Rev Esp Ortod 2002;32:285-95 Artículo original Genética y ortodoncia CARINE CARELS Carine Carels RESUMEN No se puede pensar en ortodoncia moderna sin conocimientos de genética, incluso en la práctica privada. Desde el punto de vista diagnostico algunas maloclusiones y deformidades dentofaciales tienen una distribución familiar. También desde el punto de vista terapéutico muy pronto puede ser necesaria una cooperación entre el ortodoncista y el “ingeniero genético”, por ejemplo en casos de agenesias múltiples o en el tratamiento interdisciplinario de los pacientes con fisuras labiopalatinas. Quizás la respuesta deseada al tratamiento ortodóncico pueda ser estimulada por la activación externa de los patrones moleculares específicos. Para manejar estos nuevos conceptos es necesario un buen conocimiento básico de genética por parte del ortodoncista, conocimiento que el autor espera proporcionar con este artículo. Palabras clave: Genética, ortodoncia, genes, medio ambiente, gemelos, herencia Genetics and orthodontics Carels C ABSTRACT One can not think of modern orthodontics, also in private practice, without any knowledge about genetics. Not only in diagnosis - certain malocclusions and dentofacial deviations run in families -, but also in the orthodontic treatment, a cooperation between the orthodontist and the”genetic engineer” might soon be established, f.e. in cases with multiple hypodontia or in the interdisciplinary treatment of cleft lip and palate patients. Or maybe the desired response to orthodontic treatment might be elicited by the external activation of the specific molecular signalling pathways. In order to cope with these new developments, a good basic knowledge on genetics - which the author hopes to provide in this article - is also necessary from the side of the orthodontist. Rev Esp Ortod 2002;32:285-95 Keywords: Genetics, orthodontics, genes, environment, twins, heritability Correspondencia: Dept. Orthodontics Kapucijnenvoer, 7 3000 Lovaina Bélgica 9 Catedrática y profesora de ortodoncia Departamento de ortodoncia Universidad Católica de Lovaina (Bélgica) Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 285 Carels C: Genética y ortodoncia INTRODUCCIÓN No es extraño que los ortodoncistas desarrollen un interés especial por la genética, ya que la mayoría de las maloclusiones y desviaciones dentofaciales son debidas, al menos en parte, a la constitución genética del paciente. Los genes pueden considerarse, de hecho, la principal causa de maloclusiones y desviaciones dentofaciales, mientras que el medio ambiente desempeña un papel menor en su etiología. El hecho de que el fenotipo dentofacial (como las maloclusiones y desviaciones o rasgos dentofaciales) pueda estar causado por factores genéticos, por factores ambientales o bien por una combinación de ambos, es lo que hace tan interesante para el ortodoncista la investigación genética en gemelos, ya que con la investigación en gemelos es posible discriminar el impacto que tienen los genes y el medio ambiente sobre un cierto fenotipo o condición. Además, el complejo dentofacial es un campo interesante para el ortodoncista interesado por la genética, ya que muestra trastornos y patologías que comparten multifactorialidad, heterogeneidad y poligeneidad y, como hasta ahora el cuadro dista aún de ser completo, todavía queda trabajo por hacer. A partir del análisis de los datos de las muestras gemelares, puede determinarse el modo de herencia para un cierto fenotipo y, en combinación con el análisis asociativo del ADN, a veces el fenotipo puede asociarse con un cierto genotipo. La importancia de los gemelos en la investigación genética ha sido reconocida ya antes del siglo XX (Galton, 1890), pero su impacto científico sobre las ciencias genéticas fue disminuyendo a mediados del siglo XX a causa de los espectaculares avances en el campo de la investigación en biología molecular. El descubrimiento de la doble estructura helicoidal del ADN por Watson y Crick (1953) fue el primer paso para el enorme desarrollo de las ciencias de genética molecular, dejando arrinconado al fenotipo. Desde entonces, los genes han sido llamados a desempeñar un papel principal no sólo en casi todas las disciplinas médicas y dentales –incluyendo la ortodoncia–, sino también en nuestra vida diaria. Los genes no sólo son los factores determinantes para los trastornos evidentes en el momento de nacer, sino que también parecen ser responsables de gran parte de las enfermedades que padecemos con mayor edad. Rev Esp Ortod 2002:32 Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 286 También asusta reconocer que no sólo el aspecto que tenemos, sino también nuestra inteligencia y nuestro comportamiento vienen determinados en gran medida por nuestros genes. Poco después de los descubrimientos de la genética molecular parecía que el espacio a ocupar por el adiestramiento y la educación cada vez se hacía más y más estrecho. No obstante, tras la euforia genética inicial, también se hizo evidente –y aún más desde que se completó el Proyecto Genoma Humano (2001)– que el cuadro real de la variación humana fenotípica (en la salud tanto como en la enfermedad) no se podía explicar exclusivamente por el genotipo: el medio ambiente sigue desempeñando un importante papel en el desarrollo humano, en el crecimiento y en la ontogenia. Se ha reconocido que ciertos componentes genéticos sólo se pueden expresar en un medio ambiente específico. La variación en la penetrancia y la expresión de un genotipo similar sólo puede explicarse por los diferentes impactos del medio ambiente sobre el fenotipo. En la última década, la combinación en estudios familiares de los fenotipos con los análisis de ADN de diversos miembros de estas familias ha permitido identificar la base genética de muchos rasgos y enfermedades, también en el campo craneodentofacial. Una visión de conjunto actualizada diariamente se puede encontrar en la página web OMIM (Herencia humana on-line), que enumera los avances y hallazgos más recientes, incluyendo también la localización específica de las mutaciones descubiertas de los genes con su secuencia molecular aberrante así como su mapeo en los cromosomas. Recientes ejemplos son las mutaciones encontradas en la agenesia dental múltiple, las mutaciones relacionadas con la fisura labial y palatina y también en un gran número de síndromes, etc. Los síndromes de Crouzon, de Pfeiffer, de Apert y de Jackson-Weiss, por ejemplo, están causados por mutaciones específicas en los genes que codifican el FGFR (receptor del factor de crecimiento fibroblástico). También se incluye la información sobre el modo de herencia. A pesar de que el nombre de la base de datos sugiere que sólo se revisan las condiciones genéticas heredadas siguiendo las leyes de Mendel, sin embargo, no es éste el caso. También se incluyen los trastornos heredados que no siguen las leyes de Mendel. 10 ALGUNOS CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE GENES, CROMOSOMAS Y PATRONES DE HERENCIA Los genes son los portadores de toda la información genética: están localizados en un 99% en los cromosomas dentro de los núcleos celulares y sólo un porcentaje muy pequeño en las mitocondrias del citoplasma de las células. La célula eucariótica consta de 46 cromosomas (dobles hélices de ácido desoxirribonucleico [DNA]), 22 pares autosómicos y 1 par de cromosomas sexuales. Una de las principales funciones de los genes es que sirven como plantillas de la amplia cantidad de proteínas y enzimas producidas por las diferentes células. Hasta hace poco tiempo, se aceptaba que cada proteína (o producto proteico) era codificada por un gen. La enorme cantidad de productos proteicos y enzimas diferentes conducía a un número estimado de genes diferentes de hasta 120.000. No obstante, se ha descubierto recientemente que el mismo gen puede servir como plantilla para diferentes proteínas y que de este modo el número de genes diferentes está ampliamente sobrestimado. Su número se calcula en 80.000 y así hay muchos más productos proteicos diferentes que genes codificados para ellos. La hipótesis es que el mismo gen puede ser una plantilla para diferentes productos proteicos, probablemente una función modificable en el tiempo dependiendo de las necesidades de las células, o quizás también viéndose predeterminada en su inicio o en su interrupción por otros genes controladores o reguladores. Otra cuestión fascinante es de qué manera el contenido codificado dentro del DNA se expresa secuencialmente en formas tridimensionales y se forma durante la embriogénesis. Para los vertebrados es sabido, por ejemplo, que la información para la formación de los tejidos duros de la cara se origina en la cresta neural, que es una estructura única a la embriogénesis vertebrada. Las células de la cresta neural que emigran hacia el complejo craneofacial también son únicas ya que los linajes celulares de la cresta neural que emigran hacia el tronco sólo producen componentes neuronales y musculares, mientras que en la cara también hay precursores de los tejidos duros, por ejemplo, hueso, cartílago y los dientes, por supuesto en un patrón tridimensional. Hasta no hace mucho tiempo, sólo se conocían los patrones mendelianos de herencia. Estas leyes 11 287 básicas descubiertas a mediados del siglo XIX, se siguen aplicando, pero desde entonces se han identificado otros tipos de herencia. Mendel (1830) pensaba que los rasgos y los trastornos podían heredarse sólo en 4 patrones, llamados autosómico dominante, autosómico recesivo, ligado al cromosoma X o modelo poligénico. Cada uno de los patrones de herencia obedece a una regla específica (única): la ley de Mendel. En el caso de la dominancia autosómica, el fenotipo es determinado solamente por el efecto de un gen localizado en uno de los alelos en el mismo locus. El carácter está presente en el fenotipo en la situación heterocigótica. En el caso de la herencia recesiva, el gen del carácter debe estar presente en ambos alelos antes de que pueda aparecer en el fenotipo. De modo que el fenotipo sólo estará presente en la situación homocigótica. En esta situación podemos tener portadores de condiciones recesivas. En el tipo dominante, la probabilidad de que la condición esté presente en la descendencia es del 50%, esta probabilidad es del 25% en caso de un gen recesivo presente en los 2 portadores. En este último caso, sin embargo, el 50% de la descendencia también será portadora de la condición recesiva. Los rasgos poligénicos o las enfermedades son causados por el efecto aditivo o la interacción de muchos genes diferentes. Más que en las 3 primeras categorías, este efecto poligénico puede ser modulado por factores ambientales. La categoría poligénica implica que, dentro de una familia, algunos individuos que son portadores del factor de riesgo genético para el trastorno enfermedad no mostrarán síntomas de la enfermedad (penetrancia incompleta) debido a un entorno favorable. Además, los factores genéticos de riesgo para esos trastornos serán probablemente diferentes en familias diferentes (heterogeneidad) y dentro de una familia varios factores genéticos pueden colaborar para causar un riesgo aumentado (poligenicidad). Existen rasgos genéticos que no son suficientes ni necesarios para desarrollar la enfermedad, pero que aumentan considerablemente la vulnerabilidad o la susceptibilidad de padecerla. Ciertas formas de labio y paladar hendidos son determinadas multifactorialmente por condiciones que incluyen la herencia poligénica y un ambiente favorable. Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 Carels C: Genética y ortodoncia Desde el punto de vista de Mendel, los caracteres heredados de un individuo son determinados por el material genético que se localiza en el núcleo celular. Sin embargo, ahora se sabe que también hay un pequeño cromosoma circular en el citoplasma de la célula. En el momento de la concepción, un espermatozoide macho y un ovocito hembra (ambos con un número haploide de 23 cromosomas) se fusionan, las células del nuevo individuo en desarrollo, que contienen la dotación total de 46 cromosomas en el núcleo, contendrá sólo el DNA mitocondrial del ovocito, ya que una célula espermática no contribuye al citoplasma del cigoto. Este conocimiento llevó al descubrimiento de la denominada herencia mitocondrial o citoplasmática. También se han descubierto otros 2 patrones de herencia no mendelianos, a saber la disomía uniparental y la impronta (imprinting) del genoma. Además de esto, se han observado cambios en la expresión génica durante el desarrollo sin un cambio en la secuencia del nucleótido, un principio que se ha denominado con el término “epigenética”. También aquí el ambiente es probablemente el factor modulador. INVESTIGACIÓN GENÉTICA Y TERAPIA GÉNICA La primera cosa que viene a la mente cuando uno piensa en la investigación genética hoy es evidentemente todo el excitante campo de la genética molecular y de la biotecnología y tecnología génica. Ahora que la secuencia del DNA humano ha sido desenmarañada en el Proyecto del Genoma Humano, la búsqueda de datos está cambiando de la secuencia a la función de los genes secuenciados y mapeos. Aunque hubo una pequeña aceleración en la velocidad de trazado del mapa cuando se utilizaron nuevas técnicas como el ligamiento, la reacción en cadena de la polimerasa y polimorfismos en longitud de los fragmentos de restricción, la mayor aceleración se produjo cuando, hace unos 50 años, se pasó de un puñado de investigadores interesados en el genoma humano a los miles de hoy en día. Las aberraciones que afectan a todo el genoma (como un número aberrante del grupo total de cromosomas) son en su mayoría letales. Otras anomalías cromosómicas importantes como la trisomía de un solo cromosoma (como la trisomía del cromoso- Rev Esp Ortod 2002:32 Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 288 ma 21 o la desaparición de partes de cromosomas, etc.) también pueden ocasionar importantes problemas o síndromes médicos. Pero los trastornos importantes también pueden ser consecuencia de diminutas anormalidades en el genoma como una mutación en un par de bases único de un gen (por ejemplo, la anemia de células falciformes). Habitualmente, la búsqueda de genes de una enfermedad para los que no se conoce el producto proteico, consta de 2 fases. En la primera fase, los análisis de ligamiento con marcadores polimórficos genéticos localizan el gen de enfermedad en una región cromosómica específica. Alternativamente, los locus del gen pueden ser indicados por anomalías cromosómicas (translocaciones, deleciones) detectadas en pacientes con un trastorno hereditario. Una vez se consigue esto, en la segunda fase se aplican en la región candidata las técnicas de clonación posicional para identificar el gen responsable. Una técnica genética particularmente potente es la producción de animales transgénicos, mediante la que se pueden analizar directamente los efectos del desarrollo de genes en animales experimentales in vivo. Los genes individuales pueden expresarse incorrectamente en tejidos definidos o su función puede ser suprimida (“eliminada”). Recientemente, se ha demostrado que son necesarios muchos genes para el desarrollo craneofacial mediante la eliminación de su función en los ratones transgénicos. De este modo, se pueden crear modelos animales para defectos craneofaciales humanos que permitan el análisis de los mecanismos patogénicos así como el desarrollo de métodos terapéuticos. Por ejemplo, se han creado ratones transgénicos que expresan un gen de ingeniería MSX2 con la misma mutación que la sinostosis del tipo Boston. En estos ratones, las suturas de la bóveda craneal, incluyendo la sagital, coronal y lamboide se fusionan prematuramente. Durante los últimos cinco años, los conocimientos de los fundamentos genéticos de la hipodoncia y la hiperdoncia se han acumulado rápidamente, ya que los estudios moleculares genéticos han identificado los genes causantes en las condiciones hereditarias que afectan al número de dientes. Hoy en día, se conocen algunos defectos gené- 12 ticos en oligodoncia, displasia ectodérmica anhidrótica, síndrome de Rieger y displasia cleidocraneal (Thesleff y Rice, 1998). Los avances de la genética molecular dieron como resultado la identificación de numerosos genes de enfermedad, incluyendo los que causan los defectos craneofaciales congénitos, pero hasta ahora ninguno puede prevenirse o curarse mediante la terapia genética. Al demostrarse que trastornos importantes son consecuencia de diminutas anomalías del genoma (como un único cambio en el par de bases), fue inmediatamente tentador pensar que podía no ser demasiado difícil invertir este cambio: de este modo, el concepto inicial de terapia génica fue una consecuencia de la comprensión de la biología molecular de las enfermedades heredadas y de la disponibilidad de la tecnología de la ingeniería genética. Sin embargo, hasta ahora no se ha logrado hacer un descubrimiento terapéutico importante para la tecnología génica, aunque potencialmente las especialidades clínicas de la medicina y la odontología podrían verse profundamente afectadas. Otra aplicación terapéutica de la tecnología génica es la ingeniería tisular. Se puede concebir que una vez se sepa qué genes son deficientes, por ejemplo, en la agenesia de un premolar, se pudiesen crear genéticamente premolares y posteriormente transplantarlos a la zona de la agenesia. No obstante, debido a los avances y a las posibles consecuencias en la genética médica, hoy en día se plantean un montón de cuestiones bioéticas: por ejemplo, sobre “eugenética” (¿qué serían humanos “mejores”? ¿Y dónde situaríamos nuestra frontera)? ¿Sobre humanos de clonación o células humanas de clonación? ¿Sobre las consecuencias del diagnóstico prenatal? ¿Sobre el diagnóstico por ADN y su posible papel en los sistemas de empleo y seguro? ¿Sobre la difusión y el mal uso de las bases de datos genéticos por la creciente informatización de la sociedad? EPIDEMIOLOGÍA GENÉTICA Y GENÉTICA CUANTITATIVA A medida que nos acercamos cada vez más a la imagen completa de la estructura de los genes, nos alejamos cada vez más del individuo y de las poblaciones, cuyos fenotipos no son claramente sólo una cuestión de genes. Si estamos interesados en la 13 289 imagen global (por ejemplo, el genotipo y el fenotipo) hay un excitante campo de investigación genética llamado genética epidemiológica (epidemiología genética), o también genética cuantitativa, multifactorial y biométrica que podrían aclarar esta cuestión. Este tipo de investigación genética no sólo contribuye a nuestro conocimiento sobre las actividades de los genes, sino también sobre el papel del ambiente en los genes; si estuviésemos interesados solamente en los genes o sólo interesados en el ambiente, nunca llegaríamos a saber la causalidad cuando existe una interacción entre los genes y el ambiente tanto para los rasgos como para las enfermedades. Los estudios con gemelos son uno de los tipos de investigación en epidemiología genética. En esta era de la tecnología génica todavía hay un amplio futuro para los estudios con gemelos, aunque la política de fondos sigue estando claramente a favor de la tecnología génica. El uso de gemelos en la investigación genética es un instrumento único para evaluar la importancia de los factores hereditarios y ambientales sobre ciertos caracteres mediante la comparación de las semejanzas en los gemelos monocigóticos (MC) y los dicigóticos (DC). Como indicaba Galton (1890), la comparación de los rasgos distintivos de los gemelos puede usarse para discriminar entre la influencia de la “naturaleza” y la “educación”. Los gemelos pueden ser considerados como experimentos genéticos especiales de la naturaleza y el método clásico con gemelos es una forma relativamente sencilla y poderosa de obtener estimaciones de heredabilidad de los rasgos fenotípicos. En las últimas 2 décadas, ha habido muchos avances en esta área de análisis (Christian, 1981; Neale y Cardon, 1992). El diseño clásico de estudio de gemelos, que compara la correlación entre gemelos MC y DC criados juntos, permite comprobar la significancia para los efectos genéticos aditivos (poligenéticos) y no aditivos (dominante o epistático), denominados “naturales”, y los efectos ambientales específicos (único para el individuo) y comunes, denominados “educativos” sobre la variabilidad de los caracteres cuantitativos. A lo largo de los años, se ha acumulado una gran cantidad de material sobre gemelos y no es la intención de este manuscrito pasar revista a todos Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 Carels C: Genética y ortodoncia esos estudios. No hay duda de que el material sobre gemelos está sujeto a sesgos de varios tipos, pero si se utiliza la metodología correcta y se interpreta con cautela y con conocimiento de las restricciones, es un maravilloso instrumento para la investigación genética. El hecho de que existen 2 tipos de gemelos, fue conocido desde la antigüedad. Un primer tipo se derivaba de la división de un solo cigoto (monocigótico) en alguna fase del desarrollo del embrión después de la fertilización, y el segundo de la liberación independiente y la subsiguiente fertilización de 2 cigotos (dicigótico). Los gemelos del primer tipo son genéticamente idénticos, mientras que los del segundo tipo no se parecen genéticamente más que los hermanos y hermanas “normales”. No obstante, se ha sugerido la existencia de un tercer tipo de gemelos, a saber, gemelos derivados de la fertilización de 2 óvulos, que no fueron liberados independientemente pero que se formaron mediante la división de un solo óvulo antes de la fertilización. Estos gemelos serían intermedios entre los gemelos MC y los DC, pero hasta ahora, no ha habido prueba científica de la existencia de estos llamados gemelos intermedios. La frecuencia de gemelación MC es de 3,5-6 por 1.000 nacimientos en todas las razas a todas las edades de la madre y para todas las paridades. La gemelación DC aumenta con la edad de la madre y con la paridad de 3,5 a 18 por 1.000 nacimientos, muestra amplias variaciones raciales y se sabe que disminuye en los períodos de desnutrición. La gemelación DC se hereda de forma dominante autosómica. LA EMBRIOLOGÍA DE LA GEMELACIÓN Y LA INVESTIGACIÓN EN GEMELOS Los gemelos MC se originan tras la concepción por división en alguna fase temprana del desarrollo fetal de un único óvulo fertilizado y, en teoría, son genéticamente idénticos. En realidad, incluso los gemelos MC pueden ser genéticamente diferentes debido a diferentes razones. Esto puede ocurrir cuando se producen redistribuciones (como traslocaciones) o mutaciones en el genoma tras la gemelación (división). Esto puede explicar la discordancia entre algunas anomalías congénitas importantes, como la trisomía parcial, el labio y paladar hendido, por ejemplo. Rev Esp Ortod 2002:32 Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 290 Conviene mencionar que esto sólo se da cuando se produce una división muy temprana, a saber, dentro de los primeros 3 días después de la fertilización. La división entre 4 y 7 días da origen a gemelos monocoriales, diamnióticos y la división entre 8 y 9 días origina gemelos monocoriales y monoamnióticos. Los gemelos DC se desarrollan a partir de 2 óvulos diferentes liberados independientemente con un corto intervalo de tiempo y fertilizados por 2 espermatozoides diferentes. De este modo, los gemelos DC no son, genéticamente hablando, más parecidos que los hermanos o hermanas normales, llamados hermanos fraternos. No obstante, comparten el mismo espacio ambiental antes del nacimiento y la mayoría también después del nacimiento, si son criados juntos. Los estudios sobre gemelos criados por separado son muy interesantes específicamente porque su entorno común (EC) estaba restringido a antes del nacimiento. En el diseño clásico de estudio de gemelos, se compara la correlación de los rasgos entre los gemelos MC y DC criados juntos y nos permite comprobar la significancia de los efectos genéticos aditivos (A) y no aditivos (D) y los efectos ambientales específicos (E) y comunes (C) a la variabilidad de los caracteres cuantitativos. Por supuesto, la exactitud de la determinación de la cigosidad es de la mayor importancia en la investigación en gemelos (Vlietinck, 1986). Mediante el análisis de rutas y el enfoque de ajuste del modelo, se pueden detectar los efectos genéticos, culturales y ambientales y cuantificados entre familiares. En el ajuste del modelo, la semejanza entre familiares puede ser evaluada mediante la comparación de los datos observados con los datos pronosticados en un modelo teórico. La varianza total de un carácter fenotípico es la suma de la varianza genética total y la varianza ambiental total. La varianza genética se compone de la varianza genética aditiva (A) y no aditiva (D) o dominante y la varianza ambiental total se compone del ambiente común (C) o compartido y de la varianza ambiental específica o única (E). Los genes son aditivos cuando el efecto de un gen en el fenotipo es la combinación lineal de los efectos de cada uno de sus alelos. Cuando uno de los alelos de un gen tiene un mayor efecto sobre el fenotipo que el otro alelo de ese gen, existe no aditividad. Si esto pasa entre 14 2 alelos del mismo locus de gen, se denomina dominancia; si esto se produce entre alelos de diferentes locus de gen, se llama epistasis. (Aviso: con las estadísticas de gemelos, no es posible discriminar entre dominancia y epistasis.) ESTUDIOS DENTOFACIALES EN GEMELOS EN LOVAINA El objetivo general de los estudios con gemelos que se han realizado hasta ahora en estrecha cooperación entre el Departamento de Ortodoncia y el Departamento de Genética Epidemiológica (profesor jefe Dr. Vlietinck) del Centro para la Genética Humana, de Lovaina, era aumentar los conocimientos sobre las causas de la variación (genética y ambiental) de algunos caracteres funcionales y morfológicos en el área craneodentofacial. Con este fin, se recogieron los datos de observaciones clínicas, medidas sobre moldes dentales, datos electromiográficos, datos de resonancia magnética y radiográfica (procedentes de placas laterales de la cabeza y OPG (radiografía panorámica) de gemelos cuya determinación de la cigosidad fue fijada con esmero (Vlietinck, 1986). Cuando se utiliza la metodología moderna con gemelos y las estadísticas específicas sobre gemelos para el análisis de los datos de gemelos, las suposiciones fundamentales del modelo de gemelos deben comprobarse antes de que el ajuste del modelo se lleve a cabo: 1) la normalidad de la distribución de los datos debe ser comprobada; 2) debe haber un ambiente igual de los gemelos, y 3) las medias y las varianzas de los gemelos nacidos primero y segundo y de los gemelos hembra y macho no pueden diferir de los caracteres comprobados. 15 de Prospección de Gemelos de Flandes Oriental (EFPTS), que es una base de datos que contiene actualmente más de 5.000 gemelos nacidos en East Flanders, una de las provincias belgas, desde 1964. Todos los gemelos que fueron inscritos en uno de los estudios dentofaciales habían crecido juntos y estaban en el EFPTS. Ninguno de ellos había sido o estaba siendo tratado de ortodoncia en el momento de la inscripción: sus edades variaban entre 9 y 15 años. Más adelante, se da sólo un corto resumen de los resultados de los diferentes estudios, sin entrar demasiado en la metodología. Primero se recogen los estudios musculares, después se describen algunos resultados de los estudios cefalométricos publicados hasta aquí y finalmente un estudio sobre la maduración dental. GENÉTICA DE LOS REFLEJOS DEL MÚSCULO MASETERO, CONTRACCIÓN VOLUNTARIA Y MORFOLOGÍA MUSCULAR Una de las discusiones en morfogénesis dentofacial y, por lo tanto, en la etiología de las maloclusiones desde los años 70, era la hipótesis de la matriz funcional, tal como fue ideada por Moss (1972). Una de las principales cuestiones en esta hipótesis era que no hay “genes para los huesos”, pero que la función, incluidas las actividades musculares y otros componentes funcionales son los estímulos para la formación del hueso y su conservación. La bondad de ajuste de un modelo puede evaluarse mediante el llamado Criterio de Información de Akaike (AIC = x2-2xDF). La menor AIC proporciona el mejor ajuste. Se debería tener presente también que la correlación entre el factor genético aditivo de los gemelos DC es 0,5, a saber, la mitad de la correlación entre los gemelos MC (que es 1). El coeficiente de correlación para los factores genéticos no aditivos (como la dominancia) se fija en 1 para los gemelos MC y en 0,25 para los DC. La cuestión que nos intrigó en primer lugar fue la hipótesis de si podía haber genes para estos músculos de formación de huesos y su actividad. Como en el Laboratorio de Fisiología Oral de nuestra universidad se utilizaba una técnica estandarizada para provocar, registrar y analizar el reflejo del músculo masetero EMG, escogimos este músculo para estudiar esta pregunta de la investigación. Más tarde, también utilizamos la técnica de resonancia magnética para medir secciones transversales fisiológicas del músculo (Weijs y Hillen, 1986) con el fin de calcular la heredabilidad de la morfología muscular. Estas primeras preguntas de la investigación están relacionadas con la genética tanto por su actividad fisiológica como por su morfología. Para analizar nuestros datos sólo realizamos análisis univariados ya que medimos las variables únicas sólo 1 vez. Todos los gemelos estudiados en nuestros proyectos están registrados en el Estudio En el primer estudio, se recogieron los reflejos del músculo masetero subsecuentes a un golpecito estandarizado en el incisivo central durante la oclusión isométrica conforme a un protocolo fijado. Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 291 Carels C: Genética y ortodoncia En otro estudio experimental parecido se midieron las estimaciones de heredabilidad del tiempo de reacción del músculo masetero. Se dieron instrucciones a los sujetos para que reaccionasen, tan pronto como les fuese posible, con una contracción del músculo masetero tras la percepción de un golpecito en el incisivo central. Se comprobaron las suposiciones fundamentales del modelo de gemelos tanto para los reflejos como para los tiempos de reacción. Las variables que no estaban distribuidas normalmente se marcaron, y no se usaron posteriormente en el análisis genético. Se calcularon las correlaciones de Pearsons respectivamente sobre el tiempo de reflejo y la latencia del pico y sobre los componentes principales entre las caras ipsilaterales de los pares de gemelos por cigosidad. Estas correlaciones medían la fuerza de las relaciones lineales de las variables entre los miembros gemelos y se utilizó como primera estimación de heredabilidad. El ajuste del modelo se llevó a cabo en el caso de que el análisis de la correlación apuntase hacia alguna evidencia genética y si no se infringían las suposiciones del modelo de gemelos. En toda la muestra de gemelos, las semejanzas en el tiempo de reflejo, la latencia del pico y en la morfología del reflejo eran sorprendentes en los gemelos MC, pero sólo se daba ocasionalmente en los gemelos DC. Sin embargo, este planteamiento sólo era útil como un análisis de primer paso dado que las varianzas para las medidas de la latencia eran demasiado heterogéneas para permitir un análisis genético más detallado. Las latencias del pico estaban distribuidas normalmente y mostraron correlaciones elevadas (que eran significativamente mayores para los gemelos MC que para los gemelos DC) y, por lo tanto, el ajuste del modelo genético puede llevarse a cabo con los programas PRELISTM y LISRELTM (Jöreskog y Sörbom, 1986 y 1988). El análisis genético univariado reveló que los genes aditivos (A) explicaban el 58% de la varianza hacia la izquierda y el 69% de la varianza de la latencia del pico a la derecha, mientras que las influencias ambientales específicas (E) justificaban la porción restante de la variación. Se podría concluir que existe una influencia genética bastante fuerte, pero también una influencia ambiental sustancial en la latencia del pico de este reflejo neuromuscular. Como para los experimentos voluntarios del tiempo de reacción, las suposiciones fundamentales del modelo de gemelos pueden ser validadas me- Rev Esp Ortod 2002:32 Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 292 diante los análisis preliminares. El cálculo de los coeficientes de correlación de Pearson validó los análisis genéticos posteriores. Tras el ajuste del modelo de nuevo, se observó el mayor impacto procedente de los genes aditivos (respectivamente 55% a la izquierda y 79% al lado derecho). Como el estímulo tiene que pasar primero por los nervios aferentes sensoriales, antes de ser transmitido a través del cerebro como una señal que consiste en una serie de impulsos nerviosos y dado que una respuesta tiene que ser transmitida a través del cerebro y enviada al músculo efector, antes de que este último sea activado, se esperaba que el tiempo de reacción estuviese ampliamente sujeto a la influencia ambiental. Sin embargo, se pudo demostrar en este estudio que, para el tiempo de reacción, el impacto de los genes es todavía mayor que el del ambiente. SECCIONES TRANSVERSALES DEL MÚSCULO MASETERO Y VOLÚMENES Con el fin de analizar cuantitativamente las secciones transversales fisiológicas y los volúmenes de los músculos maseteros, se realizaron imágenes por resonancia magnética (escáner de IRM) y se construyeron imágenes en 3-D sobre las imágenes seriadas de sección transversal. Los escáneres de IRM se hicieron en el Departamento de Radiología y el análisis fuera de línea se llevó a cabo utilizando los programas informáticos adecuados (Suetens, et al., 1993). Los resultados de comprobar las suposiciones del modelo de gemelos demostraron que sólo se encontraron diferencias significativas entre los gemelos varones y los gemelos hembras (p < 0,5), que podían posiblemente sesgar las estimaciones del ajuste del modelo. Las correlaciones más elevadas para el área de sección transversal máxima se hallaron entre los gemelos MC y los gemelos DC, pero no se encontró ninguna diferencia entre las correlaciones del volumen muscular total entre los gemelos MC y los DC. La bondad de ajuste de la estadística mostró que, en ambos lados, el modelo genético aditivo y específico ambiental (modelo AE) se ajustaba mejor. Los factores genéticos aditivos explican el 94% de la varianza para la izquierda y el 82% de la varianza para el área derecha de la sección transversal del músculo masetero. 16 Como el área de la sección transversal representa la sección transversal de todas las fibras musculares individuales, su control genético fuerte puede reflejar la determinación genética del número de fibras musculares del masetero que construyen el músculo. Además, se sabe que el área de sección transversal máxima es una indicación de la fuerza isométrica máxima del músculo, por lo que estos resultados también pueden tener consecuencias para la heredabilidad de la fuerza isométrica del músculo. La comparación de la correlación de los volúmenes maseteros entre los miembros gemelos de ambas cigosidades reveló que los factores ambientales explicaban la mayor parte de la variación. Podrían ser estudiados a este respecto los problemas de las vías respiratorias nasales y el “adiestramiento” del músculo. Dado que el área de la sección transversal del músculo masetero medida mediante la técnica de IRM representa el número total de las fibras musculares, mientras que el volumen del músculo depende de la longitud de las fibras, se extrajo la hipótesis de los resultados de este análisis genético, de que las influencias ambientales pueden modular la longitud de las fibras musculares individuales, pero no su número. La conclusión de esta parte fue que es evidente una fuerte influencia genética para el área de sección transversal máxima, mientras que con respecto al volumen del músculo masetero las influencias ambientales son predominantes. HEREDABILIDAD DE LOS PARÁMETROS DENTOFACIALES SAGITALES CEFALOMÉTRICOS Buscando en la “literatura sobre gemelos” sobre la heredabilidad de las dimensiones craneofaciales sagitales, era sorprendente que muchos autores llegaron a la conclusión de que la dimensión vertical de la cara estaba bajo una elevada influencia genética mientras que los componentes sagitales y los componentes relacionados con la dentición estaban más influidos ambientalmente (Hunter, 1965; Nakata, et al., 1973; Harris, 1973; Nakasima, et al., 1982). Algunos investigadores hallaron bajas heredabilidades para todo el complejo craneofacial, pero altas heredabilidades para los contornos óseos sagitales individuales (Kraus, et al., 1959; Harris, 1973). Estas (a veces parciales) contradicciones nos intrigaron y, por lo tanto, también llevamos a cabo un estudio cefalométrico en nuestros gemelos en el que 17 293 combinamos variables de los anteriores estudios de gemelos además de algunos otros parámetros. Se utilizaron los cefalogramas laterales de 79 gemelos procedentes del EFPTS, de los que la probabilidad de su determinación de cigosidad era de al menos el 99%. Veintitrés variables esqueléticas y dentales, que podían dividirse aproximadamente en 6 medidas horizontales, 5 verticales, 6 oblicuas, 4 angulares y 2 dentales, se calcularon de los puntos de referencia digitalizados. Para la metodología y la discusión, nos remitimos a Savoye, et al. (2000) y a Carels, et al. (2001). Aquí sólo se mencionan las principales conclusiones. Entre el 52,3 y el 82,5% de la varianza de las 6 medidas horizontales eran debidas a genes aditivos. La heredabilidad media para las medidas horizontales era del 61,3%. Para las medidas horizontales no se halló diferencia entre sexos. También las medidas verticales estaban principalmente determinadas por genes aditivos, sin diferencias entre sexos, excepto para la altura total de la cara, para la que la determinación genética era mayor en los chicos (91,2%) que en las chicas (68,5%). Por término medio, el 77,3% de la varianza de las medidas verticales estaba determinado por los genes para los chicos y el 72,8% para las chicas. Para ambos sexos, las estimaciones de heredabilidad eran mayores para las variables verticales que para las horizontales. Cuatro de las 6 medidas lineales estaban determinadas por genes aditivos sin dominancia, y en 2 medidas lineales se pudo demostrar la dominancia, a saber, 2 medidas análogas para la longitud mandibular total. Por regla general, el 76,2% de la varianza de las medidas lineales estaba determinado por factores genéticos. La longitud mandibular y la longitud de la base del cráneo anterior mostraron la determinación genética más elevada (85,8 y 84,4% respectivamente), la primera con dominancia y la segunda sin ella. Incluso para la variable menos determinada genéticamente, la estimación de heredabilidad fue, con todo, del 68,2%. Tanto la posición superior como la inferior están determinadas por genes aditivos al 61,0 y el 75,1%, respectivamente. Salvo para el ángulo gonial, ninguna de las medidas angulares estaba determinada por los genes. Las medidas angulares se explicaron mediante un modelo CE, ya Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 Carels C: Genética y ortodoncia 294 En conclusión, nuestros hallazgos cefalométricos confirmaron la afirmación de Hunter (1965), de que “las variables verticales están más influenciadas por la herencia que las horizontales”, pero contrastaban con los hallazgos de Lundstrom y McWilliam (1988) y Harris y Johnson (1991), que encontraron pequeñas diferencias no significativas entre las estimaciones de heredabilidad de las medidas verticales y horizontales. Las diferencias en los hallazgos podrían, sin embargo, explicarse por el hecho de que una porción significativa de lo que fue asignado como “ambiente común” en esos estudios, podría haber sido debido a factores genéticos. Por otra parte, algunas medidas podrían no haber sido bien interpretadas como “horizontal auténtica” o “ vertical auténtica”. Si el impacto genético es mayor en los parámetros faciales verticales que en los horizontales, parece lógico que, en la situación clínica, la discrepancia de la mandíbula anteroposterior puede ser más fácilmente influenciada con medios ortopédicos de la mandíbula que una discrepancia vertical de la mandíbula. El hecho de que los alelos de los genes que determinan la longitud mandibular muestran dominancia, no se demostró en los primeros estudios. A diferencia de las expectativas, la posición de los molares superiores e inferiores tenía una influencia genética bastante alta. Sin contar con el consentimiento previo por escrito del editor, no podrá reproducirse ni fotocopiarse ninguna parte de esta publicación © Publicaciones Permanyer 2010 que sólo las influencias ambientales explicaban la variación. La mitad de esos factores ambientales eran comunes a ambos miembros gemelos. No se hallaron diferencias ligadas al sexo entre las medidas angulares. Rev Esp Ortod 2002:32 Este estudio fue descrito por Pelsmaekers, et al. (1997). Las señales de edad dental se determinaron en radiografías panorámicas de 58 pares de gemelos (26 MC y 32 DC) con el método de Demirjian, et al. (1973). No se encontró ningún efecto de imagen espejo entre los 2 lados del mismo individuo, o entre los miembros gemelos. Así, la maduración dental parece simétrica tanto para el lado derecho como para el izquierdo. Los coeficientes de correlación eran significativamente mayores en los gemelos MC que en los DC, lo que sugiere una influencia genética. El ajuste del modelo demostró que la variación en la edad dental se explicaba mejor mediante un modelo ACE: genes aditivos para el 43%, ambiente común para el 50% y el ambiente específico para el 8%. La importancia de los factores ambientales comunes puede explicarse por el hecho de que los gemelos, al crecer juntos, comparten las mismas condiciones ambientales prenatales, natales y posnatales, que aparentemente revisten importancia para la formación de los dientes. CONCLUSIÓN GENERAL Como es posible que ya hayan observado, la genética no constituye un campo interesante sólo para los genetistas en sus laboratorios, sino también para el ortodoncista interesado en la etiología de las maloclusiones y otros fascinantes fenómenos del ámbito dentofacial. Además, existe la posibilidad en un futuro no tan lejano de que la terapia sea útil en el campo ortodóncico, no sólo desde el punto de vista del diagnóstico sino también en términos terapéuticos. GENES PARA LA MADURACIÓN DENTAL AGRADECIMIENTOS Se estableció que existe un mayor impacto genético sobre el tamaño dental (Potter, et al., 1976; Corrucini y Sharma, 1985; Sharma, et al., 1985), la morfología dental (Kraus y Furr, 1952; Biggerstaff, 1970) y la formación de las raíces (Gran, et al., 1960; Green y Aszkler, 1970). Sin embargo, ninguno de los estudios que se refieren a la formación de las raíces utilizó el método más avanzado del análisis de rutas y el ajuste del modelo para evaluar la influencia genética. Por lo tanto, existía el propósito, en esta parte de nuestro proyecto con gemelos, de determinar la influencia genética y ambiental sobre la maduración dental. Deseo expresar mis más sincero agradecimiento a todos los colaboradores del Departamento de Epidemiología Genética, Centro de Genética Humana de KU de Lovaina y de la Universidad de Maastricht, en especial al catedrático Dr. Robert Vlietinck con quien ya hemos disfrutado de varios años de una excelente y fructífera colaboración en nuestros proyectos comunes. Desde luego que también deseo dar las gracias a todos los estudiantes de Ortodoncia y del Máster, que han contribuido en uno o varios de estos estudios: Dr. Isabelle Lauweryns (PhD), Nathalie Van Cauwenberghe, Marianne De Loecker, Dilek Ural, Isabelle Savoye y Lu Jun (estudiante del Máster). 18 BIBLIOGRAFÍA No todos los artículos de esta lista han sido mencionados en el texto. Se han listado los que el autor ha considerado interesantes para la comprensión del tema. Se puede suministrar cualquier otra referencia bibliográfica que se solicite. Biggs NL, Pool HE, Blantonn PL. 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