A insuficiência cardíaca (IC) é uma doença complexa, onde diversos mecanismos fisiopatológicos atuam e diferentes polimorfismos genéticos estão envolvidos. O sistema adrenérgico está diretamente relacionado a esta patologia participando da auto-regulação cardiovascular, tendo papel crucial na deteriorização da função cardíaca. Os beta-bloqueadores surgiram como um grande avanço da cardiologia no tratamento da IC, no entanto a resposta medicamentosa varia para cada paciente podendo estar relacionado a diversos fatores, entre eles o genético. A determinação pela genética do desenvolvimento da IC, da resposta medicamentosa e prognóstico são questões que serão abrangidas nesta revisão.
Universidade Federal Fluminense, Rio de Janeiro, RJ - Brasil
A insuficiência cardíaca (IC) é uma doença complexa, onde diversos mecanismos fisiopatológicos atuam e diferentes polimorfismos genéticos estão envolvidos. O sistema adrenérgico está diretamente relacionado a esta patologia participando da auto-regulação cardiovascular, tendo papel crucial na deteriorização da função cardíaca. Os beta-bloqueadores surgiram como um grande avanço da cardiologia no tratamento da IC, no entanto a resposta medicamentosa varia para cada paciente podendo estar relacionado a diversos fatores, entre eles o genético. A determinação pela genética do desenvolvimento da IC, da resposta medicamentosa e prognóstico são questões que serão abrangidas nesta revisão.
Atualmente, o tratamento clínico para a insuficiência cardíaca (IC) conta com inúmeras medicações, sendo os beta-bloqueadores recomendados para todos os estágios da IC. No entanto, há grande variabilidade em relação à resposta ao tratamento, com a taxa de sobrevida podendo variar de menos de um ano a mais de 10 anos.
Apesar da redução da mortalidade, uma parcela significativa dos pacientes nos ensaios clínicos, não se beneficia do tratamento com o beta-bloqueador. Por outro lado, 10 a 15% dos pacientes apresentam efeitos colaterais impedindo sua utilização.
A medicina personalizada se baseia na identificação das variações genéticas que podem prever o desenvolvimento, a evolução da doença e a resposta aos medicamentos (eficácia/segurança). Estas variações genéticas representam as primeiras bases genéticas para determinação do diagnóstico, prognóstico e da estratégia terapêutica guiada pela farmacogenética na IC.
Os recentes avanços da biologia molecular têm facilitado a incorporação na prática clínica de testes que avaliam os polimorfismos na área cardiovascular. Um dos exemplos é o warfarin, com a aprovação do FDA na utilização de teste laboratorial rápido para a detecção dos polimorfismos CYP2C9 e VKORC1, no intuito de guiar a estratégia de anticoagulação oral1. Recentemente, também houve a aprovação do uso do bucindolol na IC em conjunto do teste genético para avaliação do polimorfismo Arg389Gly, o qual determinará os respondedores a este tipo de beta-bloqueador.
O objetivo desta revisão é apresentar as principais evidências científicas do papel dos polimorfismos dos receptores adrenérgicos na patogênese, progressão e resposta aos beta-bloqueadores na IC.
Estudos sobre o sistema adrenérgico vêm fortalecendo a hipótese de que variantes genéticas dos adrenoreceptores centrais ou periféricos têm um papel na fisiologia de doenças cardiovasculares como hipertensão arterial e insuficiência cardíaca2.
A família de receptores beta-adrenérgicos (β1, β2 e β3) é altamente polimórfica. Recentemente vários polimorfismos funcionalmente relevantes dos receptores α2, β1 e β2 ADR, e os seus genótipos específicos foram associados com incidência e severidade clínica de insuficiência cardíaca.
Sete comuns polimorfismos genéticos existem para os receptores adrenérgicos (dois para beta-1 e três para beta-2, um para beta 3 e um para alfa 2c), os quais serão discutidos a seguir no envolvimento na patogênese, na resposta terapêutica e no prognóstico na IC (
O gene do receptor beta-1 adrenérgico está localizado no cromossomo10q 24-26. Esse gene possui uma sequência de códons que codifica uma proteína com 477 aminoácidos intercalada por uma região não traduzida contendo 86 pares de base na extremidade 5' e uma região não traduzida contendo 900 pares de base na extremidade 3'.
Foram descritos doze polimorfismos do tipo SNP (troca de um único par de base) para o gene de beta-1, dentre os quais oito acarretam mudança de aminoácidos no receptor. Dois desses oito SNPs são os mais comuns e até hoje os mais descritos na literatura.
A posição 1.165 do gene pode ser ocupada por uma citosina, mais frequentemente, ou por uma guanina; alternando o aminoácido da posição 389 da proteína, na extremidade carboxila terminal entre arginina (Arg) e glicina (Gly), respectivamente. Já a posição 145 do gene é mais frequentemente ocupada por uma adenina ou em menor frequência por uma guanina; alterando o aminoácido da posição 49 da proteína, na extremidade amino terminal, entre serina (Ser) e glicina (Gly), respectivamente (
Entre os outros SNPs descritos para o receptor beta-1 adrenérgico podemos citar: Ala59Ser, Arg318Ser, Lys324Arg, Ala343Thr, Glu352Asp, Arg399Cys, Arg400Leu, His402Arg, Thr404Ala e Pro418Ala, contudo tais polimorfismos são raros (frequência de 1 a 2%) e não há muitos estudos acerca dos mesmos7,8.
O aminoácido da posição 389 do receptor beta-1 adrenérgico está localizado próximo ao sétimo domínio transmembrana, na cauda intracitoplasmática e é um suposto domínio de ligação da proteína Gs.6
Quando esse polimorfismo foi clonado pela primeira vez, o alelo presente era o Gly389 e por isso esse alelo foi durante muito tempo considerado o selvagem, apesar de ser menos frequente9. O alelo Arg389 é altamente conservado entre as espécies, o que sugere que ele é o alelo ancestral7.
A prevalência alélica é de aproximadamente 70% para beta 1 Arg389 e de 30% para beta 1 Gly38910. A frequência do alelo Gly em caucasianos e asiáticos é de 27% enquanto em afro-americanos é de 42%11. O conhecimento da frequência dos polimorfismos nas diferentes etnias é relevante, pois genótipos diferentes estão relacionados à susceptibilidade, resposta à terapia e prognóstico distintos em doenças cardíacas, conforme demonstrado por diversos estudos.
Na extremidade amino terminal do receptor beta 1 adrenérgico, no domínio extracitoplasmático, encontra-se o aminoácido da posição 49. A mudança do aminoácido nessa posição pode alterar a conformação das porções transmembrana e intracitoplasmática da proteína. Além disso, tem função nos processos de sinalização por catecolaminas e
O polimorfismo Ser49Gly está em desequilíbrio de linkage com o Arg389Gly em caucasianos e afro-americanos e todos os homozigotos para Gly389 são também homozigotos para Ser49 (
Não há diferença estatisticamente significativa na prevalência do alelo Gly49 entre caucasianos e asiáticos, sendo essa frequência de 15% em ambos. Já entre afro-americanos, dois grupos encontraram frequências genotípicas diferentes. Moore e cols.13 encontraram uma frequência de 13% do alelo Gly49, enquanto Johnson e Terra encontraram uma frequência de 29% para o mesmo alelo11,13.
Experimentos
Experimentos realizados em ratos revelaram que a variante Arg se relaciona a uma maior e melhor sinalização em estágios agudos, mas que cronicamente torna-se reduzida, com menor capacidade de ligação do receptor. Esses mesmos estudos demonstraram que essa variante está relacionada a uma melhora da atividade hemodinâmica e da função ventricular em resposta ao beta-bloqueio, o que evidencia a importância de tais estudos para o desenvolvimento de terapias mais eficazes e personalizadas15.
O significado funcional dessa troca de aminoácidos está principalmente no controle da dessensibilização do receptor beta 1 adrenérgico. A variante Ser 49 é relativamente mais resistente a
No entanto, verificou-se que o polimorfismo na posição 49 não parece ter efeito na sinalização pelo ligante, no acoplamento à proteína G ou na internalização promovida pela exposição ao agonista. Na verdade, apesar da taxa de internalização de ambos os receptores ser igual, há 25% mais degradação do receptor Gly49, favorecendo a
Enquanto para o polimorfismo da posição 389 há um consenso quanto à influência que tal polimorfismo exerce na ativação da adenil ciclase, o mesmo não se pode dizer do polimorfismo Ser49Gly. Rathz e cols.12 não encontraram em seus experimentos diferenças nos níveis de ativação da enzima adenil ciclase entre as variantes. No entanto, Levin e cols.16 demonstraram que, quando a densidade de receptores estava dez vezes aumentada, as células que expressavam Gly49 tinham uma atividade basal e agonista-dependente aumentada para a adenil ciclase. Além disso, Gly49 era mais sensível aos antagonistas como o metoprolol e apresentavam afinidade aumentada para os agonistas16,17.
Tendo em vista as alterações que as variações genéticas dos receptores beta podem causar na função do sistema adrenérgico e seu impacto na predisposição a enfermidades e na resposta terapêutica, esses polimorfismos tem sido relacionados à propensão, evolução e desfecho de diversas doenças cardíacas, entre elas a insuficiência cardíaca.
Conforme descrito anteriormente, o alelo Arg389 tem uma maior atividade estimulatória sobre o sistema simpático enquanto o alelo Gly389 apresenta aumento do
Quando comparados os alelos Gly e Arg na posição 389 com a capacidade de realização de exercício físico na IC, os portadores do alelo Gly obtiveram uma menor performance, apesar do mesmo aumento de frequência cardíaca e pressão arterial ao esforço máximo2. Wagoner e cols.18, avaliaram 263 pacientes com cardiopatia dilatada e demonstraram que homozigotos Arg389 tinham pico de VO2 significativamente maior. Isto sugere que a detecção precoce dos polimorfismos pode determinar aqueles com menor capacidade física e, portanto direcionar programas de exercício individualizados18.
Já para o polimorfismo Ser49Gly, a população da amostra não foi controlada para este códon isoladamente. Entretanto, percebeu-se que tal polimorfismo pode modular a responsividade funcional do códon 389. Dessa forma, verifica-se que a análise do haplótipo também deve ser realizada e talvez seja mais importante que o estudo dos SNP isoladamente17. Em pacientes com IC, o haplótipo Ser49/Gly389 apresentou menores picos de VO2, enquanto os pacientes Gly49/Arg389 possuíam melhor pico de VO22.
Nos últimos 10 anos, os beta-bloqueadores (metoprolol, bisoprolol e carvedilol) têm sido associados à significativa redução em todas as causas de mortalidade e hospitalização em pacientes com IC, sendo recomendado nas diretrizes como terapia padrão. No entanto, como demonstrado no MERIT-HF houve redução de mortalidade de apenas 34% dos pacientes em uso de metoprolol quando comparados com placebo19. Tal fato foi determinante para justificar os estudos com os polimorfismos no intuito de identificar pacientes respondedores a esta terapêutica, levando em conta as variações inter-individuais.
Terra e cols., avaliaram 61 pacientes com disfunção sistólica e fração de ejeção (FE) < 40%, titulando a dose de metoprolol até 200 mg/d ou dose máxima tolerada e no seguimento ecocardiográfico após três meses do uso da medicação, observaram que os pacientes homozigotos Arg389Arg obtiveram melhora da FE, com redução dos diâmetros cavitários em sístole e em diástole, em comparação com os portadores do alelo Gly20,21.
O estudo BEST avaliou o uso do beta bloqueador não-seletivo (buncidolol) para tratamento da IC classe III/IV. Um sub-estudo BEST-Genetic analisou o impacto do polimorfismo do beta 1 adrenérgico no tratamento com o beta-bloqueador e foi notado uma melhora considerável na sobrevida e redução da hospitalização em pacientes homozigotos Arg389Arg, em contraste com os portadores do alelo Gly3.
No entanto, em um subestudo do MERIT-HF com 600 pacientes os resultados não confirmaram que as diferentes respostas ao uso de beta-bloqueador estavam relacionadas a estes polimorfismos22.
Terra e cols.20,21 observaram que os portadores de Gly49 obtiveram melhora significativa do grau de remodelamento ventricular esquerdo após tratamento com metoprolol quando comparados com homozigotos Ser49Ser. Além disso, revelou que o genótipo Arg389Arg não afeta a tolerância do metoprolol na fase inicial de titulação, enquanto que pacientes portadores do alelo Gly389 assim como homozigotos Ser49 apresentaram maiores taxas de descompensação indicadas pela necessidade de aumento concomitante de outras medicações para IC20,21.
Börjesson e cols.23, avaliaram 184 pacientes tratados por longa data com beta-bloqueadores e encontraram que os portadores de 1 ou 2 alelos Gly49 tinham melhora mais acentuada na sobrevida em 5 anos do que pacientes homozigotos Ser49Ser, os quais possuíam maior probabilidade de apresentarem desfechos: hospitalização, transplante cardíaco e morte.
Em estudo prospectivo com 375 pacientes com IC, Magnusson e cols.24 demonstraram que a influência do códon 49 no prognóstico e tratamento com beta-bloqueadores é mais pronunciada do que no códon 389. Então, pacientes portadores de 1 ou 2 alelos Gly49 tratados com baixas doses de beta-bloqueador tiveram menor taxa de mortalidade do que pacientes homozigotos Ser49.
Estudos com o polimorfismo Arg389Gly não evidenciaram associação com a taxa de sobrevida15. Entretanto, isto acontece quando há o desequilíbrio de linkage entre os códons 49 e 389. Pacientes portadores da variante Gly49 quase sempre carregam Arg no códon 389, enquanto os portadores Ser49 podem ter Arg ou Gly no códon 389.
A
O receptor beta-2 adrenérgico é codificado por um gene destituído de íntrons e localizado no cromossomo 5q31-32. Até o momento, foram descritos 12 polimorfismos SNPs para o gene do receptor beta-2. Destes, 5 (Arg16Gly, Gln27Glu, Trh164Ile, Val34Met e Ser220Cys) ocasionam alterações em aminoácidos do receptor e apresentam importância funcional (
A substituição do nucleotídeo adenina pelo nucleotídeo guanina, na posição 46 do gene de beta 2, determina a substituição do aminoácido arginina (Arg) pelo aminoácido glicina (Gly) no códon 16. No início das investigações sobre o polimorfismo Arg16Gly, atribuía-se a arginina ser o alelo mais frequente na população (alelo selvagem). Entretanto, estudos posteriores demonstraram que o aminoácido glicina era, na verdade, o alelo mais frequente (Arg/Gly, frequência alélica 0,40/0,60). Contudo, por ter sido descrito inicialmente dessa forma, o alelo arginina permaneceu com a denominação selvagem e o alelo glicina continuou sendo denominado alelo mutante2.
Na posição 79 do gene do receptor beta 2 adrenérgico, a alteração do nucleotídeo citosina pelo nucleotídeo guanina resulta em substituição do aminoácido glutamina pelo ácido glutâmico no códon 27. O alelo glutamina, por ser encontrado de forma mais frequente na população, é designado alelo selvagem. O ácido glutâmico, por ser o menos frequente, é denominado mutante (Gln/Glu, frequência alélica 0,55/0,45)2.
A presença de diferente nucleotídeo na posição 491 do gene irá determinar a presença de diferente aminoácido no códon 164 (Trh164Ile)17.
Sabe-se hoje que há um notável desequilíbrio de linkage entre os códons 16 e 27, de modo que os indivíduos homozigotos Glu27Glu quase sempre apresentam o aminoácido glicina em homozigose no códon 16 (Gly16Gly). Os indivíduos homozigotos Gln27Gln podem ser homozigotos (Arg16Arg ou Gly16Gly) ou heterozigotos (Arg16Gly) para o códon 16. O haplótipo Arg16Glu27 é encontrado em menos de 1% da população sendo, portanto, muito raro11.
A frequência dos alelos envolvidos nos polimorfismos dos receptores beta 2 varia entre os diferentes grupos étnicos. Em afro-americanos, a frequência do alelo Arg16 é 49%, enquanto que em brancos e asiáticos a frequência desse mesmo alelo é 46% e 59%, respectivamente. No que diz respeito ao alelo Glu27, sua frequência alélica é de 20% entre indivíduos afro-americanos. Em brancos e asiáticos, a frequência do Glu27 é de 35% e 7%, respectivamente.
A frequência do Ile164 em caucasianos e negros é 2 a 4%, em asiáticos 0 a 1% e em latinos 3%25,26.
Está bem estabelecido que os polimorfismos nos códons 16 e 27 não alteram a capacidade de ligação das catecolaminas ao receptor beta 2 e nem a atividade da adenil ciclase. Porém, estudos demonstram que estes polimorfismos estão fortemente relacionados à susceptibilidade desses receptores ao fenômeno de
Estudos
In vivo, três haplótipos foram estudados (Arg16Gln27Thr164, Gly16Glu27Thr164 e Gly16Gln27Thr164). Após duas semanas de tratamento com isoprenalina via oral, o haplótipo Gly16Glu27Thr164 foi o que apresentou menor dessensibilização29,30. Em outros estudos, um tratamento intravenoso com isoprenalina resultou em maior dessensibilização do haplótipo Arg16Gln27Thr16431,32.
Esses resultados, que apontam menor resistência do Arg16 ao
Muitos estudos investigaram uma possível associação entre insuficiência cardíaca e os polimorfismos dos receptores beta 2 adrenérgicos, e diferentes resultados foram descritos na literatura. Sabe-se que a proporção entre receptores beta 1 e beta 2 é de 80 para 20 em corações sadios. No entanto, na IC, essa proporção é de 60 para 40, o que indica que o polimorfismo de beta 2 pode modificar a progressão da doença11.
Heckbert e cols.34 realizaram estudos em uma amostra com mais de 5.000 idosos em busca de uma possível relação entre os polimorfismos Arg16Gly e Gln27Glu e o risco de desenvolvimento de doenças cardiovasculares. Seus resultados sugerem que os portadores do alelo Glu27 têm um menor risco de desenvolver eventos coronarianos que os pacientes portadores do alelo Gln27 em homozigose.
Forleo e cols.35, em seus estudos, concluíram que pacientes Gly16Glu27 com miocardiopatia dilatada apresentavam maior risco de desenvolver insuficiência cardíaca do que pacientes Gly16Gln2717,35.Entretanto, assim como para o polimorfismo de beta 1, parece não haver diferença significativa entre a frequência dos alelos do receptor beta 2 em pacientes com e sem IC, o que indica que esse polimorfismo não deve estar associado à susceptibilidade para essa doença.
Covolo e cols.36 não encontraram diferenças significativas na distribuição dos diferentes alelos entre pacientes com IC e o grupo controle17,36.
Dois estudos demonstram que a frequência do polimorfismo Ile164 é semelhante em pacientes saudáveis e pacientes com IC, assim concluíram que esse polimorfismo também não é um fator de risco para IC37,38.
Alguns estudos verificaram a relação dos diferentes polimorfismos do receptor beta 2 com a capacidade de realizar exercício.
Wagoner e cols.18, após determinarem o genótipo de 230 pacientes ambulatoriais com IC, submeteram estes pacientes a testes de capacidade cardiopulmonar. Os resultados demonstraram que os homozigotos Gly16 apresentaram piores picos de VO2, quando comparados aos homozigotos Arg16. Além disso, ao avaliar os genótipos das posições 16 e 27 de forma simultânea, os homozigotos Gly16Gln27 foram os que apresentaram piores performances, sendo as melhores relacionadas aos homozigotos para Arg16Glu279.
Já os pacientes com IC e Thr164Ile apresentavam menor pico de VO2 (15,0 ± 0,9 ml·kg-1·min-1) que os pacientes Thr164Thr (17,9 ± 0,9 ml·kg-1·min-1, p < 0,0001) O percentual do pico de O2 atingido também foi menor em pacientes Ile164Thr (62,3 ± 4,5%
Os testes de exercício com medições por cateter de Swan Ganz demonstraram menor variação no índice cardíaco, resistência vascular sistêmica, volume sistólico e O2 em pacientes Ile164.
No que diz respeito à resposta a medicamentos, estudos mostraram que o Arg16 e o Glu27, quando em homozigose, promovem maior vasodilatação em resposta a agonistas adrenérgicos. Por outro lado, estudos in vivo demonstraram que as combinações dos alelos Arg16 e Gln27 exibiram maior dessensibilização mediada pelo agonista durante a resposta vasodilatadora11.
Estudos realizados por Kayne e cols.39, envolvendo pacientes com IC tratados com beta-bloqueadores, indicaram que o risco de morte ou transplante cardíaco era significativamente maior naqueles que possuíam haplótipo Arg16Gln27. Ao se analisar o polimorfismo Gln27 de forma isolada, pacientes homozigotos para este alelo manifestaram pouca melhora da função cardíaca mediante administração de carvedilol, quando comparados com pacientes portadores do alelo Glu27. Esses resultados foram confirmados por Metra e cols., na ocasião, os pacientes com IC crônica foram tratados por mais de um ano com carvedilol, e foi constatado que a fração de ejeção do ventrículo esquerdo em homozigotos Glu27 foi muito maior do que em homozigotos Gln27. Não foi obtida significância estatística para estudos que tentaram correlacionar a resposta ao carvedilol e o polimorfismo Arg16Gly de forma isolada. Entretanto, devido ao desequilíbrio de linkage, pacientes homozigotos para Glu27, que apresentam melhor resposta ao carvedilol, quase sempre são portadores do alelo Gly16 em homozigose17,39,40.
De Groote e cols.41 em seus experimentos observaram para pacientes com o haplótipo Gly16Gln27 uma tendência à menor sobrevida quando comparada com pacientes com os dois outros haplótipos, demonstrando, mais uma vez, que a análise dos SNPs isoladamente pode não ser suficiente para caracterizar a evolução da doença e que talvez mais estudos sejam necessários antes que se possa estabelecer uma relação entre o polimorfismo do beta 2 e o prognóstico na IC41.
Em estudo recente, pacientes homozigotos para o haplótipo Arg16Gln27 tiveram alto risco de mortalidade, enquanto aqueles homozigotos para o haplótipo Gly16Glu27 tinham este risco reduzido. Dados similares foram recentemente publicados por Shin e cols.42 que encontraram em 227 pacientes portadores de IC crônica tratados com beta-bloqueadores que os homozigotos para o haplótipo Arg16Gln27 tinham
Apesar dos vários estudos feitos sobre o polimorfismo Thr164Ile, ainda não se sabe seu papel no prognóstico da IC. Liggett e cols. fizeram um estudo com 256 pacientes analisando a sobrevida dos pacientes em um ano. Os pacientes Thr164Ile tiveram sobrevida de 42% enquanto os pacientes Thr164Thr tiveram sobrevida de 76%. No entanto três estudos subsequentes não foram capazes de demonstrar tal associação35,41,43.
Forleo e cols.35 analisaram 171 pacientes com miocardiopatia dilatada e não encontraram diferença no risco de evolução da IC (definida como necessidade de hospitalização, transplante cardíaco ou morte) e este polimorfismo35.
De Groote e cols.44 analisaram 444 pacientes com IC e Barbato e cols.43 analisaram 31 pacientes com IC e não encontraram relação entre o polimorfismo Thr164Ile e a sobrevida dos pacientes em 3,5 anos e 2 anos respectivamente. No entanto, o estudo de Barbato e cols. demonstrou uma piora mais rápida da IC (aumento do uso de diuréticos ou necessidade de hospitalização) nos pacientes Ile164 do que nos Thr16441,44.
A
O gene do receptor beta 3 adrenérgico está localizado no cromossomo 8p11.1-8p12 e é primariamente expresso em tecido adiposo branco e marrom2.
O polimorfismo mais comum deste receptor está localizado no códon 64, onde há uma substituição do triptofano pela arginina (Trp64Arg), no início da primeira alça intracelular28.
A presença e função do beta-3 adrenérgico no coração humano ainda é motivo de debates. Alguns estudos tentaram, sem sucesso, estabelecer uma relação entre a hipertensão arterial, a doença coronariana e o polimorfismo deste receptor. No entanto, os estudos atuais estão mais direcionados na confirmação da associação do polimorfismo Trp64Arg com a obesidade, resistência insulínica e diabete melito em estágio inicial.
Polimorfismo do Receptor alfa 2c adrenérgico e beta1 adrenérgico
O receptor alfa 2c adrenérgico é um receptor pós-sináptico que previne a liberação de noradrenalina na terminação simpática e a deleção de quatro aminoácidos consecutivos (Del322-325) ocasiona uma variante neste receptor que é hipofuncionante e está associada a altos níveis de noradrenalina.
Small e cols.45 demonstraram em uma amostra de 84 pacientes negros, que aqueles homozigotos para deleção (322-325) no gene do receptor alfa 2c tinham cinco vezes mais risco de desenvolver IC quando comparado ao grupo que não tinha este genótipo.
Assim como a genômica, transcriptômica e proteômica, a metabolômica está abrindo novos horizontes na análise mais completa do indivíduo. A metabolômica é considerada a ligação entre o genótipo e o fenótipo.
Com a análise global dos metabólitos é possível ter uma visão detalhada do fenótipo, levando à rapidez de diagnósticos, do desenvolvimento de novos produtos farmacológicos e da identificação de efeito colaterais de novas drogas e entre outros fatores.
De modo geral, acredita-se que o uso de técnicas de biologia molecular, associado aos critérios morfológicos e clínico-laboratoriais convencionais, deverão permitir o diagnóstico mais preciso e, consequentemente, o entendimento mais aprofundado da fisiopatologia das doenças cardíacas.
É o profundo conhecimento do processo de desenvolvimento de uma doença e da influência de fatores individuais que deverão pavimentar os caminhos para uma medicina personalizada e individual e a aplicação de regimes terapêuticos diferenciados.
Agradecemos a toda equipe do projeto GENETIC/UFF, em especial à Professora Georgina Severo Ribeiro pelo incentivo e incansável trabalho, assim como ao apoio financeiro da FAPERJ/DECIT-MS a este projeto de genética molecular aplicada ao SUS.
Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.
O presente estudo foi parcialmente financiado por FAPERJ/DECIT.
Este artigo é parte de dissertação de Mestrado de Sabrina Bernadez Pereira pela Universidade Federal Fluminense.
Sabrina Bernardez Pereira Rua Professor Otacílio, 94/601 - Santa Rosa 24240-670 - Niterói, RJ - Brasil E-mail:
Artigo recebido em 31/12/2008; revisado recebido em 06/05/2009; aceito em 19/08/09.
Universidade Federal Fluminense, Rio de Janeiro, RJ - Brazil
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Heart failure (HF) is a complex disease, which involves several physiopathological mechanisms and different genetic polymorphisms. The adrenergic system is directly related to this pathology, as it participates in cardiovascular autoregulation and has a crucial role in the deterioration of cardiac function. The beta-blockers appeared as a great advance in cardiology for the treatment of HF; however, the drug response varies according to each patient, as several factors are associated, such as the genetic one. This review aims at assessing the genetic involvement in the development of HF, the drug response and the prognosis.
Currently, the clinical treatment for heart failure (HF) has a wide range of available drugs and beta-blockers are recommended for all stages of HF. However, there is great variability regarding response to treatment, with a survival rate that can vary from less than a year to more than 10 years.
In spite of the decrease in mortality, a significant number of patients from clinical trials do not benefit from the treatment with beta-blocker and 10% to 15% of the patients present adverse effects, which prevents their use.
The customized medicine is based on the identification of genetic variations that can predict the disease development and evolution and drug response (efficacy/safety). These variations represent the first genetic bases to determine the diagnosis, prognosis and therapeutic strategy guided by pharmacogenetics in HF.
The recent advances in molecular biology have facilitated the inclusion into clinical practice of tests that evaluate the polymorphisms in the cardiovascular area. One example is warfarin, with the approval by the Food and Drug Administration (FDA) of the rapid laboratory test to detect the CYP2C9 and VKORC1 polymorphisms, with the objective of guiding the strategy of oral anticoagulation1. Recently, the use of bucindolol in HF was approved in genetic testing to evaluate the Arg389Gly polymorphism, which will identify the individuals who will respond to this type of beta-blocker.
The objective of this review is to present the main scientific evidence of the role of polymorphisms of adrenergic receptors in the pathogenesis and progression of beta-blockers in HF and in their response to them.
Studies on the adrenergic system have supported the hypothesis that genetic variants of the central or peripheral adrenoreceptors have a role in the physiology of cardiovascular diseases, such as arterial hypertension and heart failure2.
The family of beta-adrenergic receptors (β1, β2 and β3) is highly polymorphic. Recently, several functionally relevant polymorphisms of α2, β1 and β2 ADR receptors, and their specific genotypes were associated with the incidence and clinical severity of heart failure.
There are seven common polymorphisms for the adrenergic receptors (two for beta-1 and three for beta-2, one for beta-3 and one for alpha-2c), which will be analyzed regarding their involvement in the pathogenesis, therapeutic response and prognosis of HF (
The beta-1 adrenergic receptor gene is located at chromosome 10q 24-26. This gene has a codon sequence that codifies a protein with 477 amino acids intercalated by an untranslated region containing 86 base pairs in the extremity 5' and an untranslated region containing 900 base pairs in extremity 3'.
Eleven single-nucleotide polymorphisms (SNPs) have been described for the beta-1 gene, of which 8 result in amino acid change in the receptor. Two of these SNPs are the most common ones and are to date the most often described SNPs in literature.
The position 1165 of the gene can be occupied, more frequently, by a cytosine or by a guanine, alternating the amino acid at position 389 of the protein, in the carboxy-terminal extremity between Arginine (Arg) and Glycine (Gly), respectively. As for the position 145 of the gene, it is more frequently occupied by an adenine, or, less frequently, by a guanine, altering the amino acid at position 49 of the protein, in the amino-terminal extremity, between serine (Ser) and Glycine (Gly), respectively (
Among the other SNPs described for the beta-1 adrenergic receptor, are: Ala59Ser, Arg318Ser, Lys324Arg, Ala343Thr, Glu352Asp, Arg399Cys, Arg400Leu, His402Arg, Thr404Ala and Pro418Ala. However, these polymorphisms are rare (frequency of 1% to 2%), and there are not many studies about them7,8.
The amino acid at position 389 of the beta-1 adrenergic receptor is located close to the seventh transmembrane domain, in the intracytoplasmic tail and it is supposed to be a Gs-protein binding domain6.
When this polymorphism was cloned for the first time, the allele present was Gly389, and, therefore, this allele was considered to be the wild-type allele for a long time, although it was less frequent9. The Arg389 allele is highly conserved among species, which suggests that it is the ancestral allele7.
The allelic prevalence is of approximately 70% for beta-1 Arg389 and 30% for beta-1 Gly38910. The frequency of the Gly allele in Caucasians and Asians is 27%, whereas the frequency in African-Americans is of 42%11. The knowledge of the frequency of polymorphisms in different ethnic groups is relevant, as different genotypes are related to susceptibility, response to therapy and distinct prognosis in cardiac diseases, as demonstrated by several studies.
At the amino terminal extremity of the beta-1 adrenergic receptor, in the extra-cytoplasmic domain, is the amino acid at position 49. The change in the amino acid at this position can alter the conformation of the transmembrane and intracytoplasmic portions of the protein. Moreover, it has a role in the catecholamine signaling and down-regulation of this receptor2,12.
The Ser49Gly polymorphism is in linkage disequilibrium with Arg389Gly in Caucasians and African-Americans and all homozygotes for Gly389 are also homozygotes for Ser49 (
There is no statistically significant difference regarding the prevalence of the Gly49 allele in Caucasians and Asians and this frequency is 15% in both populations. Among African-Americans, different genotypic frequencies were identified by two groups. Johnson and Terra found a frequency of 29% for the Gly49 allele, whereas Moore et al13 observed a frequency of 13% of the same allele11,13.
Experiments carried out in rats have shown that the Arg variant is related to a higher and better signaling in acute stages, but it becomes decreased chronically, with lower receptor-binding capacity. These same studies demonstrated that this variant is related to an improvement in the hemodynamic activity and ventricular function in response to beta-blocking, which demonstrates the importance of such studies for the development of more effective and personalized therapies15.
The functional meaning of this amino acid change is mainly in the control of the beta-1 adrenergic receptor desensitization. The Ser49 variant is relatively more resistant to down-regulation than the Gly49, as it is more glycosylated, presenting higher levels of expression, particularly in diseases where the sympathetic activation is increased. As demonstrated by prior studies of G-protein binding receptors, the level of the protein N-glycosylation influences the desensitization, at the prolonged exposure to agonist as well as at the short exposure11.
It was verified, however, that the polymorphism at position 49 does not seem to have an effect on ligand binding, G-protein binding or internalization promoted by the exposure to agonist. Actually, although the rate of internalization of both receptors is the same, there is 25% more degradation of the Gly49 receptor, favoring the down-regulation11.
Although there is a consensus regarding the polymorphism at position 389 regarding its influence in the adenylyl cyclase activation, the same cannot be said of polymorphism Ser49Gly. Rathz et al12 did not find, in their experiments, differences in the levels of activation of the adenylyl cyclase enzyme among the variants. However, Levin et al16 demonstrated that, when the density of the receptors was increased 10-fold, the cells that expressed Gly49 had an increased basal and agonist-dependent activity for the adenylyl cyclase. Additionally, Gly49 was more sensitive to the antagonists such as metoprolol and presented increased affinity for the agonists16,17.
Considering the alterations that genetic variations of beta receptors can cause in the adrenergic system function and their impact on the predisposition to diseases and the therapeutic response, these polymorphisms have been related to the propensity to, evolution and outcome of several cardiac diseases and among them, heart failure (HF).
As described before, the Arg389 allele has a higher stimulating effect on the sympathetic system, whereas the Gly389 allele presents an increase of the down-regulation as a protective effect to the increased sympathetic activity in HF. Therefore, several studies have been developed to verify whether there is a correlation between the beta-1 polymorphisms and susceptibility to HF. In most studies, no statistically significant differences were found regarding the isolated frequencies of the Arg389 and Gly389 alleles in patients with HF, when compared to controls.
When the Gly and Arg alleles are compared at position 389 with the capacity to perform physical exercises in HF, those carrying the Gly allele presented a better performance, although there was a similar increase in heart rate and blood pressure at maximum exertion2. Wagoner et al18 evaluated 263 patients with dilated cardiomyopathy and demonstrated that individuals homozygous for Arg389 had a significantly higher VO2 peak. That suggests that the early detection of polymorphisms can identify those with lower physical capacity, and thus, direct individualized exercise programs18.
As for the Ser49Gly polymorphism, the sample population was not controlled for this codon alone. However, it was observed that this polymorphism can modulate the functional responsiveness of codon 389. Therefore, it is verified that the analysis of the haplotype must also be carried out and perhaps, it might be more important than the study of the SNPs alone17. In patients with HF, the Ser49/Gly389 haplotype presented lower VO2 peaks, whereas patients carrying Gly49/Arg389 presented better VO22 peaks.
In the last ten years, beta-blockers (metoprolol, bisoprolol and carvedilol) have been associated with a significant decrease in all causes of mortality and hospitalization of patients with HF, being recommended by the guidelines as the standard therapy. However, as demonstrated in the Merit-HF, there was a decrease in mortality of only 34% of the patients using metoprolol, when compared to placebo19. Such fact was determinant to justify the studies with the polymorphisms with the objective of identifying patients that respond to such therapy, taking into account the interindividual variations.
Terra et al evaluated 61 patients with systolic dysfunction and ejection fraction (EF) < 40%, titrating the dose of metoprolol up to 200 mg/d or the maximum tolerated dose. At the echocardiographic follow-up, after three months of medication use, these authors observed that patients homozygous for Arg389Arg presented a better EF response, with decreased systolic and diastolic cavitary diameters, in comparison to those carrying the Gly allele20,21.
The BEST study evaluated the use of non-selective beta-blocker (bucindolol) for the treatment of HF-functional class III-IV. The BEST-Genetic sub-study analyzed the impact of the beta-1 adrenergic polymorphism on the treatment with beta-blocker and verified a considerable improvement in survival and decrease hospitalization rate in patients homozygous for Arg389Arg, in contrast to those carrying the Gly allele3.
However, the results of the sub-study of the Merit-HF study with 600 patients did not confirm that the different responses to the beta-blocker use were associated with these polymorphisms22.
Terra et al20,21 observed that those carrying Gly49 presented a significant improvement in the degree of left ventricular remodeling after treatment with metoprolol, when compared to individuals homozygous for Ser49Ser. Moreover, these authors verified that the Arg389Arg genotype does not affect the tolerance to metoprolol at the initial phase of the titration, whereas patients carrying the Gly389 allele and homozygous for Ser49 presented higher levels of decompensation, indicated by the concomitant increase of other medications for HF20,21.
Börjesson et al23, evaluated 184 patients treated for long periods with beta-blockers and verified that those carrying 1 or 2 Gly49 alleles presented better improvement in 5-survival than those homozygous for Ser49Ser, who had a higher probability of presenting the following outcomes: hospitalization, heart transplant and death.
In a prospective study with 375 patients with HF, Magnusson et al24 demonstrated that the influence of codon 49 on the prognosis and treatment with beta-blockers is more pronounced than that of codon 389. Thus, patients carrying 1 or 2 Gly49 alleles treated with low-dose beta-blocker presented a lower rate of mortality than patients homozygous for Ser49.
Studies with the Arg389Gly polymorphism did not show an association with the survival rate15. However, that occurs when there is linkage disequilibrium between codons 49 and 389. Patients carrying the Gly49 variant almost always carry Arg in codon 389, whereas those carrying Ser49 might carry Arg or Gly in codon 389.
The adrenergic beta-2 receptor is codified by a gene without introns and located in chromosome 5q31-32. To date, 12 SNPs (single-nucleotide polymorphisms) have been described for the beta-2 receptor gene. Of these, 5 (Arg16Gly, Gln27Glu, Trh164Ile, Val34Met and Ser220Cys) cause alterations in the receptor amino acids and have functional significance (
The substitution of cytosine by guanine in position 46 of the beta-2 gene determines the substitution of Arginine (Arg) by Glycine (Gly) in codon 16.
At the start of the investigations on the Arg16Gly polymorphism, it was believed that Arginine was the most frequent allele in the population (wild-type allele). However, subsequent studies demonstrated that Glycine was actually the most frequent allele (Arg/Gly, allelic frequency 0.40/0.60). However, as it was originally described that way, the Arginine allele maintained the "wild-type" denomination and the Glycine allele maintained the "mutant" allele denomination2.
The substitution of the adenine nucleotide by the guanine nucleotide at position 79 of the beta-2 adrenergic receptor gene results in the substitution of the glutamine amino acid by glutamic acid in codon 27. The glutamine allele, as it is more frequently found in the population, is called the "wild-type" allele. The glutamic acid, as it is less frequently found in the population, is called the "mutant" allele (Gln/Glu, allelic frequency 0.55/0.45)2.
The presence of a different nucleotide at position 491 of the gene will determine the presence of a different amino acid in codon 164 (Trh164Ile)17.
It is currently known that there is a remarkable linkage disequilibrium between codons 16 and 27, so that individuals who are homozygous for Glu27Glu almost always present the Glycine amino acid in homozygosis in codon 16 (Gly16Gly). The homozygote Gln27Gln individuals can be homozygous (Arg16Arg or Gly16Gly) or heterozygous (Arg16Gly) for codon 16. The Arg16Glu27 haplotype is found in less than 1% of the population and, therefore, it is very rare11.
The frequency of the alleles involved in the beta-2 receptor polymorphisms varies among different ethnic groups. In African-Americans, the frequency of the Arg16 allele is 49%, whereas, in Caucasians and Asians, it is 46% and 59%, respectively. Regarding the Glu27 allele, the allelic frequency is 20% among African-American individuals. In Caucasians and Asians, the allelic frequency of Glu27 is 35% and 7%, respectively.
The frequency of Ile164 in Caucasians and African-Americans is 2% to 4%; in Asians, it is 0% to 1% and in Latin-Americans, 3%25,26.
It is well established that polymorphisms in codons 16 and 27 do not alter the binding capacity of catecholamines to beta-2 receptor and adenylyl cyclase activity. However, studies have demonstrated that these polymorphisms are strongly associated with the susceptibility of these receptors to the down-regulation phenomenon17.
These results, which indicate a lower resistance of Arg16 to the down-regulation phenomenon, are different from the
Many studies have investigated a possible association between heart failure and the beta-2 adrenergic receptor polymorphisms and different results have been described in the literature. It is known that the proportion between beta-1 and beta-2 receptors is 80:20 in healthy hearts. However, in HF, this proportion is 60:40, which indicates that the beta-2 polymorphism can modify the disease progression11.
Heckbert et al34 carried out studies in a sample with more than 5,000 elderly individuals aiming at finding a possible association between the Arg16Gly and Gln27Glu polymorphisms and the risk of developing cardiovascular diseases. The results suggest that the individuals carrying the Glu27 allele present a lower risk of developing coronary events than the patients carrying the Gln27 allele in homozygosis.
Forleo et al35, in their studies, concluded that Gly16Glu27 patients with dilated cardiomyopathy presented a higher risk of developing heart failure than Gly16Gln27 patients17,35.However, as for the beta-1 polymorphism, there does not seem to be a significant difference between the allelic frequency of beta-2 receptors in patients with and without HF, which indicates that this polymorphism must not be associated with susceptibility to this disease. Covolo et al36 did not find significant differences in the distribution of different alleles between patients with HF and controls17,36.
Two studies have demonstrated that the frequency of the Ile164 polymorphism is similar between healthy patients and those with HF and concluded that this polymorphism is not a risk factor for HF, either37,38.
Some studies have verified the association between the different polymorphisms of beta-2 receptor and the capacity to perform physical exercises.
Wagoner et al18, after determining the genotype of 230 outpatients with HF, submitted them to cardiopulmonary exercise tests. The results showed that the individuals homozygous for Gly16 presented worse VO2 peaks, when compared to individuals homozygous for Arg16. Moreover, when the genotypes of positions 16 and 27 were simultaneously evaluated, the Gly16Gln27 homozygotes were the ones that presented worse performance, with the best performance being associated with the individuals homozygous for Arg16Glu279.
As for the patients with HF and Thr164Ile, they had a lower VO2 peak (15.0 ± 0.9 ml·kg-1·min-1) than the ones presenting Thr164Thr (17.9 ± 0.9 ml·kg-1·min-1, p < 0.0001). The percentage of the reached O2 peak was also lower in patients with Ile164Thr (62.3 ± 4.5%
The exercise tests with Swan Ganz catheter measurements demonstrated lower variations in cardiac index, systemic vascular resistance, systolic volume and O2 in Ile164 patients.
Regarding the response to medications, studies have shown that Arg16 and Glu27, when in homozygosis, promote a higher degree of vasodilation in response to adrenergic agonists. In turn,
Studies carried out by Kayne et al39 that assessed patients with HF treated with beta-blockers indicated that the risk of death of heart transplant was significantly higher in individuals that carried the Arg16Gln27 haplotype. When the Gln27 polymorphism was analyzed alone, patients that were homozygous for this allele showed little improvement in cardiac function when they received carvedilol, when compared to those carrying the Glu27 allele. These results were confirmed by Metra et al. At the time, the patients with chronic HF were treated for more than one year with carvedilol and it was verified that the left ventricular ejection fraction (LVEF) in individuals that were homozygous for Glu27 was much higher than in individuals homozygous for Gln27. No statistical significance was observed in studies that tried to correlate the response to carvedilol and the Arg16Gly polymorphism alone. However, due to the linkage disequilibrium, patients homozygous for Glu27 that presented better response to carvedilol are almost always carriers of the Gly16 allele in homozygosis17,39,40.
De Groote et al41, in their experiments, observed in patients with the Gly16Gln27 haplotype a tendency to lower survival, when compared to patients with the two other haplotypes, demonstrating, once more, that the analysis of the SNPs alone might not be enough to characterize the disease evolution and that perhaps more studies are necessary before one can establish an association between beta-2 polymorphism and HF prognosis41.
In a recent study, patients homozygous for the Arg16Gln27 haplotype presented a high risk of mortality, whereas those homozygous for the Gly16Glu27 haplotype presented a decrease in this risk. Similar data have been recently published by Shin et al42 who verified, in 227 patients with chronic HF treated with beta-blockers, that the individuals homozygous for the Arg16Gln27 haplotype presented a hazard ratio for adverse events (defined by death or heart transplant) of 1.9117,42.
Despite the several studies carried out on the Thr164Ile polymorphism, its role in HF prognosis remains unknown. In a study with 256 patients, Liggett et al analyzed their survival over a one-year period. The Thr164Ile patients had a 42% survival, whereas the Thr164Thr patients presented a survival rate of 76%. However, three subsequent studies could not demonstrate such association35,41,43.
Forleo et al35 analyzed 171 patients with dilated myocardiopathy and did not find any difference regarding the risk of HF evolution (defined as the need for hospitalization, heart transplant or death) and this polymorphism35.
De Groote et al44 analyzed 444 patients with HF and Barbato et al43, 31 patients with HF. These authors did not find an association between the Thr164Ile polymorphism and patients' survival in 3.5 and 2 years, respectively. However, the by Barbato et al demonstrated a faster worsening in HF (increase in diuretics use or the need for hospitalization) in Ile164 patients than in Thr164 ones41,44.
The adrenergic beta-3 receptor gene is located in chromosome 8p11.1-8p12 and it is primarily expressed in white and brown adipose tissue2 .
The most common polymorphism of this receptor is located in codon 64, where is a substitution of tryptophan by Arginine (Trp64Arg), in the beginning of the first intracellular loop28.
The presence and function of the adrenergic beta-3 in the human heart are still debatable. Some studies have tried, without success, to establish an association between arterial hypertension, coronary disease and this receptor polymorphism. However, the current studies are more directed at the confirmation of the association between the Trp64Arg polymorphism with obesity, insulin resistance and early-stage diabetes mellitus.
The adrenergic alpha-2c receptor is a post-synaptic receptor that prevents the release of noradrenaline at the sympathetic terminal and the deletion of four consecutive amino acids (Del322-325) results in a variant of this receptor that is hypofunctional and is associated to high levels of noradrenaline.
Small et al45 demonstrated, in a sample of 84 Black patients, that individuals homozygous for the deletion (322-325) in the alpha-2c receptor gene had a 5-fold higher risk of developing HF when compared to the group that did not have this genotype.
As in genomics, transcriptomics and proteomics, metabolomics is opening new horizons for the more complete analysis of the individual. Metabolomics is considered the link between the genotype and the phenotype. With the global analysis of metabolites, one can have a detailed view of the phenotype, which expedites diagnoses, the development of new pharmacological products and the identification of side effects of new drugs.
In general, it is believed that the use of molecular biology techniques, associated to the conventional morphological and clinical-laboratory criteria will allow a more precise diagnosis and, consequently, a deeper understanding of the physiopathology of cardiac diseases.
The deep knowledge of the process of disease development and the influence of individual factors shall pave the way for a personalized and individual Medicine and for the use of differentiated therapeutic regimens.
We would like to thank the GENETIC/UFF project team, especially Professor Georgina Severo Ribeiro for their incentive and untiring work, as well as for the financial support of FAPERJ/DECIT-MS to this molecular genetics project applied to SUS.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
This study was partially funded by FAPERJ/DECIT.
This article is part of the thesis of master submitted by Sabrina Bernardez Pereira, from