Uma visão geral da genética e da doença

Muitas doenças humanas têm um componente genético, o que significa que são causadas por variações ou mutações no DNA de um indivíduo. Doenças genéticas hereditárias são aquelas que podem ser transmitidas de geração em geração, mas nem todas as doenças genéticas são hereditárias, incluindo muitos tipos de câncer. Ao descobrir e caracterizar genes associados a doenças, cientistas e médicos esperam melhorar diagnósticos e terapias para os pacientes.

Este vídeo apresentará um breve histórico de doenças genéticas, introduzirá as principais perguntas feitas pelos geneticistas, descreverá algumas ferramentas para responder a essas perguntas e discutirá algumas aplicações atuais.

Vamos começar revendo alguns estudos marcantes na história da pesquisa de doenças genéticas.

Em 1803, John Conrad Otto publicou um artigo descrevendo um distúrbio de coagulação sanguínea que afetava principalmente os homens. Enquanto Otto reconheceu que essa doença correu em certas famílias, foi John Hay quem definiu seu padrão de herança em 1813, mostrando que os homens afetados poderiam passar a doença para seus netos através de filhas não afetadas. Hoje, essa doença é conhecida como hemofilia, e agora sabemos que é causada por mutações recessivas em um gene para fatores específicos de coagulação sanguínea localizados no cromossomo X. Porque as fêmeas normalmente têm dois cromossomos X, mas os machos só têm um, as fêmeas que herdam uma cópia mutante do gene são saudáveis, mas os machos com a mutação manifestarão a doença.

Em 1896, Archibald Garrod descobriu uma doença rara herdada chamada alkaptonúria, onde a urina dos pacientes ficou preta quando exposta ao ar. Ele postulou que esses indivíduos não tinham uma enzima envolvida na quebra química da proteína, e sugeriu que "erros inatos semelhantes do metabolismo" poderiam ser a causa de muitas doenças hereditárias.

Com base no trabalho de Garrod, em 1941, George Beadle e Edward Tatum realizaram experimentos com moldes de pão para ver como as enzimas agem em vias metabólicas. Sua proposta de que um gene especifica a produção de uma enzima, para controlar um passo de uma via metabólica, ficou conhecida como "um gene, uma hipótese enzimápica".

Em 1966, Victor McKusick, o "pai da genética médica" que foi pioneiro no estudo de doenças genéticas raras em populações isoladas, compilou e publicou a Herança Mendeliana no Homem, o catálogo definitivo de doenças hereditárias que continua a ser atualizado hoje.

Enquanto muitos cientistas investigavam doenças hereditárias, outros procuravam a base genética de doenças que apareciam esporadicamente, como o câncer. Em 1976, John Michael Bishop e Harold Varmus demonstraram que "oncogenes" são genes que foram mutados de tal forma que suas proteínas codificadas adquirem funcionalidades novas ou aprimoradas. Essas mutações de "ganho de função" muitas vezes resultam em proliferação celular descontrolada, uma marca crítica do câncer.

Na mesma década, Alfred Knudson descobriu que outros genes, chamados supressores tumorais, só contribuem para o câncer quando mutações em ambas as cópias do gene levaram à "perda de função" da proteína codificada. A ideia de Knudson ficou conhecida como a "hipótese de dois sucessos".

Em 1983, avanços significativos para localizar genes causadores de doenças foram feitos quando James Gusella usou segmentos de DNA regularmente espaçados e altamente variáveis chamados polimorfismos de comprimento de fragmento de restrição para mapear o gene da doença de Huntington para o cromossomo quatro.

Para facilitar ainda mais esse processo de mapeamento genético, em 1990 um consórcio internacional de cientistas lançou o Projeto Genoma Humano para sequenciar todo o conjunto de DNA em humanos. Este projeto foi substancialmente concluído em 2004.

Um ano depois, a liberação de dados começou a partir do Projeto HapMap Internacional, cujo objetivo é criar um mapa em todo o genoma de variantes sequenciais entre diferentes populações humanas. Esses dados agora permitem que os pesquisadores testem associações entre variantes genéticas e doenças comuns. Com o desenvolvimento de tecnologias de sequenciamento de alto rendimento, acompanhadas de custos cada vez menores, o uso de sequenciamento para identificar mutações causadoras de doenças em pacientes está se tornando cada vez mais realidade.

Depois de revisar alguns destaques históricos, vamos examinar algumas questões fundamentais na genética médica.

Primeiro, muitos geneticistas querem saber se doenças particulares são controladas por fatores genéticos. Para começar, eles podem procurar evidências de que a doença pode ser herdada usando abordagens clássicas, como estudar famílias ou irmãos. Esses estudos também são poderosos para determinar se a doença é monogênica ou mendeliana, o que significa que é causada por mutações em um único gene; ou é multifatorial ou complexo, o que significa que é causado por múltiplos fatores genéticos e ambientais.

A genética de doenças complexas, como Parkinson ou doenças cardíacas, é particularmente difícil de separar, e muitos pesquisadores estão tentando usar estudos em larga escala entre populações para identificar variantes genéticas associadas a essas doenças. Dois modelos concorrentes moldam como os cientistas abordam a questão. A hipótese da "doença comum/variante comum" sugere o envolvimento de muitas variantes genéticas comuns na população, cada uma tendo apenas um impacto modesto, enquanto a hipótese da "variante rara múltipla" defende a importância de variantes relativamente raras com grandes efeitos.

Por fim, os geneticistas também investigam como diferentes técnicas genéticas podem ser usadas no diagnóstico clínico. Eles podem examinar maneiras de minimizar a quantidade de DNA do paciente necessária para testes, ou otimizar a purificação de DNA de amostras de fácil acesso, como saliva ou sangue, para avaliar fatores de risco da doença.

Agora que você conhece algumas das principais perguntas feitas pelos geneticistas, vamos olhar para as técnicas que eles usam para encontrar respostas.

A genotipagem de polimorfismos de nucleotídeos únicos, ou SNPs, é uma das abordagens mais utilizadas para identificar variações de sequência de DNA em uma população. Diferenças de nucleotídeos únicos podem ser detectadas hibridizando fragmentos de DNA para oligonucleotídeos complementares, ou usando enzimas de restrição altamente específicas de sequência para gerar fragmentos de tamanhos diferentes.

O genotipagem baseado em sequenciamento é outra abordagem comum para encontrar mutações causais. O método clássico de Sanger é baseado na incorporação de nucleotídeos rotulados e terminando em cadeia por polimerase de DNA durante a replicação in vitro, e é usado rotineiramente quando um gene candidato é conhecido.

Para análises em maior escala, o sequenciamento de última geração de alta produtividade pode ser usado para gerar um número maciço de sequências curtas que podem então ser comparadas a um genoma de controle não afetado para identificar mutações associadas à doença.

Para doenças complexas, estudos de associação genoma, ou GWAS, são usados para identificar SNPs com diferentes frequências em populações afetadas e controlar populações de indivíduos não relacionados. Maior frequência de um SNP nas populações afetadas sugere associação entre a variante e a doença.

Finalmente, várias técnicas de citogenética podem detectar variações estruturais dentro do genoma que podem resultar em doenças. Cromossomos inteiros podem ser manchados para formar um karyótipo para identificar alterações na estrutura ou número. Alternativamente, a fluorescência na hibridização situ usa sondas oligonucleotidas rotuladas para visualizar sequências específicas de DNA.

Agora que você está familiarizado com alguns métodos usados na descoberta de genes, vamos olhar para suas aplicações em pesquisa de doenças.

Uma abordagem para identificar mutações causadoras de doenças é combinar o estudo de pedigrees familiares com sequenciamento. Neste estudo, variantes genéticas foram detectadas em pacientes com esquizofrenia por sequenciamento de genes candidatos. Essas mutações foram classificadas como espontâneas, ou de novo,uma vez que não foram herdadas.

Outra aplicação envolve a ligação de variantes genéticas raras a doenças complexas por meio de estudos de associação. Aqui, os pesquisadores reuniram genomas de aproximadamente 1000 indivíduos e usaram sequenciamento de última geração para detectar mutações em 32 genes relacionados ao câncer. A técnica de sequenciamento agrupada identificou variantes conhecidas e raras, incluindo as que foram encontradas com técnicas comparáveis como a GWAS.

Finalmente, a tecnologia de sequenciamento agora é usada para informar muitos diagnósticos clínicos. Neste experimento, os pesquisadores extrairam e fragmentaram DNA de tumores. Todos os exons de codificação de proteínas foram então isolados ligando-os a oligonucleotídeos complementares quimicamente marcados, e usando proteínas com alta afinidade para as etiquetas capturarem e coletarem esses complexos de DNA. O DNA capturado foi então sequenciado e comparado com amostras de controle saudáveis, a fim de identificar mutações causadoras de câncer.

Você acabou de assistir a introdução do JoVE a genes e doenças. Neste vídeo, revisamos a história da genética médica, as principais perguntas feitas pelos geneticistas, estratégias de pesquisa proeminentes e algumas de suas aplicações atuais. Obrigado por assistir!