Genetica moleculară și evoluția medicinei personalizate

Știința biomedicală și practica clinică au evoluat mult datorită cercetării genetice. Integrarea geneticii în practica clinică va aduce beneficiul unei colaborări multidisciplinare și va permite evoluția medicinei personalizate. Mai mult, cunoașterea acestei discipline are aplicații în diverse alte domenii și industrii, cum ar fi agricultura, industria produselor lactate sau agronomia. Termenii „inginerie genetică” și „ADN recombinant” se referă la tehnici în care ADN-ul poate fi tăiat, reunit, recompus din secvențe sau modificat pentru a se potrivi unei noi utilizări. De exemplu, un fragment de ADN poate fi izolat dintr-un organism, îmbinat în altul și introdus într-o bacterie sau în alt organism. Genetica medicală folosește analiza ADN-ului unei persoane pentru a identifica o boală genetică sau predispoziția unui individ pentru o anumită afecțiune genetică, strategii terapeutice noi, care vizează activitatea asupra mutației genetice sau răspunsul la tratament în funcție de genotip.

Principiile de bază în genetica moleculară

Toate organismele vii sunt definite de materialul genetic (sau genom), numit acid dezoxiribonucleic (ADN). Genomul include atât genele (elemente codificatoare), cât și secvențele necodificatoare. Legăturile puternice covalente care există în genom sunt, în principal, responsabile pentru stabilitatea ADN-ului [1].

Informațiile din ADN sunt stocate ca un cod format din patru baze chimice: adenină (A), guanină (G), citozină (C) și timină (T). ADN-ul uman este format din aproximativ 3 miliarde de baze, mai mult de 99% din aceste baze fiind aceleași la toți oamenii. Ordinea sau secvența acestor baze determină informațiile disponibile pentru crearea și întreținerea unui organism, similar cu modul în care literele alfabetului apar într-o anumită ordine pentru a forma cuvinte și propoziții.

Structura ADN-ului este o dublă catenă de helix. Cele două catene pe care se succed nucleotidele sunt antiparalele, fiind împreunate prin interacțiuni slabe de hidrogen.

O afecțiune genetică este o boală cauzată de modificarea parțială sau totală a unei secvențe de ADN. Bolile genetice pot fi cauzate de mutația unei gene, de mutații în gene multiple sau de o combinație de mutații genetice și de factori de mediu sau de deteriorarea cromozomilor (modificări ale numărului sau structurii cromozomilor).

Organismul uman are 46 de cromozomi (două seturi a câte 23 de cromozomi), din care 44 sunt numiți autozomi și doi sunt numiți heterozomi (sau cromozomi sexuali). Cei doi cromozomi sexuali sunt identificați cu „XX” la femeie și „XY” la bărbat. Fiecare copil moștenește un set de 23 de cromozomi de la mamă și unul de 23 de cromozomi de la tată.

Cea mai frecventă boală genetică prin aneuploidie autozomală (creșterea sau scăderea numărului de cromozomi) este sindromul Down. Acesta (numit, de asemenea, trisomia 21) este cauzat de prezența unui cromozom 21, suplimentar. În multe țări, incidența sindromului Down a crescut în ultimii ani, în special din cauza nașterii după vârsta de 35 de ani. Prin monitorizare și un tratament adecvat, majoritatea celor afectați pot duce o viață normală [2]. În România, se estimează că trăiesc în prezent 75.000 de persoane cu sindromul Down, însă nu există o statistică oficială a numărului de cazuri.

Cele mai frecvente boli cauzate de mutațiile unei singure gene:

• fibroza chistică;
• talasemiile alfa și beta;
• anemia prin celule în seceră;
• sindromul Marfan;
• sindromul Martin-Bell;
• boala Huntington;
• hemocromatoza.

Exemple de boli genetice multifactoriale:

• boala coronariană;
• hipertensiunea arterială;
• boala Alzheimer;
• artrita;
• diabetul zaharat;
• cancerul;
• obezitatea.

Exemple de anomalii cromozomiale:

• sindromul Turner;
• sindromul Klinefelter;
• sindromul Cri du chat – sindromul țipătului de pisică, denumit și sindromul 5p- sau sindromul Lejeune.

Ambalarea ADN-ului în cromozomi

Lungimea ADN-ului uman este estimată la aproximativ 2 m. ADN-ul trebuie să fie pliat etanș, pentru a se încadra în nucleul de 10 micrometri al celulelor umane. Dubla helix ADN este astfel supusă la cel puțin două niveluri de înfășurare: primul implică înfășurarea în jurul unui miez central de opt proteine ​​histonice, rezultând nucleozomi care sunt legați de ADN-ul distanțier; iar al doilea implică înfășurarea în jurul unui nucleu central de opt proteine ​​histonice, rezultând unități numite nucleozomi, care sunt conectați de ADN [1].

Replicarea ADN-ului

Celulele fiecărui organism au o cantitate specifică de ADN, care este stocată ca informație genetică într-o formă codificată. Este necesar, printre altele, să pre-duplicăm cantități de material genetic pentru a crea diviziuni celulare. Procesul prin care o singură moleculă de ADN se transformă în două molecule identice poartă numele de replicare ADN. După replicare, transcrierea informației se realizează de la celulele-mamă către celulele noi [3].

Părțile de replică sunt sintetizate prin adăugarea succesivă a nucleotidelor, în așa fel încât fiecare bază din replică să fie complementară cu baza. Deși mecanismul pare simplu, este un proces complex, care ridică multe probleme geometrice și necesită o varietate de enzime și alte proteine.

Compoziția și funcțiile genei

Polipeptidele sunt codificate de gene, care sunt lungimi de ADN. Genele poartă informația genetică și conțin instrucțiuni care comandă producerea proteinelor. Aceste proteine au funcții variate în organism, contribuind la buna funcționare a organismului. Genele, în special, au regiuni de reglare și codificare ce controlează transcrierea sau codul pentru produsul polipeptidic. Promotorul este un domeniu de reglementare critic, în care echipamentul de transcripție se leagă pentru a începe transcrierea. Amplificatorii, care controlează expresia genelor, sunt o posibilă zonă de reglementare.

Funcțional, genele sunt clasificate în gene structurale, care ajută la determinarea secvențelor de aminoacizi în catena polipeptidică, gene reglatoare, gene arhitecturale și gene temporare. Se estimează că genomul uman conține aproximativ 20.000 de gene diferite. Interesant, se estimează că 80% din genomul uman este exprimat, dar numai 2% codifică proteinele [1].

Funcțiile genelor sunt: funcția autocatalitică (capacitatea de autoreplicare) și funcția heterocatalitică (capacitatea de determinare a sintezelor specifice ale proteinelor).

Transcripția informației genetice

Există secvențe de ADN care sunt transformate mai întâi în ARN (acid ribonucleic), fenomen numit transcripție. În cazul transcripției, ADN-ul se deschide și informația unei catene este folosită ca un șablon pentru sinteza unei catene complementare de ARN.

Translația informației genetice

Sinteza unei polipeptide, sub direcția unei molecule de ARN, este cunoscută sub numele de translație. Deși secvența bazelor din ARN codifică secvențele de aminoacizi dintr-o polipeptidă, moleculele care efectiv „traduc” informația genetică din nucleu către citoplasmă, unde se asamblează proteinele, sunt moleculele de ARN mesager. În timp ce ADN-ul este prezent în fiecare celulă, moleculele de ARN mesager sunt produse la nevoie, în funcție de dinamica mediului celular.

Variațiile genetice

Variația genetică se referă la diferența genetică între indivizi sau între diferite populații. Această variație face ca fiecare individ să fie unic prin caracteristicile sale fenotipice. Variația genetică apare la niveluri diferite, variind de la modificări brute ale cariotipului uman, la modificări ale nucleotidelor unice. Aceste variații pot fi împărțite în polimorfisme și mutații.

Polimorfismele sunt definite ca variante găsite în > 1% din populația generală. Datorită frecvenței lor ridicate, se consideră că este puțin probabil ca acestea să fie cauzatoare de boli genetice. Totuși, împreună cu alți factori genetici și de mediu, pot afecta predispoziția bolii, progresia acesteia sau răspunsul la tratament.

Din punct de vedere istoric, un motiv pentru studiul geneticii a fost descoperirea bazei chimice a mutațiilor.

Mutațiile, față de polimorfisme, sunt mai rare (cu frecvență < 1% în populația generală, deși există multe excepții de la această regulă). Mutațiile sunt modificări în secvența ADN, care pot modifica proteina rezultată, pot afecta sau inhiba expresia genei, cât și nivelurile sau structura proteinelor. Deși o serie de definiții au fost luate în considerare de-a lungul anilor, pentru majoritatea oamenilor de știință, mutația genetică a devenit sinonimă cu boala. Ele pot apărea în timpul replicării ADN-ului sau ca urmare a deteriorării ADN-ului prin factori de mediu, inclusiv radiații UV, fum de țigară sau poluanți chimici [4].

În prezent, se cunosc peste 6.000 de boli genetice, marea majoritate cu evoluție și prognostic nefavorabil. Dintre acestea, aproximativ 600 se pot trata [5].

Codul genetic

Codul genetic este un set de instrucțiuni care direcționează translația ADN-ului în 20 de aminoacizi. Codul genetic este format din codoni, care sunt lanțuri de trei litere de nucleotide. Fiecare codon codifică un aminoacid.

În codul genetic, fiecare trei nucleotide (numite tripleți) codifică un singur aminoacid. Un singur aminoacid poate fi codificat de mai multe combinații de trei nucleotide, iar proteinele sunt alcătuite uneori din sute de aminoacizi. Deci, codul care ar face o proteină, ar putea avea sute, uneori chiar mii, de triplete în conținut.

În 1961, Francis Crick și colegii lui au introdus ideea codonului, numind astfel combinația de trei nucleotide. Cu toate acestea, Marshall Nirenberg și colegii săi au fost cei care au descifrat codul genetic. Au arătat că patru baze nucleotidice – A (adenină), U (uracil), G (guanină) și C (citozină) – formează codoni care codifică toți cei 20 de aminoacizi în timpul sintezei proteinelor [6].

Codul genetic standard, existent, include o serie de diferențe organice, în special în organismele eucariote, precum și în procariotele parazitare și simbiotice cu genomi mici. Cu toate acestea, codul standard este, în esență, universal. Mai mulți oameni de știință au sugerat de ce codul genetic ar trebui să fie păstrat. Printre altele, se sugerează că o reatribuire a codonilor dă naștere la efecte dăunătoare asupra translației.

Se presupune că un cod genetic este suficient de bun și greu de schimbat. Un alt argument sugerează că variația codonilor între organisme ar inhiba apariția transferului lateral (orizontal) al materialelor genetice între organisme. Acest lucru ar fi dăunător, deoarece adaptarea la schimbările de mediu depinde adesea de mecanisme de schimb genetic. Transferul lateral este cel mai frecvent la microbii care trebuie să se adapteze rapid pentru a supraviețui. Condițiile care au existat devreme în cursul evoluției codului genetic și ale vieții timpurii au fost, desigur, foarte diferite de cele pe care le experimentăm astăzi. Cu toate acestea, indiferent de condiții, transferul orizontal de gene a fost probabil mai important decât este acum [7].

Avantajele codului genetic redundant

Așa cum mulți oameni de știință afirmă, codul genetic este redundant, cu până la șase codoni sinonimi care specifică un singur aminoacid. Codonii sinonimi au funcții diverse, inclusiv reglarea plierii proteinei cotranslaționale, facilitarea modificărilor covalente ale proteinelor în timpul sau după sinteză și secreția co- sau posttranslațională. De asemenea, s-a susținut despre codul redundant că scade consecințele dăunătoare ale mutațiilor. Acesta este, în prezent, un domeniu activ de cercetare și se fac continuu noi progrese [6].

Schimbarea codonilor sinonimi poate provoca boli la om și la alte organisme, o observație care nu este surprinzătoare atunci când se consideră că este programată o pauză translațională, permițând, de exemplu, plierea coordonată a proteinelor născute. Selecția codonilor sinonimi poate juca, de asemenea, un rol în modificările epigenetice.

Codonii și aminoacizii

Codonii din codul genetic sunt formați din trei baze aranjate într-o ordine perfectă, fiecare combinație fiind corespondența unui aminoacid. Luând în considerare că în ARN există patru baze, rezultă faptul că există 64 de combinații posibile de triplete de nucleotide în codul genetic. Un codon poate codifica un aminoacid și mai mulți codoni pot codifica același aminoacid.

Această codificare pentru un aminoacid cu mai mult de un codon este denumită redundanță a codului genetic.

Răspunsul simplu la întrebarea „Ce fac genele?” este că acestea „codifică” sau „determină” secvențele liniare din moleculele de ARN și polipeptidele sintetizate în celulă. Moleculele de ARN sunt adesea îmbinate și editate în moduri care afectează secvența liniară a aminoacizilor din eventualul produs polipeptidic. Însă, elaborând puțin, genele sunt entități „fundamentale” care „direcționează” dezvoltarea și funcționarea organismelor prin „producerea” proteinelor, care la rândul lor, reglează toate procesele celulare importante. Se susține adesea că genele furnizează „informațiile”, „planul” sau „programul” pentru un organism [3].

Ingineria genetică și ADN-ul recombinant

Termenii „inginerie genetică” și „ADN recombinant” se referă la tehnici prin care ADN-ul poate fi izolat sau manipulat pentru a fi folosit într-o nouă terapie. De exemplu, un fragment de ADN poate fi izolat dintr-un organism, combinat în altul și introdus într-o bacterie sau un al treilea  organism. Acest proces se numește clonare, deoarece se pot face multe copii identice ale fragmentului de ADN original. Într-un alt exemplu de inginerie genetică, o porțiune de ADN, adesea o genă întreagă, poate fi izolată. Acestea și activitățile conexe din ingineria genetică au două obiective de bază: să afle mai multe despre modurile în care natura funcționează și să folosească aceste cunoștințe în scopuri terapeutice [3].

Însă, aceste tehnici inovatoare ridică niște dezbateri interesante din punct de vedere al principiilor etice privind datele personale private, accesul la tratament și discriminarea. Etica privind editarea genelor umane este în continuă dezbatere. Întrucât aceste tehnici nu sunt incluse în practica medicală standard, se pune problema accesului la aceste terapii în cazul persoanelor defavorizate. Într-un viitor optimist, genomica ar trebui să ofere acces tuturor, fără să țină cont de etnie, proveniență sau veniturile materiale [8].

Medicina personalizată

Noile descoperiri prin intermediul genomicii sunt mai degrabă o revoluție decât o evoluție. Medicina personalizată utilizează informații genetice și de mediu despre o anumită boală pentru a putea individualiza prevenția, diagnosticul și tratamentul afecțiunii respective [9].

În oncologie, de exemplu, în unele cazuri, medicina personalizată este poate singura strategie salvatoare de vieți.

Cancerul ovarian este cel mai letal cancer ginecologic. Terapiile tradiționale au inclus managementul chirurgical și chimioterapia citotoxică, însă, paradigmele de tratament continuă să treacă de la chimioterapia citotoxică empirică, la un tratament mai individualizat. Eforturile recente de cercetare s-au concentrat asupra determinării și direcționării mecanismelor biologice moleculare ale cancerului ovarian, în încercarea de a dezvolta noi modalități terapeutice mai eficiente, limitând în același timp toxicitatea. Acest capitol trece în revistă progresul în dezvoltarea unor noi terapii direcționate către mecanismele implicate în tumorigeneză ovariană, incluzând angiogeneza, inhibarea PARP, transducția semnalului sau imunoterapiile [10].

Concluzii

Ingineria genomică permite, în prezent, controlul materialului genetic și crearea unor noi structuri din ADN-ul celular. Medicina personalizată reprezintă un progres prin care genetica medicală își aduce aportul pentru a crea terapii mai eficiente.

Din păcate, în momentul de față, sistemul de sănătate din România dar și din alte state membre ale Uniunii Europene nu este încă pregătit pentru a aloca resurse care să susțină costurile determinărilor genetice, însă există multe companii farmaceutice care încearcă să inoveze în acest domeniu și investesc mult pentru dezvoltarea terapiilor genetice și celulare.

Procesele biologice pot fi, de asemenea, studiate și perfecționate cu ajutorul geneticii.  Manipularea genetică este o știință a viitorului. Abilitatea de a manipula gene diferite de la microorganisme la om sau în cadrul aceleiași specii, este folosită în prezent pentru dezvoltarea terapiilor umane. Aceste terapii includ vaccinuri, interferoni, hormoni de creștere, interleukine sau neuropeptide.

Tehnicile de genetică moleculară fac, de asemenea, posibilă identificarea timpurie și diagnosticul antenatal al unui număr semnificativ de afecțiuni genetice, reducând astfel incidența maladiilor genetice.

Pentru ABONAMENTE și CREDITE DE SPECIALITATE click AICI!

Referințe bibliografice:

1. Kassem H. S. H., Girolami F., Sanoudou D. Molecular genetics made simple. Glob Cardiol. Sci. Pract. 2012 Jul. 4;2012(1):6;
2. Antonarakis S. E., Skotko B. G., Rafii M. S., Strydom A., Pape S. E., Bianchi D. W., et al. Down syndrome. Nat. Rev. Dis. Primer. 2020 Feb. 6;6(1):9;
3. Waters K. Molecular Genetics. In: Zalta E. N., editor. The Stanford Encyclopedia of Philosophy [Internet]. Fall 2013. Metaphysics Research Lab., Stanford University; 2013 [cited 2021 Aug. 18]. Available from: https://plato.stanford.edu/archives/fall2013/entries/molecular-genetics/;
4. Tagliafico E., Bernardis I., Grasso M., D’Apice M. R., Lapucci C., Botta A., et al. Workload measurement for molecular genetics laboratory: A survey study. PLOS ONE. 2018 Nov. 27;13(11):e0206855;
5. Bick D., Bick S. L., Dimmock D. P., Fowler T. A., Caulfield M. J., Scott R. H. An online compendium of treatable genetic disorders. Am. J. Med. Genet. C. Semin. Med. Genet. 2021 Mar.;187(1):48–54;
6. Saier M. H. Understanding the Genetic Code. J. Bacteriol. 2019 Jul. 10;201(15):e00091-19;
7. Koonin E. V., Novozhilov A. S. Origin and evolution of the genetic code: the universal enigma. IUBMB Life. 2009 Feb.;61(2):99–111;
8. McGuire A. L., Gabriel S., Tishkoff S. A., Wonkam A., Chakravarti A., Furlong E. E. M., et al. The road ahead in genetics and genomics. Nat. Rev. Genet. 2020 Oct.;21(10):581–96;
9. Offit K. Personalized medicine: new genomics, old lessons. Hum. Genet. 2011 Jul.;130(1):3–14;
10. Ziebarth A. J., Landen C. N. J., Alvarez R. D. Molecular/Genetic Therapies in Ovarian Cancer: Future Opportunities and Challenges. Clin. Obstet. Gynecol. 2012 Mar.;55(1):156–72.

Ramona Petrița

Farmacist

Florentina Calancea

asistent cercetare generală