Estudios de asociación del genoma completo y la dieta

Hacia el final del siglo 20, comenzábamos a entender parte de la base genética de algunas enfermedades humanas. Para entonces, el progreso había sido relativamente lento, dependiendo en gran medida del establecimiento de asociaciones familiares, y algunas variaciones medidas con mucho trabajo en los genes candidato; esto era usualmente en la forma de polimorfismos de un nucleótido (SNP, por sus siglas en inglés), medidos uno a la vez con métodos laboriosos como el polimorfismo del fragmento de restricción. Sin embargo, desde la publicación inicial del genoma humano, importantes avances en la capacidad de genotipado y reducciones en el costo, junto con grandes grupos de colaboración, han permitido avances exponenciales en nuestro entendimiento de la variación genética humana.

Los estudios de asociación del genoma completo (GWAS, por sus siglas en inglés) están incrementando en mucho nuestro entendimiento de la base genética de la enfermedad humana, especialmente las enfermedades complejas. Tal vez más importante, están mejorando nuestro conocimiento de las sutiles diferencias entre individuos, incluyendo características conductuales, salud, bienestar y desempeño. Un análisis de las publicaciones GWAS desde su primer aparición en 2003 enfatiza el constante descubrimiento de lo que nos hace únicos.

Desde los primeros reportes GWAS, ha habido un creciente número de comentarios en revistas científicas de alto impacto, resaltando el flujo de información genética humana y la forma en que la información de los chips de genotipado (gene chip) de alta densidad está siendo utilizada por compañías en línea para “predecir” la salud humana a nivel individual. Lo que no está siendo considerado, sin embargo, es la información clave que puede ser necesaria para permitir que los datos genéticos predigan la salud humana o, más importante, desarrollar estrategias para modificar las predicciones genéticas. Esto es, una valoración paralela e integrada de la dieta y los factores ambientales.

Desde 2005 era ya manifiesta la necesidad de esfuerzos de colaboración en nutrigenómica para permitir un mejor entendimiento de las bases de la enfermedad y las características que difieren entre individuos. Sin embargo, aunque ha habido una proliferación de estudios en las bases genéticas de las enfermedades, en su gran mayoría éstos no han sido acompañados por datos dietarios y ambientales estrictos; este elemento será esencial en los estudios futuros.

Desórdenes monogénicos y enfermedades complejas

Por buena parte del siglo 20, el conocimiento de las bases genéticas de la enfermedad humana estuvo limitado a la enfermedad de un solo gen o Mendeliana, en donde la asociación familiar es algo obvia. La mayoría de estas mutaciones son en la forma de SNPs, involucrando mutaciones de sentido erróneo (missense) o sin sentido (nonsense). Una vez que la enfermedad fue fenotipada con precisión y las asociaciones familiares fueron identificadas, fue relativamente claro cual gen era importante. Sin embargo, dichas enfermedades son relativamente raras y la mayoría de las enfermedades comunes son más complejas, involucrando múltiples genes e interacciones con el ambiente, incluyendo la dieta.

Con la enfermedad compleja, los estudios de asociación son el único acercamiento realista, utilizando grandes números de casos y controles no relacionados, o agrupaciones familiares tales como tríos que involucran a 2 padres y un niño afectado. Se requieren grandes números de marcadores que cubran el genoma para identificar genes en una enfermedad compleja. Tal vez más importante, la presencia o ausencia de una sola variante génica no es usualmente suficiente para explicar el fenotipo de la enfermedad. Hay una buena razón para creer que la predisposición genética a la enfermedad compleja es debida a variaciones menores en un gran número de genes, y su habilidad para interactuar con factores ambientales específicos. A pesar de que estas enfermedades complejas son mucho más difíciles de estudiar, este conocimiento puede volverse muy importante, dado que son la causa más común de muerte en los humanos. Hay, por supuesto, aun más retos técnicos para obtener un entendimiento efectivo de la dieta humana que de los genes.

Tecnologías en los GWAS

Aunque el primer GWAS apareció en la literatura en el año 2003, las herramientas iniciales no cubrieron un área representativa del genoma humano. Al año siguiente se describió un microarray de DNA de embaldosado (tiling resolution microarray) que anunciaba la cobertura completa del genoma humano. Dichas herramientas son bloques iniciales esenciales para los estudios GWAS, los cuales están basados en permitir correlaciones genotipo-fenotipo, utilizando los mismos principios como estudios de gen candidato. Sin embargo, dichos estudios son libres de hipótesis, dado que las variantes medidas abarcan el genoma humano completo.

El proyecto internacional de mapa de haplotipo (HapMap, por sus siglas en inglés) reconoció la necesidad de estudios de este tipo y buscó caracterizar los principales SNPs a lo largo del genoma y en diferentes grupos poblaciones humanos. La noción fue que estos podría proporcionar una idea de la estructura poblacional en todos los SNPs “comunes” (>5% de frecuencia), en 2 fases de densidad creciente a lo largo del genoma. Esto sería suplementado con re-secuenciado profundo cuando fuera apropiado.

Este recurso ha proporcionado la tecnología para ensayos de variantes genéticas utilizando gene chips, ahora capaces de cubrir más de 1 millón de SNPs en el genoma. Los 2 principales proveedores de genotipado son Affymetrix, cuyas variantes están distribuidas aleatoriamente, e Illumina, que ha utilizado SNPs más altamente seleccionados. Cualquiera o ambos gene chips son ideales para medir un gran número de SNPs y también copiar variantes.

Las técnicas de re-secuenciado profundo también están disponibles para estudiar áreas específicas del genoma. Grandes bases de datos colaboradoras son esenciales para proporcionar el poder estadístico necesario para la confianza en la interpretación de los datos.

Importancia de los GWAS

Los GWAS proporcionan un importante mecanismo para retirarse de los estudios de gen candidato, los cuales seleccionan genes para estudio basándose en mecanismos conocidos o sospechados de la enfermedad. En su lugar, los GWAS permiten un escaneo completo del genoma en una forma imparcial y gracias a ellos se han identificado asociaciones con genes sin sospecha previa de estar relacionados con la enfermedad. Permiten el examen de variabilidad genética heredada a niveles de resolución sin precedente, y han seleccionado algunas asociaciones en regiones de las cuales se desconocía que albergaban genes.

Los métodos continúan siendo refinados. Para el 2009 se recomendaba realizar replicaciones exacta a gran escala a lo largo de poblaciones similares y diversas, mapeo fino y re-secuenciado, determinación de marcadores más informativos y múltiples loci informativos independientes, incorporación de información funcional y un mapeo mejorado del fenotipo de los efectos genéticos implicados. Aún en donde la replicación prueba que en efecto existe, la identificación definitiva de la variante causal es con frecuencia elusiva. Aunque estos son puntos importantes, es de preocupación que aún las revisiones más completas fallan al no considerar la dieta como una de las variables faltantes.

La enfermedad de Crohn proporciona un buen ejemplo del poder de esta metodología. Estudios de gen candidato han descubierto lentamente algunas de las bases genéticas para esta enfermedad, con un reporte inicial del primer gen asociado a la enfermedad, dominio de oligomerización de nucleótido 2 (NOD2) en el año 2001. Otros genes fueron revelados poco a poco y algunas veces no convincentemente, incluyendo otros genes de reconocimiento inmune como el receptor tipo toll 4 (TLR4). Sin embargo, las primeras publicaciones de GWAS en esta enfermedad revelaron la importancia de SNPs en genes insospechados, incluyendo el receptor de interleucina 23 (IL23R) y el gen de autofagia ATG16L1. Estos genes involucran la respuesta a factores ambientales, especialmente bacterias y la dieta. La metodología GWAS continúa rindiendo importantes hallazgos sobre la base genética de esta enfermedad. Sin embargo, los estudios en interacciones dietarias están muy retrasados con respecto a la evidencia genética.

Uso de gene chips y bases de datos GWAS en las predicciones personalizadas de salud

La publicación creciente de los juegos de datos ha llevado a la proliferación de compañías de pruebas genéticas en línea, que se auto-promocionan como proveedores capaces de medir el riesgo genético de un individuo que ha facilitado muestras de saliva o de epitelio bucal para aislamiento y genotipado del DNA. Inevitablemente, hay expresiones de preocupación sobre su relevancia. Por ejemplo, un reporte comparó los estudios proporcionados por 2 diferentes compañías de pruebas genéticas con servicio directo al consumidor en un pequeño número de individuos, encontrando diferencias significativas en las predicciones realizadas. Para sus 5 individuos de prueba, en predicciones de 7 enfermedades solamente 50% o menos de las predicciones estuvieron de acuerdo entre las 2 compañías; su información mostró que la precisión de los datos crudos era alta, pero es cuestionable si los riesgos predichos tenían validez clínica y qué tan bien una variante genética se correlaciona con una enfermedad o condición específica. El reporte concluye en que las compañías mostraron predicciones muy similares par enfermedades en donde el riesgo genético era convincente, pero que estas compañías deberían comunicar los riesgos elevados de una mejor manera de lo que lo hacen. También se sugiere que los datos de prueba serían más relevantes a la salud humana si las compañías hubieran probado marcadores para respuesta a medicamentos. Las diferencias entre las bases genéticas de la enfermedad en diferentes etnicidades deben ser consideradas, y la información reunida debe tomar en consideración el comportamiento. Sorprendentemente, este reporte tampoco resaltó la importancia potencial de la dieta y/o el ambiente.

La enfermedad celiaca proporciona un ejemplo en donde el reporte que se menciona arriba mostró buen acuerdo entre las compañías de prueba con servicio directo al consumidor. La enfermedad celiaca representa una importante intolerancia alimentaria, con una tasa de prevalencia actual aproximada de 1 en 100 individuos de la población general. Esta enfermedad está caracterizada por intolerancia de por vida al gluten que se encuentra en trigo, cebada y centeno y en los productos derivados de los mismos. El tratamiento más efectivo para la enfermedad celiaca es nutricional y la remisión de los síntomas puede ser bien mantenida en la ausencia de gluten o con un consumo por debajo de cierto umbral. Actualmente la enfermedad es usualmente diagnosticada fenotípicamente, una vez que los síntomas se han desarrollado, y requiere una biopsia de intestino delgado para el diagnóstico confirmado. Sin embargo, los estudios en gemelos proporcionan buena evidencia de la base genética de la enfermedad, con 10% de los familiares en primer grado siendo afectados y 75% de concordancia entre gemelos monocigóticos.

Varios genes están claramente involucrados, pero el componente genético más consistente depende de las variantes de los genes HAL-DQ (DQ2 y/o DQ8). Los genes principales en la enfermedad celiaca llevan a un incremento de 7 veces en el riesgo de la enfermedad y pueden ser diagnosticados bastante consistentemente, tanto a nivel de fenotipo como de genotipo. Los GWAS más recientes han proporcionado datos sobre otros genes relevantes para esta enfermedad. Habría un caso para el diagnóstico genético temprano en las familias susceptibles, evitando el sufrimiento asociado a la presencia de los síntomas.

Donde ocurrieron interpretaciones ligeramente diferentes fue en donde una compañía manejaba información reciente y la otra no. La enfermedad de Crohn proporciona un ejemplo en donde hubo inconsistencias en el diagnóstico. Aunque esta enfermedad ha sido marcadamente manejable en los estudios GWAS, con probabilidades muy sólidas de diagnóstico preciso de los genes, individualmente hay riesgos relativos muy bajos. Esto puede sugerir la importancia de las interacciones ambientales.

Interacciones gen-dieta en la enfermedad de Crohn

La base genética de la enfermedad de Crohn no ha sido tan fácil de caracterizar como la enfermedad celiaca. La base genética es apoyada, como con la enfermedad celiaca, por estudios en gemelos. Por ejemplo, se han demostrado fuertes asociaciones familiares y alrededor del 44% de concordancia entre gemelos monocigóticos. Aunque los genes clave han sido revelados por GWAS y otros acercamientos, las tasas de probabilidad asociadas con los alelos individuales de riesgo no son espectaculares. Adicionalmente, aunque se han revelado algunos elementos dietarios clave, a diferencia de la enfermedad celiaca no hay “una solución para todos”. Por ejemplo, los productos de trigo, los lácteos, el vino tinto, el maíz, los hongos y la leche y el yogurt de soya son alimentos por los cuales un número de individuos reportan una exacerbación de riesgo; sin embargo, hay también una proporción de individuos que consistentemente reportan que parecen beneficiarse consumiendo uno o más de estos alimentos de manera regular. Se ha comprobado que al menos algunos de estos datos aparentemente inconsistentes, como por ejemplo con os hongos, son el resultado de interacciones gen-dieta.

En este ejemplo, una variante genética en una molecular transportadora de soluto, OCTN1, parece importante para el riesgo de la enfermedad de Crohn. Incluso en las poblaciones en donde no se muestra una asociación estadísticamente significativa, como en Nueva Zelanda, al introducir el factor de la habilidad para tolerar los hongos, aquellos individuos con fuerte intolerancia a los hongos ha mostrado niveles aumentados de la variante OCTN1, comparada con la población de control.

La experiencia con la enfermedad de Crohn lleva a tener precaución cuando se interpreta la información dietaria en dicha enfermedad compleja. Hay un esfuerzo considerable para incrementar la sensibilidad y precisión de la información dietaria; sin embargo, los cuestionarios dietarios más precisos revelan un patrón de alimentación típico para el individuo. A partir del análisis de dichos datos para un individuo con enfermedad de Crohn, uno podría concluir que una deficiencia de productos de trigo, lácteos, vino tinto, maíz, hongos, y la leche y el yogurt de soya han llevado al desarrollo de la enfermedad. Sin embargo, el cuadro actual parece ser el total reverso de esto. La observación es que, cuando el individuo consume estos artículos dietarios, se desarrollan los síntomas de la enfermedad, y el individuo aprende a evitar los alimentos que disparan los síntomas; esto significa que es la presencia más que la ausencia de estos artículos lo que actualmente lleva al establecimiento de los síntomas de la enfermedad. Este es el reverso de la interpretación dietaria tradicional y puede liderar el camino hacia una forma de pensar diferente sobre los estudios dietarios en asociación con GWAS.

Ciertamente, los métodos efectivos están aumentando su disponibilidad. Es esencial que estos estudios sean realizados si de verdad deseamos descubrir el verdadero papel de las variantes genéticas, y la interacción con la dieta y el ambiente, en la etiología de la enfermedad compleja.