La esclerosis lateral amiotrófica continúa siendo una
enfermedad refractaria, tanto en términos de patogénesis como de terapia. Su heterogeneidad
parece ser uno de los principales obstáculos en contra del desarrollo de
tratamientos eficaces apuntando, además, a la necesidad de desarrollar un
tratamiento médico adecuado a las características de cada paciente.
Los progresos en genética y biología celular han
dilucidado algunos supuestos mecanismos patogénicos clave, abriendo una ventana
a la esperanza futura de tratamientos que modifiquen el curso de la enfermedad.
El espectro del conocimiento de las causas genéticas de la ELA se enriquece rápidamente
y, en el año 2015, diversos genes nuevos, como el CHCHD10, NEK1 y el TBK1 han
aparecido en escena. EL TBK1 parece ser de particular interés, tanto si
consideramos el nuevo enfoque en dos pasos GWAS usado para su identificación, y
su posible mecanismo patogénico. Cirulli y cols. realizaron una secuenciación
del exoma completo en 2869 pacientes de ELA y 6405 controles. El TBK1 se asoció
ala enfermedad, así como varios genes cuya asociación de conocía de antemano, (como
SOD1, VCP y el TARDBP) , confirmando la calidad del análisis. El TBK1 codifica la
kinasa1 ligada al TANK, una proteína involucrada en la autofagia y la
inflamación, dos mecanismos patogénicos ya propuestos para la ELA.
Curiosamente, la kinasa 1 ligada al TANK se une y fosforila a la optoneurina y
ala p62, dos proteínas codificadas respectivamente por los genes OPTN y SQSTM1
relacionados con la ELA, y parece ser un componente importante de la vía de los
agregados de proteínas mal plegadas, vía requerida para la eliminación de las
inclusiones patológicas de ribonucleoproteínas. Los pacientes con la mutación
TBK1 expresan diversos fenotipos, incluyendo la ELA pura, la demencia
frontotemporal y la asociación de ambas.
Otro paso importante para revelar los mecanismos
moleculares que subyacen a la ELA es la identificación de dos grupos
independientes de transportes nucleares deficitarios en individuos portadores
de la expansión repetitiva del hexanucleótido GGGGCC en el primer intron del
gen C9ORF72. Este defecto genético puede verse en aproximadamente el 50% de
pacientes con ELA familiar y en el 5% de casos de ELA esporádica. Zhang y col y
Freibaun y cols identificaron la RanGAP,
una proteína interactuante del GGGGCC en el modelo de Drosophila, como un
regulador clave del transporte nucleocitoplasmático que actúa en el nivel del
aparato externo del poro nuclear. El transporte nuclear de la RanGAP se
encontraba alterado en el modelo de Drosophila de las expansiones repetitivas
del C9ORF72, y era rescatada con éxito mediante tratamiento con oligonucleótidos
antisentido. Este mecanismo patogénico novedoso proporciona una nueva vía
prometedora para el tratamiento de la ELA.
Se esperan avances adicionales en la comprensión de los
mecanismos patogénicos de las enfermedades neurodegenerativas y en la
identificación de posibles vías de tratamiento a partir del análisis del
control de transcripción del ARN. La alteración del procesamiento del ARN
provoca diversas enfermedades, tanto neurodegenerativas como mitocondriales. La
ELA causada por la mutación en el gen TARDBP y la atrofia espinal muscular
tipos 1 y 2 son ejemplos de enfermedades relacionadas con la alteración en los
procesos de corte y empalme del ARN.. El corte y empalme alternativos del ARN
juega un papel esencial para que los genes individuales codifiquen múltiples
proteínas. Este mecanismo de amplificación del proteoma posee una influencia
biológica enorme y un gran nivel de complejidad. Sin embargo, sólo se conoce
parcialmente el grado en el que las variantes de nucleótidos simples pueden
influir en el corte y empalme alternativo del ARN.
Nuestro genoma se puede asimilar a un
libro de instrucciones para construir y mantener nuestro organismo. Las
instrucciones de nuestro genoma, sin embargo, están escritas con una sintaxis
muy sorprendente. Los mensajes de nuestros genes contienen palabras con
significado separadas por letras sin sentido. Para producir una frase
inteligible a partir de los mensajes genómicos, las partes sin sentido han de
eliminarse y las partes con significado deben ser empalmadas.
El dogma central de la biología
molecular establece que las moléculas de ADN que componen nuestros genes se
copian en forma de moléculas de ARN, las cuales a su vez se traducen en forma
de proteínas. De esta manera, la secuencia de nucleótidos que establece la
identidad de una molécula de ADN es descodificada para producir la secuencia de
aminoácidos que establece la identidad de una proteína.
Volviendo a la analogía entre los
mensajes genéticos y el lenguaje humano, las secuencias del ADN -y de su copia,
el ARN- que codifican para aminoácidos están separadas en nuestro genoma por
secuencias sin sentido aparente, que han de eliminarse para generar un mensaje
genético coherente. El proceso de eliminación de secuencias sin sentido
(denominadas técnicamente "intrones") y de empalme de las secuencias
codificantes (denominadas "exones") recibe en inglés el nombre de
"Splicing" (Figura 1).
Figura 1. La ruta de la expresión génica en organismos multicelulares. Los genes
son fragmentos de ADN de nuestros genomas que se copian en forma de precursores
de ARN mensajero (Pre-ARNm). Éstos contienen secuencias codificantes (contenidas
en exones) separadas por secuencias no codificantes (intrones) que se eliminan
por medio del proceso de Splicing para dar lugar a ARN mensajeros maduros
(ARNm) que los ribosomas traducen en proteínas. Las proteínas llevan a cabo
funciones estructurales y enzimáticas en nuestras células.
En un gen humano típico, la información
está contenida en 7-10 exones separados por intrones, donde los intrones son normalmente
unas diez veces más largos que los exones. Para llevar a cabo este proceso de
corte y empalme, que ha de realizarse con gran precisión y eficacia, existe en
el núcleo de nuestras células una maquinaria molecular muy compleja -entre las
de mayor complejidad de nuestros organismos- que se conoce con el nombre de
"Spliceosoma" (Wahl et al, 2009).
De la misma forma que una sola palabra
puede cambiar el sentido de una frase, el proceso del Splicing puede también cambiar
el sentido de los mensajes genéticos. Diferentes tipos de células, o una misma
célula en distintas situaciones fisiológicas, pueden interpretar una
determinada secuencia del genoma como parte de un exón -es decir, como
secuencia codificante- o por el contrario como parte de un intrón -es decir,
como secuencias a descartar-. De esta manera es posible producir distintos
mensajes genéticos a partir de una única secuencia genómica, un proceso que se
conoce como Splicing alternativo (Kalsotra and Cooper, 2011).
Más del 90% de los genes humanos
experimentan Splicing alternativo. Mediante este mecanismo se producen
diferentes proteínas a partir de un gen, en ocasiones llegando incluso a
centenares o miles de variantes. El caso más extremo que se conoce es el del
gen Dscam de Drosophila, a partir del que pueden generarse más de 38.000
variantes, importantes para la generación de la identidad celular en el
establecimiento de redes neuronales (Nilsen and Graveley, 2010). Aunque se desconocen
las funciones específicas de la mayoría de las variantes proteicas -llamadas
isoformas- generadas mediante Splicing alternativo, existen numerosos ejemplos
de cómo las distintas isoformas de un gen muestran diferencias dramáticas en
sus propiedades y funciones biológicas (Nilsen and Graveley, 2010; Kalsotra and
Cooper, 2011).
Por ejemplo, en el gen del receptor
Fas/CD95, implicado en la activación del proceso de muerte celular programada
(conocida también como apoptosis), la inclusión o no del exón 6 -que codifica
la región de inserción en la membrana de la célula- da lugar a dos isoformas
con propiedades radicalmente distintas (Figura 2).
Figura 2. El Splicing alternativo del gen Fas / CD95 controla la muerte
celular programada (apoptosis). El exón 6 del gen puede incluirse en ARN
mensajeros que codifican para el receptor (Fas R) asociado a la membrana
celular, que al unirse al ligando Fas (Fas L) induce la muerte celular programada.
Si el exón 6 no se incluye, el ARNm resultante codifica para una forma del
receptor que no se asocia a la membrana y que inhibe la apoptosis.
La inclusión del exón 6 da lugar a un
ARN mensajero maduro que codifica la versión del receptor que se encuentra
unida a la membrana de la célula y que, al unirse al ligando correspondiente,
induce la muerte celular programada. Si por el contrario la célula considera el
exón 6 como parte de un intrón, el Splicing entre los exones 5 y 7 genera un
ARN mensajero que codifica la versión del receptor no unida a la membrana, que
es secretada al medio extracelular donde puede unirse al ligando pero sin
señalizar al interior celular, inhibiendo el proceso de apoptosis. De esta
forma la célula adopta una decisión radicalmente distinta sobre su propio
destino (suicidio celular o protección frente a señales que lo inducen) no
mediante la transcripción o no del gen, sino mediante el tipo de Splicing
alternativo que produce a partir del transcrito primario.
Para terminar, veremos cómo la atrofia
muscular espinal (AME) ejemplifica la relevancia de las secuencias reguladoras
de Splicing en patologías humanas y las perspectivas para el desarrollo de
terapias innovadoras (Kole et al, 2012; Rigo et al, 2012). La AME es la
enfermedad genética más frecuente en países occidentales, y está causada por
mutaciones en el gen SMN1, que codifica para una proteína importante para la
maduración de los complejos del Spliceosoma. Recientemente se ha descubierto
que la deficiencia de SMN1 causa alteraciones en el Splicing del gen Stasimon
en neuronas que puede explicar al menos una parte de los defectos neuromotores
asociados con esta enfermedad (Lotti et al, 2012).
Una segunda copia casi idéntica del gen,
SMN2, está presente en el genoma humano. Sin embargo esta copia no es plenamente
funcional -y por tanto no puede rescatar los defectos en el gen SMN1 en
pacientes con AME- dado que el exón 7 del gen SMN2 no se incluye eficientemente
en el ARN mensajero maduro, a diferencia del exón 7 en el gen SMN1, que sí lo
hace. Una diferencia de un solo nucleótido entre los exones 7 de SMN1 y SMN2
explica la diferencia en la inclusión del exón entre los dos genes. El efecto
del nucleótido diferencial se ha atribuido a una disminución en la afinidad de
unión de una proteína estimuladora de Splicing y/o un aumento en la afinidad de
una proteína inhibidora de Splicing. Este ejemplo demuestra la sensibilidad del
proceso a multitud de secuencias auxiliares y a la actividad de factores
antagónicos.
Basándose en detallados estudios
mecanísticos, el grupo del Profesor Adrian Krainer, en el Cold Spring Harbor
Laboratory, ha desarrollado terapias experimentales en modelos animales para la
corrección del Splicing del gen SMN2 y por tanto para la restitución de la
función de la proteína SMN en células deficientes en el gen SMN1. De modo
similar a la inhibición de secuencias crípticas utilizadas para la corrección
de la Progeria que vimos más arriba, este grupo utilizó oligonucleótidos complementarios
a una secuencia intrónica que tiene un efecto silenciador sobre el exón 7 del
gen SMN2 para estimular su incorporación en los ARN mensajeros maduros y así
restituir los niveles de la proteína SMN en neuronas de ratones con varios
modelos de AME (Hua et al, 2010). A pesar de potenciales dificultades de esta
aproximación, resultados recientes indican que modificaciones químicas pueden
conferir una gran estabilidad a los oligonucleótidos utilizados y que incluso
la administración periférica de estos compuestos tiene efectos terapéuticos
notables (Hua et al, 2011). Estos prometedores resultados han posibilitado la
iniciación de ensayos clínicos, con grandes expectativas para el tratamiento de
esta enfermedad que hoy es incurable.
Como resumen, la sintaxis partida de
nuestros mensajes genéticos se ha aprovechado evolutivamente para ampliar el
abanico de funciones de nuestros genes y sus posibilidades de regulación. A su
vez, alteraciones en estos mecanismos están en la base molecular de
enfermedades genéticas y de patologías complejas como el cáncer. Estudios
recientes sugieren que la modulación del Splicing ,mediante drogas dirigidas
contra componentes del Spliceosoma o mediante oligonucleótidos dirigidos contra
secuencias implicadas en la regulación de Splicing, ofrece terapias innovadoras
muy prometedoras.
Sin embargo, solo se conoce parcialmente
la cuantía en la que las variantes simples de nucleótidos pueden influenciar el
splicing alternativo del ARN .Xiong y cols. mediante una aproximación
informática original con una maquina de aprendizaje bioinformática, descubrieron
que mas de 20000 variantes simples de nucleótidos, incluyendo sin sentido,
nonsense y sinónimos, podrían regular el número de exones de RNA mensajeros
específicos de célula. Los autores validaron con éxito su nuevo modelo computacional
en la atrofia muscular espinal, la segunda enfermedad autosómica recesiva más
frecuente de la infancia y una de las principales causas de muerte en la
infancia. Este modelo fiable de predicción expande las posibilidades de los
estudios de asociación del genoma completo a través de la identificación de
nuevas alteraciones del splicing del ARN causantes de enfermedades que pudieran
ser dianas terapéuticas. En
genética, un estudio de asociación del genoma completo (en
inglés, GWAS ( Genome-wide association study) o WGAS (Whole genome association
study) es un análisis de una variación genética a lo largo de todo el genoma
humano con el objetivo de identificar su asociación a un rasgo observable. Los
GWAS suelen centrarse en asociaciones entre los polimorfismos de un solo
nucleótido (SNPs) y rasgos como las principales enfermedades. La
alteración del balance entre la síntesis de proteínas y su degradación, derivando
en una acumulación intracelular de agregados de proteínas anómalamente plegadas
y el fallo en el mecanismo de aclaramiento son mecanismos emergentes en la ELA
y en la neuropatía de Charcot-Marie-Tooth. Una respuesta adaptativa primaria
contra dichos acúmulos es la fosforilación del factor 2 de iniciación de
translación eucariótica (e-IF2alfa) que conduce a la disminución de síntesis de
la proteína. La potenciación de esta respuesta autolimitada parece crucial para
rescatar a las células de los acúmulos de proteínas mal plegadas. Das y cols.
describieron que La sephina 1 se liga selectivamente e inhibe a la subunidad
regulatoria de la eIF2alfa fosfatasa y previene, de forma segura, el deterioro
molecular, morfológico y motor en modelos de ratón transgénico de ELA asociada
a la SOD1 y de la enfermedad de CMT asociada a la proteína cero de la mielina
(CMT1B). Estos hallazgos, a la vez que proporcionan una base específica para
los tratamientos que incidan sobre la evolución de la ELA y la enfermedad de
CMT1B, abren nuevos escenarios para el tratamiento de un amplio espectro de
enfermedades asociadas con la acumulación de proteínas mal plegadas.
Ofu!! Que complicado!!
ResponderEliminarPor eso es tan difícil encontrar un tratamiento eficaz.
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