidad fenotípica dentro de las células, que puede conducir al desarrollo de enfermedades como el cáncer. ^[4] Las nuevas técnicas basadas en matrices para detectar variantes del número de copias en todo el genoma y la pérdida de heterocigosidad en células individuales mostraron que las aneuploidías cromosómicas , disomías uniparentales, deleciones segmentarias , duplicaciones y amplificaciones ocurren con frecuencia durante la embriogénesis . ^[5] Sin embargo, no todas las mutaciones somáticas se propagan al individuo adulto, debido al fenómeno de la competencia celular. ^[6]

Las alteraciones genéticas que implican ganancias o pérdidas de cromosomas enteros ocurren predominantemente durante la etapa de anafase de la división celular. Pero son poco comunes en las células somáticas porque suelen ser objeto de selección debido a sus consecuencias nocivas. ^[7] Las variaciones somáticas durante el desarrollo embrionario pueden estar representadas por gemelos monocigóticos, ya que tienen diferentes perfiles de número de copias y marcas epigenéticas que siguen aumentando con la edad. ^[8]

Las primeras investigaciones sobre las mutaciones somáticas en el envejecimiento mostraron que las deleciones, inversiones y translocaciones de material genético son comunes en los ratones que envejecen y que los genomas envejecidos tienden a contener cambios cromosómicos visibles, recombinación mitótica , deleciones de genes completos, deleciones intragénicas y mutaciones puntuales . Otros factores incluyen la pérdida de metilación , el aumento de la heterogeneidad de la expresión génica correlacionada con anomalías genómicas ^{[4] y el acortamiento de los telómeros [9]} . No se sabe con certeza si la reparación del ADN basada en la transcripción participa en el mantenimiento de las mutaciones somáticas en los tejidos envejecidos ^{[4] .}

En algunas células, las alteraciones adquiridas somáticamente pueden revertirse a alelos de tipo salvaje mediante mosaicismo de reversión . Esto puede deberse a mecanismos endógenos como la recombinación homóloga , la sustitución de codones , las mutaciones supresoras del segundo sitio, el deslizamiento del ADN y los elementos móviles . ^[10]

El advenimiento de las tecnologías de secuenciación de próxima generación ha aumentado la resolución de la detección de mutaciones y ha llevado a la revelación de que las personas mayores no solo acumulan alteraciones cromosómicas sino también abundantes mutaciones en los genes impulsores del cáncer. ^[11]

La acumulación de alteraciones cromosómicas asociada a la edad se ha documentado con una variedad de enfoques citogenéticos, desde la pintura cromosómica hasta matrices de polimorfismos de un solo nucleótido ( SNP ). ^[12]

Numerosos estudios han demostrado que las poblaciones clonales pueden provocar la pérdida de la salud del organismo a través del deterioro funcional de los tejidos y/o la promoción de procesos patológicos, como el cáncer. Esta es la razón por la que la expansión clonal aberrante (ECA) resultante de mutaciones asociadas al cáncer es común en el tejido no canceroso y se acumula con la edad. Esto es universal en la mayoría de los organismos y afecta a múltiples tejidos. ^[11]

En el compartimento hematopoyético, las mutaciones incluyen grandes alteraciones cromosómicas estructurales y mutaciones puntuales que afectan a los genes asociados al cáncer. Algunas translocaciones parecen ocurrir muy temprano en la vida. La frecuencia de estos eventos es baja en personas menores de 50 años (<0,5%), pero esta frecuencia aumenta rápidamente al 2% al 3% de las personas de entre 70 y 80 años. Este fenómeno se denominó hematopoyesis clonal . Una serie de factores ambientales, como el tabaquismo, las infecciones virales y la exposición a pesticidas, pueden contribuir no solo a través de la inducción de mutaciones sino también mediante la modulación de la expansión clonal. ^[13]

Por otra parte, la detección de variantes somáticas en tejidos sólidos normales ha resultado históricamente difícil. Las principales razones son el índice de replicación generalmente más lento, la arquitectura tisular clonalmente restrictiva, la dificultad de acceso al tejido y la baja frecuencia de aparición de mutaciones. Recientemente, el análisis de mutaciones somáticas en tejidos benignos adyacentes a tumores reveló que el 80% de las muestras alberga mutaciones clonales, con una mayor frecuencia asociada con la edad avanzada, el tabaquismo y las mutaciones concurrentes en los genes de reparación del ADN. Con la llegada de la NGS, se ha vuelto cada vez más claro que las mutaciones somáticas se acumulan con el envejecimiento en el tejido normal, incluso en individuos que no padecen cáncer . ^[11]

Esto sugirió que las expansiones clonales impulsadas por genes del cáncer son una característica casi universal del envejecimiento. Las tecnologías de NGS revelaron que las expansiones clonales de mutaciones asociadas al cáncer son una condición muy común en los tejidos somáticos. ^[11]

A través de varios estudios recientes se ha puesto de relieve la prevalencia de variaciones somáticas, tanto en sistemas nerviosos patológicos como sanos. ^{[14] [15]}

Las aneuploidías somáticas como las SNV ( variaciones de un solo nucleótido ) y las CNV ( variaciones del número de copias ) se han observado particularmente y se han vinculado a disfunciones cerebrales cuando surgen en el desarrollo cerebral prenatal; de todos modos, esas aneuploidías somáticas se han observado en tasas de 1,3-40%, aumentando potencialmente con la edad y por esta razón se han propuesto como un mecanismo para generar diversidad genética normal entre las neuronas . ^[16]

La confirmación de esta hipótesis se ha obtenido mediante estudios de secuenciación unicelular , que permiten una evaluación directa de genomas neuronales individuales, de modo que es posible una caracterización sistemática de aneuploidías somáticas y CNV subcromosómicas de estas células. Utilizando cerebros post mortem de humanos sanos y enfermos, ha sido posible estudiar cómo cambian las CNV entre estos dos grupos. Resultó que las aneuploidías somáticas en cerebros sanos son bastante raras, pero las CNV somáticas en cambio no lo son. ^[17]

Estos estudios también demostraron que las CNV clonales existen tanto en cerebros patológicos como sanos. Esto significa que algunas CNV pueden surgir en el desarrollo temprano sin causar enfermedades, aunque, en comparación con las CNV que surgen en otros tipos de células como los linfoblastos , las del cerebro son más a menudo privadas. Esta evidencia podría estar dada por el hecho de que, mientras que los linfoblastos pueden generar CNV clonales durante un largo período a medida que continúan proliferando, las neuronas adultas ya no se replican, por lo que las CNV clonales que portan deben haberse generado en una etapa temprana del desarrollo. ^[17]

Los datos pusieron de relieve una tendencia en las neuronas a la pérdida, en lugar de a la ganancia de copias, en comparación con los linfoblastos. Estas diferencias podrían sugerir que los mecanismos moleculares de las CNV que surgen en esos dos tipos de células son completamente diferentes. ^[17]

El retrotransposón LINE-1 (elemento intercalado largo 1, L1) es un elemento transponible que ha colonizado la línea germinal de los mamíferos. La retrotransposición de L1 puede ocurrir también en células somáticas causando mosaicismo (SLAVs – variaciones asociadas a L1) y en cáncer. La retrotransposición es un proceso de copiar y pegar en el que el molde de ARN se retrotranscribe en ADN y se integra aleatoriamente en el genoma. En humanos hay alrededor de 500.000 copias de L1 y ocupan el 17% del genoma. Su ARNm codifica para dos proteínas; una de ellas en particular tiene una actividad de transcriptasa inversa y endonucleasa que permite la retrotransposición en cis. De todos modos, la mayoría de estas copias se vuelven inmóviles por mutaciones o truncamiento 5', dejando solo alrededor de 80-100 L1 móviles por genoma humano y solo alrededor de 10 se consideran L1 calientes, por lo que son capaces de movilizarse de manera eficiente. ^[18]

La transposición L1 utiliza un mecanismo llamado TPRT (transcripción inversa cebada por objetivo), que es capaz de insertar un motivo de endonucleasa L1, duplicaciones del sitio objetivo (TSD) y una cola de poli-A con una preferencia cis. ^[19]

Se ha observado en el pasado que hay movilización de L1 en progenitores neuronales durante la neurogénesis fetal y adulta , lo que sugiere que el cerebro puede ser un foco de mosaicismo L1. Además, algunos estudios sugirieron que también las neuronas que no se dividen pueden apoyar la movilización de L1. Esto ha sido confirmado por estudios genómicos de células individuales . ^[18]

Los experimentos de secuenciación de pares de extremos de células individuales descubrieron que los SLAV están presentes tanto en las neuronas como en la glía del hipocampo y la corteza frontal . Cualquier célula neuronal tiene una probabilidad similar de contener un SLAV, lo que sugiere que las variaciones somáticas son un fenómeno aleatorio, no centrado en un grupo específico de células. Se estima que la presencia de SLAV en el cerebro es de 0,58 a 1 SLAV por célula y afecta al 44-63% de las células cerebrales. ^{[ cita requerida ]}

Dado que los experimentos demostraron que la mitad de los SLAV analizados carecen de duplicación del sitio diana (TSD), podría aparecer otro tipo de variante asociada a L1. De hecho, esas secuencias no tienen actividad endonucleasa, pero aún tienen motivos endonucleasa, por lo que pueden retrotransponerse en trans . ^{[ cita requerida ]}

Una aplicación del estudio del mosaicismo somático en el cerebro podría ser el rastreo de células cerebrales específicas. De hecho, si las inserciones somáticas L1 ocurren en una célula progenitora , la variante única podría usarse para rastrear el desarrollo, la localización y la propagación de la célula progenitora a través del cerebro. Por el contrario, si la inserción somática L1 ocurre tarde en el desarrollo, estará presente solo en una sola célula o en un pequeño grupo de células. Por lo tanto, rastrear las variaciones somáticas podría ser útil para comprender en qué punto del desarrollo se han producido. Son necesarios más experimentos para comprender el papel del mosaicismo somático en la función cerebral, ya que pequeños grupos de células o incluso células individuales pueden afectar la actividad de la red . ^[20]

El sistema inmunitario utiliza intensamente las mutaciones somáticas humanas (HSM) para producir anticuerpos. Las HSM, en particular la recombinación, son precisamente la razón por la que los anticuerpos pueden identificar un epítopo con tanta especificidad y sensibilidad. ^[21]

Los anticuerpos son codificados por las células B. Cada anticuerpo está compuesto de dos cadenas pesadas (IgH, codificada por el gen IGH) y dos cadenas ligeras (IgL, codificada por el gen IGL o IGK). Cada cadena está compuesta por una región constante (C) y una región variable (V). La región constante (C) en la cadena pesada es importante en la señalización del BCR y determina el tipo de inmunoglobulina (IgA, IgD, IgE, IgG o IgM). La región variable (V) es responsable del reconocimiento del epítopo diana y es el producto de los procesos de recombinación en los loci relacionados. ^[22]

Después de la exposición a un antígeno , las células B comienzan a desarrollarse. El genoma de las células B sufre un proceso repetido de recombinación en los genes Ig hasta que se perfecciona el reconocimiento del epítopo. La recombinación involucra primero al locus IGH y luego a los locus IGL e IGK. Todos los genes IGL, IGK e IGH son el producto del proceso de recombinación V(D)J. Esta recombinación involucra los segmentos variable (V), de diversidad (D) y de unión (J). Los tres segmentos (V, D, J) están involucrados en la formación de la cadena pesada, mientras que solo los productos de recombinación V y J codifican para la cadena ligera. ^[23]

La recombinación entre estas regiones permite la formación de 10 ¹² –10 ¹⁸ secuencias diferentes potenciales. Sin embargo, esta cifra es una sobreestimación, ya que muchos factores contribuyen a limitar la diversidad del repertorio de células B, en primer lugar el número real de células B en el organismo. ^[23]

Se ha observado mosaicismo somático en el corazón. La secuenciación sugirió que la variación en mosaico de la proteína de unión en hendidura conexina en tres pacientes de 15 podría contribuir a la fibrilación auricular ^[24] aunque informes posteriores en un mayor número de pacientes no encontraron ejemplos entre un gran panel de genes. ^[25] En Stanford , un equipo dirigido por Euan Ashley demostró mosaicismo somático en el corazón de un recién nacido que presentaba una arritmia potencialmente mortal. Se utilizaron la secuenciación del genoma basado en la familia , así como la secuenciación del ARN tisular y técnicas de genómica de células individuales para verificar el hallazgo. Un modelo que combina ecuaciones diferenciales parciales y ordinarias con entradas de experimentos de electrofisiología de canal único heterólogo de la variante genética recapituló ciertos aspectos de la presentación clínica. ^[26]

• Anticuerpo
• Cáncer
• Secuenciación de ADN
• Mosaico (genética)
• Mutación
• Retrotransposón