CAPÍTULO 7: POTENCIAL PATOGÉNICO DE REPETICIONES CORTAS 1

CAPÍTULO 7: POTENCIAL PATOGÉNICO DE REPETICIONES CORTAS
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Tema 7. Potencial patogénico de repeticiones cortas
Mutaciones en secuencias que están repetidas en tándem. Enfermedades
causadas por expansión de trinucleótidos: neuropatías por expansiones
CAG y enfermedades por expansión de otros trinucleótidos. Otras
enfermedades por expansión de secuencias repetidas cortas.
Mutaciones en secuencias que están repetidas en tándem
Un tipo de mutación que afecta con frecuencia a las repeticiones cortas en tándem de tipo microsatélite
es la expansión o contracción de la repetición. Como ya vimos al estudiar los mecanismos de
reparación, este fenómeno se produce habitualmente por un mecanismo llamado "desemparejamiento
por deslizamiento de cadenas" (slipped-strand mispairing en inglés). Dicho proceso puede tener lugar
durante la replicación del ADN que contiene la repetición, si se da un deslizamiento hacia atrás ó hacia
delante de la cadena que está siendo sintetizada sobre la cadena molde.
Figura 7.1 A continuación se muestra un video que explica el mecanismo
de deslizamiento de una cadena durante la replicación de una región que
contiene una repetición de microsatélites. Dicho deslizamiento tiene como
resultado la expansión de uno de los alelos de esa repetición.
Este deslizamiento origina un bucle en una de las cadenas, cuyo resultado final es que la nueva cadena
de ADN tendrá una repetición más o una repetición menos que la cadena original, según el
desplazamiento haya sido hacia atrás o hacia delante, respectivamente. Este mecanismo explica los
polimorfismos de longitud de los microsatélites, que ya hemos estudiado al hablar de estos
marcadores. Lo importante ahora es darse cuenta de que si la contracción tiene lugar en la región
codificante de un gen que contiene repeticiones en tándem cortas, el resultado será la aparición de
deleciones de aminoácidos (si se delecionan 3 nucleótidos) ó cambios en el marco de lectura (si se
delecionan repeticiones de 1, 2, 4 ó 5 nucleótidos). Se presentan a continuación dos ejemplos de lo
dicho:
En el cuadro superior observamos, arriba, la secuencia
nativa del gen CFTR (mutado en una enfermedad
llamada "Fibrosis Quística del páncreas"), que contiene
una repetición en tándem del nucleótido Timina (hay 5
Timinas seguidas en los codones 142 y 143). La
deleción de una T por el fenómeno que acabamos de
describir provocará un cambio del marco de lectura,
como se aprecia en la fila de debajo. En el cuadro
inferior
vemos
un
ejemplo
de
deleción
de
un
trinucleótido TTG en la región codificante del Factor IX
de la coagulación: la secuencia nativa (fila superior)
contiene dos repeticiones TTG en tándem, de modo que
la deleción de una de ellas provoca la deleción de un
aminoácido sin alterar el marco de lectura (fila inferior).
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Lógicamente, lo mismo que se ha ilustrado aquí con deleciones puede decirse de las inserciones. Los
microsatélites del tipo trinucleotídico pueden además sufrir expansiones mayores, dando lugar a un
grupo de enfermedades conocidas como "enfermedades por expansión de trinucleótidos". Dada su
importancia en patología humana, las estudiamos con más detalle en el siguiente apartado.
Enfermedades causadas por expansión de trinucleótidos
Hay un grupo de enfermedades debidas a la expansión de repeticiones de trinucleótidos, que tienen una
serie de rasgos en común. El descubrimiento del mecanismo por el que se desencadenan estas
enfermedades ayudó a comprender un fenómeno clínico que se conocía con el nombre de
“anticipación”: la aparición de la enfermedad a una edad cada vez más temprana y de forma más
severa en sucesivas generaciones de una misma familia. Como veremos, la presencia de secuencias
trinucleotídicas inestables, que aumentan de tamaño en cada generación, permitió explicar este
fenómeno.
Las enfermedades por expansión de trinucleótidos pueden agruparse en dos grandes categorías: (1)
enfermedades debidas a expansiones cortas (40 a 70 repeticiones) de un trinucleótido CAG localizado en
la región codificante de un gen; y (2) enfermedades debidas a expansiones mayores (desde 50 hasta
miles de repeticiones) de trinucleótidos situados en regiones no codificantes. Como ya hemos
comentado, el mecanismo de expansión más probable es el desemparejamiento por deslizamiento de
cadenas, aunque las grandes expansiones son más fáciles de explicar mediante un mecanismo de
reparación por recombinación homóloga. De todas formas, todavía no se explica bien por qué en estas
secuencias se dan muchas más expansiones que contracciones.
1. Neuropatías por expansiones CAG
Las enfermedades del primer grupo tienen como resultado la expansión de un
tracto de
poliglutaminas en la proteína codificada por el gen respectivo, y constituyen un grupo de
enfermedades neurodegenerativas de gran importancia. La siguiente tabla resume las características
más importantes de cada una de estas enfermedades:
Repetición
Normal
Enfermedad
Localización
Efecto
Huntington
CAG
11-34
40-121
ORF (HD)
Ganancia
Smith (Haw-River) (DRPLA)
CAG
7-34
49-88
ORF (DRPLA)
Ganancia
Kennedy (SBMA)
CAG
9-36
38-62
ORF (AR)
Ganancia
SCA1
CAG
6-39
40-82
ORF (SCA1)
Ganancia
SCA2
CAG
15-24
32-200
ORF (SCA2)
Ganancia
SCA3/MJD
CAG
13-36
61-84
ORF (SCA3)
Ganancia
SCA6
CAG
4-20
20-29
ORF (CACNA1A)
Ganancia
SCA7
CAG
4-35
37-306
ORF (SCA7)
Ganancia
SCA17
CAG
25-42
47-63
ORF (TBP)
Ganancia
SCA12
CAG
7-45
55-78
5’UTR?
(PPP2R2B)
?
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El modo de expansión, en general, es gradual. Así, la inestabilidad va aumentando con el tamaño de la
expansión: por debajo de las 40 repeticiones, la frecuencia de expansiones es baja, pero al llegar a un
rango de 40 a 100 repeticiones la inestabilidad ya es prácticamente del 100%. Además, se observan
diferencias si la transmisión es materna (las repeticiones de la descendencia se distribuyen normalmente
alrededor de la media materna) o paterna (produce repeticiones con una media más alta que la
paterna, con tendencia a aumentar en función de la edad paterna).
El mecanismo patogénico en estas enfermedades se ha atribuido a la expansión de un tracto de
glutaminas en las proteínas implicadas, lo que llevaría al mal plegamiento y/o formación de agregados
proteicos que alteran la función neuronal. En general, se piensa que la expansión produce una ganancia
de función, ya que mutaciones y deleciones que anulan la función de esos mismos genes no dan lugar
a la misma enfermedad que la expansión del trinucleótido. Por ejemplo, la expansión de un trinucleótido
CAG en el gen del receptor de andrógenos da lugar a la Atrofia Muscular Espino-Bulbar (SBMA,
Enfermedad de Kennedy), mientras que las mutaciones de ese mismo gen provocan el Síndrome de
feminización testicular. Por otro lado, la longitud de la expansiones correlaciona con la gravedad de la
sintomatología, lo que hace pensar que estas enfermedades se deben a una ganancia de función con un
efecto tóxico que aumenta con el número de glutaminas que lleva la proteína, probablemente a partir
de un umbral de 35-40 residuos. También se ha demostrado que, para provocar degeneración neuronal,
las proteínas mutantes deben entrar en el núcleo, ya que cuando se envían al citoplasma no se
observa efecto patogénico alguno. Esto sugiere que pueden interaccionar con factores de transcripción
ricos en glutamina y alterar la transcripción de genes necesarios para la supervivencia
neuronal. De hecho, se ha demostrado que la acetilasa de histonas CBP (co-activador transcripcional
del que hemos hablado en el capítulo 2) es secuestrada en presencia de proteínas con tractos de poliglutaminas, con lo que se altera la expresión de genes necesarios para la supervivencia neuronal. Dado
que las proteínas con tractos de poli-glutaminas pueden unirse entre sí por interacciones proteínaproteína, otros factores de transcripción con poli-glutaminas también podrían quedar secuestrados en
estas enfermedades. De hecho, se ha visto recientemente que el factor de transcripción TAFII130, un
componente de TFIID, interacciona con el factor de transcripción Sp1 a través de regiones con tractos de
glutaminas; la presencia de una proteína con tractos largos de poliglutaminas podría impedir esta
interacción y cancelar la expresión de los genes regulados por estos factores. En el caso concreto de la
huntingtina (la proteína codificada por el gen mutado en la Enfermedad de Hutington) se ha
demostrado, por ejemplo, que la presencia de huntingtina con expansión de glutaminas impide la
expresión del gen que codifica el receptor D2 de la dopamina, mediante un mecanismo como el descrito.
Figura 7.2 Este video ilustra uno de los posibles mecanismos por los que la
expansión de un tracto de glutaminas en la huntingtina afecta la expresión
de genes importantes para el funcionamiento neuronal.
2. Enfermedades por expansión de otros trinucleótidos
El segundo grupo de enfermedades por expansión de trinucleótidos incluye enfermedades más
heterogéneas, aunque también se caracterizan por afectar al sistema nervioso. Sus características se
resumen en la siguiente tabla, donde se muestra que la inestabilidad propia del rango de 40-100
repeticiones (llamado en estos casos "premutación") no causa la enfermedad, sino que favorece la
aparición de una expansión explosiva, llegando de golpe hasta varios miles de repeticiones
("mutación completa"), que ya causa la enfermedad. Esta "explosividad" no se produce cuando la
repetición está interrumpida por un triplete distinto; por ejemplo, algunos alelos del gen FRAXA tienen
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repeticiones del trinucleótido CGG que están interrumpidas por el trinucleótido AGG cada 10 repeticiones
CGG, y esos alelos no sufren expansión.
Repetición
Normal
Pre-mutación
Mutación
Localización
Distrofia Miotónica (DM1)
CTG
5-37
50-80?
80-2000+
3’ UTR (DMPK)
X Frágil (FRAXA)
CGG
6-52
59-230
230-2000+
5’ UTR (FMRP)
X Frágil (FRAXE)
GCC
4-35
(35-61)?
200-900
5' UTR (FMR2)
Ataxia Friedreich
GAA
6-32
(35-40)?
200-1700
Intron (FRDA)
SCA8
CTG
16-37
?
107-127
3’ UTR (SCA8)
En estas enfermedades, como regla general, el efecto patogénico es resultado de la pérdida de función
de la proteína ó de la alteración en la función del ARNm, ya que las expansiones están en regiones no
codificantes. En este grupo destacan:
Síndrome del X frágil. Es la causa más frecuente de retraso mental ligado al cromosoma X (un
40% de los casos) y la causa heredada más frecuente de retraso mental aislado. Inicialmente, esta
enfermedad se detectaba por el cariotipo, que muestra una rotura en Xq27.3 cuando las células se
cultivan en presencia de metrotexato ó en ausencia de folato. Posteriormente, la identificación en
1991 del gen FMR1 reveló la existencia de un gen de 38 kb y 17 exones, con un trinucleótido CGG
en una isla CpG de la region promotora del gen. Fue el primer ejemplo de una enfermedad originada
por la expansión de una repetición de trinucleótidos. Las mutaciones de la región codificante son
raras, pero también provocan la enfermedad cuando implican disminución de la proteína FMRP, lo
que sugiere que la expansión del trinucleótido provoca una pérdida de función. La proteína
codificada por el gen es citoplasmática y se expresa en cerebro (por igual en todos los tipos de
neuronas, aunque no se expresa en células no-neuronales), así como en testículo (en células
germinales pero no en células de Sertoli ó de Leydig). La proteína posee dominios de unión al ARN y
dominios de unión a otras proteínas, y se ha comprobado que se une a su propio mensajero, a un
4% de todos los ARNm de cerebro fetal, y también a la subunidad 60S de los ribosomas. Podría por
tanto entrar en el núcleo, capturar mensajeros y exportarlos al citoplasma como parte de la
maquinaria traduccional, específicamente aquellos mensajeros que son cruciales para el desarrollo de
las dendritas y para la función sináptica en las neuronas. Curiosamente, se ha visto que la mayor
parte de los ARNm que se unen a FMRP forman estructuras secundarias llamadas “cuartetos-G”,
debido a la presencia de Guaninas espaciadas regularmente; mediante estas estructuras, los
mensajeros se unen al dominio RGG (arginina-glicina-glicina) de la FMRP. La expansión de un
trinucleótido en el gen FMR1 provoca la disminución de la proteína FMRP y la desregulación del
metabolismo de los ARN mensajeros que habitualmente se unen a ella. También se ha visto que, en
Drosophila, la proteína FMRP forma parte del complejo de silenciamiento por interferencia de ARN
(RISC), lo que abre la posibilidad de que dicho mecanismo también esté implicado en la
fisiopatología del Síndrome del X frágil. Aunque el hallazgo del gen y la elucidación de la estructura
de la proteína todavía no han permitido desvelar completamente el mecanismo fisiopatológico de la
enfermedad, sí han servido para explicar el modo inusual de transmisión de la misma, que se verá en
un capítulo posterior.
CAPÍTULO 7: POTENCIAL PATOGÉNICO DE REPETICIONES CORTAS
Figura 7.3 Estructura de los "cuartetos G", presentes en los ARN
mensajeros que se unen a la proteína codificada por el gen FMR1
(mutado en el Síndrome del X Frágil). La figura de la izquierda muestra
los cuartetos formados por cuatro guaninas espaciadas regularmente
y coordinadas por iones potasio; a la derecha se muestra un cuarteto
visto desde arriba.

La distrofia miotónica se puede producir por alteraciones en 2 loci. La forma más frecuente es la
DM1, debida a la expansión del trinucleótido CTG en la región no traducida-3’ del gen
DMPK, que codifica una proteín-quinasa. Como la enfermedad se hereda de forma autosómica
dominante, parece que el complejo fenotipo de esta enfermedad (que incluye miotonía muscular,
cataratas y arritmias cardíacas) debe ser el resultado de la alteración de algún proceso celular
importante. De hecho, se ha comprobado que la expansión del trinucleótido CTG en el gen DMPK
inhibe la expresión de un gen vecino llamado SIX5. Se ha visto que los ratones knock-out para el
gen DMPK tienen una arritmia similar a la que se ve en los pacientes con distrofia miotónica,
mientras que los ratones knock-out para SIX5 sufren unas cataratas que recuerdan a las de los
enfermos. La miopatía se produce por la presencia de ARN con largas expansiones de repeticiones
CUG (esto se ha comprobado también en ratones). La hipótesis más aceptada es que la expansión
da lugar a un ARN que es capaz de unirse a varias proteínas de unión a ARN que regulan el
fenómeno del ayuste, alterando su función. Como resultado, se altera el ayuste correcto de otros
ARNm, y de hecho se han identificado más de 10 genes cuyo ayuste y función está alterada en esta
enfermedad. Estos genes incluyen un canal de cloro, el propio SIX5, el gen de la troponina T, el
receptor de la insulina, genes con funciones neuronales, etc. En conjunto, se piensa que la
sintomatología de la enfermedad es el resultado conjunto de la desregulación de todos estos genes
por la presencia de un ARNm con la expansión de CTG.

La ataxia de Friedreich, enfermedad autosómica recesiva que no muestra el fenómeno clínico
de anticipación, parece también un buen ejemplo de pérdida de función debida a la expansión, ya
que los sujetos enfermos deben ser homocigotos (tener ambos alelos con la expansión) o
heterocigotos compuestos (un alelo con expansión y el otro alelo con una mutación puntual). El
trinucleótido GAA que sufre la expansión está localizado en una secuencia Alu del primer intrón del
gen FRDA, que codifica una proteína llamada frataxina. Los alelos normales están interrumpidos
por la secuencia (GAGGAA)5-9 y no tienen más de 32 repeticiones GAA. La expansión impide la
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transcripción del gen, al formar un intrón muy largo con estructuras de triple hélice en el ADN
genómico. Los niveles bajos de frataxina alteran la función mitocondrial, ya que esta proteína es
importante en la homeostasis del hierro en la mitocondria, y dan lugar a una disminución en la
producción de energía y a la formación de especies reactivas de oxígeno.
Otras enfermedades por expansión de secuencias repetidas cortas
Recientemente se ha descrito un tipo de epilepsia mioclónica progresiva de herencia autosómica
recesiva, debida a la expansión de una secuencia de 12 nucleótidos (CCCCGCCCCGCG). Este es el
primer ejemplo de enfermedad por expansión de un minisatélite, que en este caso se encuentra en la
región promotora del gen CSTB (cistatina B, un inhibidor de proteasas). Los alelos normales tienen hasta
3 repeticiones, mientras que sujetos con "premutación" tienen 12 a 17 repeticiones y los enfermos
tienen entre 30 y 75 copias (en total, un tamaño de 360-900 nucleótidos). Un 14% de los individuos con
esta enfermedad tienen mutaciones en la región codificante del gen, por lo que el mecanismo patogénico
parece ser por pérdida de función. De hecho, la presencia de la expansión conduce a disminución de los
niveles de ARNm, probablemente debido a la desorganización del promotor del gen CSTB.
También se ha identificado un nuevo tipo de ataxia espino-cerebelosa (SCA10), de herencia autosómica
dominante. La causa de esta enfermedad reside en la expansión de un pentanucleótido (ATTCT) en el
intrón 9 del gen SCA10. Los individuos normales tienen 10 a 22 repeticiones, mientras que los sujetos
con esta enfermedad tienen alelos entre 500 y 4500 repeticiones. Posteriormente a este hallazgo, se
identificó la primera enfermedad debida a la expansión de un tetranucleótido: la Distrofia Miotónica
tipo 2. Los individuos normales tienen menos de 26 repeticiones CCTG en el intrón 1 del gen ZNF9,
mientras que las expansiones en pacientes van desde 75 a 11.000 repeticiones.
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