Bases moleculares de las Enfermedades por expansión de

BQ 28. BASES MOLECULARES DE LAS ENFERMEDADES
POR EXPANSIÓN DE NUCLEÓTIDOS (Dr Glez Castaño).
I) INTRODUCCIÓN: BASES MOLECULARES EN GENERAL:
Existen regiones en el DNA donde un determinado triplete se encuentra repetido. El
número de repeticiones en la población normal es variable, pero nunca sobrepasa un
determinado dintel. Por eso se dice que ese número de repeticiones es polimórfico pero estable.
Cuando el número de repeticiones se expande y sobrepasa ese límite superior, entramos
en un estado de inestabilidad génica en el que sigue siendo fenotípicamente normal, pero es ya
una premutación. Por esa inestabilidad, el número de repeticiones puede dar otro salto en la
siguiente generación y superar otro dintel para la aparición de la clínica. Con el paso de
generaciones el número de repeticiones va aumentando; consecuentemente se producirá inicio
más temprano de la enfermedad y una mayor gravedad (a esto se le llama anticipación).
Es por ello por lo que decimos que la expansión de una secuencia repetida de
trinucleótidos es una mutación dinámica: no permanece en el tiempo. Debido al cambio que
supone pertenecer a una determinada generación, estás enfermedades se dice que tienen patrones
inusuales de herencia, incluyendo dentro de ellos la anticipación.
Existen dos tipos:
Tipo 1.- la expansión del triplete en el DNA se traduce en su correspondiente expansión
del aminoácido en la proteína porque tiene lugar en una región codificante. P.e: Enfermedad de
Huntington.
Tipo 2.- región que no se va a traducir: no afecta proteína. P.e: ataxia de Friedrich.
Y es que la región repetida puede encontrarse en cualquier lugar de la cadena de DNA:
- En un exón:, como es una región traducible, los tripletes repetidos darán lugar al
correspondiente aminoácido repetido en la proteína. Es el caso de las enfermedades
por expansión de repeticiones del triplete CAG (glutaminas): Enfermedad de
Huntington, Atrofia muscular espino bulbar, Ataxia espino-cerebelosa tipos 1-7,
Enfermedad de Machado Joseph, atrofia dentro-rubro-palidal.
- En regiones de DNA que no se traducen:
1.- Región 5’ no traducible: ejemplo: Epilepsia progresiva mioclónica (EPM1).
Cistatina B. Región 5’ flanqueante. Promotor con repeticiones de un dodecámero
muy rico en G+C.
2.- En un intrón: GAA: Ataxia de Friedreich
2.- Región 3’ no traducida: CTG : Distrofia miotónica
3.- Región 5’ no traducida: CGG : Síndrome de X frágil, sitio frágil 11B.
4.- Región 3’ no transcrita: fuera de la región codificante. Sitio frágil 16A.
5’ no traducido
AUG
CGG
3’ no traducido
GAA
Ataxia de Friedriech
Síndrome del X
frágil
Epilepsia progresiva mioclónica
UAA
CAG
CTG
Distrofia miotónica
Atrofia muscular espino-bulbar
Ataxia espinocerebelosa tipo 1-7
Enf. De Machado – Joseph
Enf. De Huntington
Atrofia dento – rubro - paloidal
1
Casi todas estas enfermedades son de herencia autosómica dominante (excepto el X
frágil ligada al cromosoma X y la ataxia de Friedrich que es autosómica recesiva ), por tanto los
genes afectos se expresan en TODAS las células del organismo.
El diagnóstico de las enfermedades por expansión de tripletes repetidos es facilísimo. Se
hace con PCR. La expansión del triplete repetido produce un aumento del tamaño de la
molécula, por lo que cuando se corre el gel, los alelos expandidos migran menos que los alelos
normales. Si existen dudas de las expansiones: secuenciar.
Para entender este capítulo es importante tener claros una serie de conceptos básicos de
la genética:
1.- anticipación: la expansión del triplete aumenta de generación en generación. El primer paso
antes de que se manifieste la enfermedad es un estado de premutación, en el que existe un
elevado número de copias pero todavía está por debajo del número patológico; el fenotipo del
individuo será normal pero inestable.
La premutación también se expande hasta que se manifieste la enfermedad; cuanto
mayor sea el número de repeticiones antes se producirá la clínica.
2.-penetrancia (de un gen): fenómeno que se refiere a la expresión observable de un fenotipo
(capacidad de expresión fenotípica de un gen). Puede existir una expresión total o falta de
expresión.
Es una medida de la proporción de individuos que, portando un determinado alelo de un
gen muestra el fenotipo que corresponde a ese alelo.
3.- expresividad: variación en el fenotipo asociado a un alelo particular, debido al ambiente o al
background genético (conjunto de otros genes que influyen en la transcripción ). Es la fuerza
con la que se manifiesta un determinado gen penetrante. La mayor parte de enfermedades
dominantes muestran expresividad variable.
II) BASES MOLECULARES DE CADA PATOLOGÍA CONCRETA:
SINDROME DE X FRAGIL ( FRAXA )
5 ‘ UTR
Afectados
> 200
Premutación 55-200
FMR – 1 gen
N: 6-55
(CGG) n
-
-
Ligado al cromosoma X (dominante ligada a X).
Causado por mutaciones en el gen FMR-1, que se expresa de forma elevada en el
testículo y en el cerebro, y de forma ubicua en el embrión. Normal tiene en la región
5’-UTR (no traducida ) repeticiones de CGG polimórficas en la población ( rango
entre 6 y 55 repeticiones ). La premutación tiene 55-200 y la patología más de 200
(hasta 1000 repeticiones descritas). Es por ello del tipo 2.
Mecanismo: la expansión impide la normal expresión del gen (silenciamiento
transcripcional porque interfiere con la maquinaria).
2
-
Más frecuente en varones. Es la segunda causa más frecuente de retraso mental en
varones ( 1/1250 nacimientos varones ) y la segunda causa más FREC de RMn de
origen genético (tras Down).
- Retraso mental moderado-severo, retraso del desarrollo y autismo. Las mujeres con
un cromosoma afectado y los varones con premutaciones pueden mostrar defectos
cognitivos moderados y rasgos esquizoides. Características de la anticipación y
herencia ligada al X: aumento de la penetrancia en generaciones sucesivas y el paso a
través de la mujer aumenta el riesgo para la siguiente generación.
DISTROFIA MIOTÓNICA
Afectados
> 75
Premut 4575
Gen DM protein K
(CTG) n
N: 5-30
-
Autosómica dominante
Se produce por mutaciones en DM-1 o gen de miotonina, proteina kinasa, que se
expande en cerebro, corazón y músculo. El gen normal tiene repeticiones de CTG en
3’-UTR, que nuevamente es polimórfico en la población y oscila entre 5-30
repeticiones. Es por ello tipo 2 también. La premutación 45-75 y los pacientes desde
76 hasta cientos.
- Mecanismo: una disminución en la cantidad de mRNA: el gen codifica para una
proteinkinasa, que no se ha visto que sirva para nada. Estamos en una región 3’ que
teóricamente debería ser silente. Cuando aumenta el número de repeticiones aumenta
la inestabilidad de los mensajeros de ese gen que no salen al citoplasma y se
acumulan en el núcleo donde parece que secuestran TFs generales (Sp1, RAR
gamma, STAT1) lo que produce un descenso en la transcripción.
- No se sabe exactamente por qué afecta s/t corazón, músc esquelético y ojos. Parece
que depende s/t de señales externas.
- Es la forma más común de distrofia muscular del adulto.
- Miotonía con debilidad muscular progresiva.
- Otras manifestaciones clínicas:
· alteraciones esqueléticas, cardíacas y oculares ( cataratas )
· cambios cognitivos, incluído retraso mental
- Comienzo de síntomas leves y tarde en la primera generación. Paulatinamente
evoluciona hasta que después de 3-4 generaciones aparecen ya síntomas en neonatos
en asociación con retraso mental
ATAXIA DE FRIEDRICH
Afectados > 500
Premutación 42-60
Gen de la frataxina
N: 7-29
EXON 1
3
EXON 2
-
Es la única AR.
Enfermedad de tipo 2: expansión del triplete en un intrón.
Causada por mutaciones en el gen de la frataxina, proteína mitocondrial que se
expresa en todos los tejidos, pero es más abundante en cerebro, corazón y músculo.
El gen normal tiene repeticiones GAA en el intrón 1 (7-29 repeticiones ), la
premutación va de 42 a 60 y la pg >500 e incluso hasta miles. Curiosidad: existen
homozigotos compuestos con esta enfermedad que en un alelo tienen una expansión
y en el otro una mutación puntual que afecta a la secuencia codificante que hace que
muchas veces la proteína no sea funcional (la proteína se queda en el citoplasma y no
llega a la mitocondria) igual que ocurre cuando están los dos alelos expandidos.
También hay heterocigotos normal-mutación puntual.
- El mosaicismo es frecuente.
- Mecanismo: disminución de la cantidad de mRNA y de la proteína: defecto
transcripcional por DNA sticky en repeticiones. La amplificación del triplete GAA
por encima de 500 repeticiones hace que el DNA tenga las dos hebras más unidas en
esta región= DNA sticky. Esto disminuye la transcripción del gen, baja la frataxina
en la mitocondria que es una proteína fundamental en el transporte al exterior de la
mitocondria de 2 Fe lo que conlleva acúmulo de Fe en las mitocondrias de los
pacientes (que produce alteración fosforilación oxidativa y estrés oxidativo que
puede matar a la célula).
- Es la ataxia hereditaria más frecuente.
- Manifestaciones cerebelosas, esqueléticas, cardíacas y pancreáticas: ataxia cerebelosa
y otros problemas como cardiopatías, diabetes...
- Presenta anticipación: la gravedad de la enfermedad se correlaciona con el grado de
expansión, cuanto mayor es la expansión se produce un comienzo más temprano y
con una progresión más rápida a la pérdida de la marcha
ATROFIA MUSCULAS ESPINO-BULBAR ( ENFERMEDAD DE KENNEDY )
Afectados
39-60
N: 13-28
Receptor de andrógenos
(CAG) n
(Gln) n
-
-
Rara y ligada al cromosoma X.
Enfermedad tipo 1: repeticiones del triplete CAG dentro de un exón del gen del
receptor de andrógenos, lo que da lugar a poliglutaminas. El gen normal tiene un
número de repeticiones que oscila entre 13-28. Los pacientes tienen entre 39-60.
Degeneración de motoneuronas de comienzo tardío asociado con retraso mental e
insensibilidad a andrógenos.
4
-
IMP!!!!! Muestra anticipación, pero la gravedad de los síntomas no se correlaciona
con el grado de expansión. Se está estudiando su posible aumento en el Ca de
próstata.
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON
Etiología:
- Autosómica dominante.
- Se produce una mutación en el gen IT15 del cromosoma 4 (en el telómero), que
codifica para la huntingtina
- El gen normal es polimórfico, con 11-34 repeticiones CAG. En la enfermedad de
Huntington no está muy claro que exista un estado premutacional. Pacientes: 37-86
repeticiones que se traducen en expansión de poliglutaminas en la proteína.
Patogenia:
- Parece que en C.N la huntingtina está implicada en procesos de tránsito vesicular por
lo que en su alteraciones podrían estar alterados los procesos de formación de
vesículas en las neuritas lo que las lesionaría. Al ser AD está claro que la proteína
mutada es capaz de excluir a la proteína sana.
- La proteína normal tiene unas cuantas glutaminas; la enferma tiene expansión de
glutaminas. Esta expansión se encuentra en la región amino terminal de la proteina y
la alteración produce que la región adquiera una estructura en hoja ß. ¿Cómo si no
son secuencias hidrofóbicas como el caso del beta-amiloide? Realmente actúa como
una cremallera de Gln que se apila y funciona como una hoja beta sin serlo
estrictamente (por ej es mucho más polar).
- Esta cremallera polar produce un cambio conformacional y alteraciones en las
interacciones con otras proteínas. A continuación se produce un ataque proteolítico
por caspasas (cisteín proteasas que cortan donde está el ácido aspártico), que cortan
el extremo amino terminal donde está la expansión. Esta zona liberada (N-terminal)
por las caspasas es la que formará depósitos. La zona C-terminal es degradada por el
proteasoma.
- A continuación son ubiquitinizados por el proteosoma, con el fin de eliminarlos, pero
no puede y se trasloca al núcleo como agregados, formando los depósitos
intranucleares característicos. Por tanto tendremos depósito a nivel citoplasmático y
nuclear.
- Con técnicas de tinción se pueden ver acúmulos de huntingtina en el SNC de los
pacientes, a nivel del sistema extrapiramidal, y que son tanto intranucleares como
intracitoplasmáticos. El daño se produce sobre todo a nivel del estriado. La tinción
puede ser con violeta de cresilo. También ME con anti-huntingtina y anti-ubiquitina.
¿Son los agregados proteicos intranucleares e intracitoplasmáticos la causa de la muerte
neuronal ? NO, porque se ha visto que son reversibles, que podemos quitar los agregados.
Se hizo un experimento con un ratón transgénico de IT15 que tiene la secuencia CAG
expandida en el gen de la huntingtina: este animal, con el gen “on”, desarrolla agregados de
huntingtina en sus neuronas. Con doxiciclina, nosotros somos capaces de bloquear la expresión
del gen y se ve que los agregados desaparecen. CONCLUSIÓN: la agregación es reversible, por
tanto el daño neuronal no se produce exclusivamente por los agregados.
No se conoce el mecanismo responsable de la muerte neuronal por expansión de huntingtina.
Existen dos teorías en boga:
1.- ACETILACIÓN DE HISTONAS
En la enfermedad de Huntington la proteína expandida tiene gran afinidad por las proteínas
acetiladoras de histonas: al unirse a ellas las bloquea y predomina por tanto la desacetilación.
Las acetilasas controlan el empaquetamiento de las histonas, el cual es necesario para la
transcripción. Si predomina la desacetilación se produce el bloqueo de la transcripción. Este es
el mecanismo más general.
2.- INTERFERENCIA CON LA MAQUINARIA DE TRANSCRIPCIÓN
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Sobre la maquinaria basal de transcripción se produce la interferencia con la función de Sp1,
que es un factor de transcripción muy general (secuencia GC) y TAFIII 130 o TAF alfa, que es
un factor auxiliar de RNApoli II; ambas tienen regiones poliglutamina (poliQ) en su N-terminal.
La hunting poliex inhibidora interacciona con Sp1, que así no interacciona con TAFIII130 y
bloquea la transcripción de distintos genes, sobre todo del R2 de dopamina (que se expresa en el
caudado). Se forma entre huntingtina y las otras dos la estructura de la cremallera polar lo que
bloquea la transcripción.
Clínica:
- Comienzo en época juvenil o adultos jóvenes
- Asociado con movimientos involuntarios (corea), trastornos de conducta y trastornos
cognitivos.
- IMP!!!! Presenta anticipación, pero la gravedad de la enfermedad no se correlaciona
estrictamente con el grado de expansión:
· niños afectados de padres afectados tienen una edad de comienzo de los síntomas
más temprana que los padres.
· niños afectados de madres afectadas tienen una edad de comienzo igual que las
madres.
Por lo tanto, el alelo materno muestra menos anticipación que el paterno.
TERAPIA MOLECULAR EN ENFERMEDAD DE HUNTINGTON:
1..- Inhibidores de caspasas ( caspasa 1): en animales funciona muy bien si se inyecta
intraventricularmente (ratones transgénicos). El problema es que tienen poca capacidad para
atravesar la BHE (biodisponibilidad escasa). La caspasa 1 interviene en la apoptosis y además
corta ese amino-terminal. Hay que disolverla en DNSO (Dimetilsulfóxido) que es un tóxico
además.
2.- Inhibidores de deacetilasas: análogos del butirato= SAHA(suberoylanilida hydroxanic acid):
se probó en animales y acetila sin necesidad de nada las histonas. Se probó en Drosophila
transgénica. Impiden la neurodegeneración. Se utilizaba en tumores en labo (fase I) y ha
empezado a probarse en Huntington.
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