El gen DYRK1A: un posible eslabón entre la producción de la proteína ß-amiloide y la hiperfosforilación de la proteína tau en la enfermedad de Alzheimer.
Artículo de investigación publicado:
Título: The DYRK1A gene, encoded in chromosome 21 Down syndrome critical region, bridges between ß-amyloid production and tau phosphorylation in Alzheimer disease
Autores: Kimura R, Kamino K, Yamamoto M, Nuripa A, Kida T, Kazui H, et al.
Revista: Human Molec Genet 16(1): 15-23, 2007
Se conoce muy bien que la forma de enfermedad de Alzheimer (EA) que es de origen familiar, de comienzo temprano y de naturaleza autosómica dominante, está causada por mutaciones en el gen APP que codifica para la proteína precursora de amiloide, o en los genes presenilina 1 y 2 (PS1 y PS2). Por otra parte, el síndrome de Down (SD) destaca también por su condición de modelo que predispone a la EA, ya que las personas con SD desarrollan la precipitación de la proteína ß-amiloide (Aß) en su cerebro de forma precoz. Esta es la razón para proponer que existan en el cromosoma 21 factores genéticos relacionados con la EA, independientes del alelo e4 de la apolipoproteína E (APOE-e4), un factor de alto riesgo para el desarrollo de la EA de comienzo tardío. En un trabajo reciente se ha apreciado la transmisión de una duplicación del gen APP, presente en el cromosoma 21, en pacientes con EA de tipo familiar de comienzo precoz caracterizada por angiopatía cerebral, lo que señala la importancia que puede tener la presencia en exceso de APP. Otro gen del cromosoma 21 es el gen BACE2, que codifica la ß-secretasa utilizada en la transformación de la APP en Aß.
En el presente estudio se ha hecho un análisis genético en 374 personas japonesas con EA y en 375 personas japonesas control. Mediante análisis de regresión logística se apreció mayor riesgo genético en 17 marcadores dentro del cromosoma 21, de los cuales 8 estaban ligados a los genes SAMSN1, PRSS7, NCAM2, RUNX1, DYRK1A y KCNJG; otros lo estaban a otros elementos génicos desconocidos (C21ORF63, 55 y 5). La mayor significación (P = 0,001) se obtuvo para el gen DYRK1A, por lo que fue analizado en profundidad mediante diversos procedimientos.
1. Análisis del haplotipo de DYRK1A. El análisis del haplotipo indicó que 3 haplotipos tenían frecuencias significativamente diferentes entre EA y controles. Los alelos rs8126696 podrían representar el haplotipo de riesgo.
2. mRNA de DYRK1A en el hipocampo de EA. Fue medido por PCR. En los pacientes con EA y haplotipo de riesgo, el nivel de mRNA de DYRK1A fue 7 veces mayor que en los controles; en los pacientes sin alelo de riesgo, el nivel no mostró diferencias significativas.
3. mRNA de DYRK1A y Aß en cerebros de ratones transgénicos. Analizaron el mRNA de DYRK1A y la concentración de Aß en unos modelos de ratón muy utilizados para el estudio de la EA: los transgénicos PS11213TKI y los doble transgénicos Tg-PS1/APP. En los primeros, los niveles de Aß1-40 fueron bajos. En los Tg-PS1/APP, los niveles de Aß1-40 y Aß1-42 estaban elevados. El mRNA de DYRK1A estaba también significativamente aumentado en los Tg-PS1/APP, en comparación con los PS11213TKI. Es decir, la expresión de mRNA de DYRK1A aumentó en consonancia con la carga de Aß en el cerebro.
4. Estudios en modelos celulares:
- En células SH-SY5Y, la incubación con Aß aumentó el nivel de mRNA de DYRK1A significativamente, indicando que Aß promueve la transcripción de DYRK1A.
- En células HEK293T transfectadas temporalmente con el vector de expresión MAPT, se apreció una cantidad detectable de proteína tau con fosforilación en Thr212. esta fosforilación de tau fue notablemente aumentada cuando se sumó la co-transfección con el vector de expresión de DYRK1A. Es decir, el aumento de la transcripción de DYRK1A en presencia de sobreexpresión de tau indujo un aumento de la fosforilación de tau en Thr212.
El conjunto de resultados demuestra:
1. La identificación del gen DYRK1A del cromosoma 21 como factor genético implicado en el desarrollo de la EA.
2. La proteína Aß, en especial la Aß42, promueve un aumento de la transcripción de DYRK1A en células de neuroblastoma, y esto se observa también en modelos de ratones transgénicos. Es posible, pues, que haya un rasgo común en el SD y en la EA: el aumento de la transcripción de DYRK1A.
3. La enzima DYRK1A es una cinasa que se autofosforila (en tirosina) y que fosforila otras proteínas (serina/treonina). La sobreexpresión de este gen hiperfosforila la proteína tau, un rasgo típico de los ovillos neurofibrilares de la EA.
4. De este modo, DYRK1A podría ser el eslabón patogénico entre el exceso de Aß42 y la proteína tau hiperfosforilada, que se aprecia en la EA. El exceso de Aß podría elevar la transcripción del gen DYRK1A (ya sobreexpresado de por sí en el SD), y el incremento de la enzima DYRK1A provocaría la fosforilación de tau.
DYRK1A y plasticidad sináptica
Artículo de investigación publicado:
Título: DYRK1A BAC transgenic mice show altered synaptic plasticity with learning and memory defects
Autores: Kyoung-Jin Ahn, Hey Kyeong Jeong, Han-Saem Choi, Soo-Ryoon Ryoo, Yeon Ju Kim, Jun-Seo Goo, et al.
Revista: Neurobiology of Disease 22: 463-472, 2006
Un grupo coreano de investigación liderado por Woo-Joo Song ha analizado la participación del gen DYRK1A en la actividad cerebral del ratón utilizando un nuevo modelo de ratón transgénico. Para ello generó ratones transgénicos DYRK1A utilizando un cromosoma artificial bacteriano (BAC) que contiene solamente el fragmento completo del gen DYRK1A humano, incluyendo el promotor endógeno humano. Este modelo difiere de los transgénicos DYRK1A utilizados hasta ahora que tenían copias del gen murino; en el nuevo modelo el gen humano se integra, y se obtienen ratones que sobreexpresan la proteína Dyrk1A en una proporción 1,5 veces que la de los ratones control, participando el Dyrk1A murino y el DYRK1A humano.
En este nuevo modelo de ratones BAC TG, apreciaron los siguientes resultados:
1. Graves deficiencias de memoria y aprendizaje en el test de Morris.
2. Alteraciones en las dos formas de plasticidad sináptica del hipocampo: la potenciación a largo plazo fue incrementada, y la depresión a largo plazo fue disminuida, provocando de ese modo modificaciones bidireccionales de la plasticidad sináptica.
Estas modificaciones en la electrofisiología sináptica son opuestas a las que se han observado en los modelos de ratones trisómicos Ts65Dn y Ts1Cje. Es posible que en estos dos modelos en los que la trisomía se extiende a muchos otros genes, estos genes influyan de forma contrapuesta a como lo hace el gen Dyrk1A.
A diferencia de lo observado en otros modelos transgénicos Dyrk1A, no se apreciaron anomalías en la función motora.
Por el hecho de albergar un gen completamente humano, el modelo es considerado muy útil para investigar sobre el papel del gen Dyrk1A en los mecanismos propios del aprendizaje.
¿Es posible contrarrestar la actividad cinásica del Dyrk1A?
Artículo de investigación publicado:
Título: Putative therapeutic agents for the learning and memory deficits of people with Down syndrome
Autores: Nam Doo Kim, Jeonghyeok, Jung Ho Kim, Jung Tale Lee, Yong Sog Chon, My-Kyung Hwang, Ilho Ha, Woo-Joo Song
Revista: Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 16:3772-3776, 2006
A la vista de las alteraciones que provoca la sobreexpresión del gen Dyrk1A, el mismo grupo coreano que elaboró el nuevo modelo de ratón transgénico con un BAC que contiene DYRK1A humano y analizó las consecuencias de dicha sobreexpresión sobre el funcionamiento cerebral, descritas en el resumen anterior, está tratando de encontrar compuestos químicos que sean capaces de contrarrestar la hiperactividad bioquímica resultante de la sobreexpresión de esta cinasa.
Para ello han iniciado análisis sistemáticos in vivo e in vitro de compuestos que sean inhibidores de cinasas, y que muestren selectividad por la cinasa Dyrk1A. Han utilizado tecnología de modelos in silico para estudiar el sitio exacto de esta proteína en el que se fija el ATP, estudiando las interacciones moleculares (p. ej., puentes de hidrógeno), su repercusión en la acción catalítica, y han rastreado la eficacia de compuestos orgánicos que inhiban estas acciones, incluidas la autofosforilación de Dyrk1A y las fosforilaciones de otros sustratos. Así se han seleccionado dos productos activos in vitro e in vivo.
Queda un largo camino por recorrer. Pero este trabajo ofrece la posibilidad de comprobar en modelos vivos trisómicos si la inhibición específica de la actividad cinásica de Dyrk1A es capaz de recuperar parte de las alteraciones que estos ratones muestran en sus procesos de conducta y de aprendizaje.
