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Artículo 9: Responsables génicos en el síndrome de Down

Buscando los responsables génicos en el síndrome de Down

E. Lana-Elola, S.D. Watson-Scales, E.M.C. Fisher, V.L.J. Tybulewicz

Disease Models & Mechanisms, 4: 586-595, 2011

Introducción

Aunque la causa genética subyacente del síndrome de Down, la trisomía del cromosoma humano 21 (Hsa21), es la misma en la mayoría de las personas con síndrome de Down, la penetrancia de las patologías resultantes es variada. Por ejemplo, la mayoría muestran dificultades de la memoria y del aprendizaje, alteraciones craneofaciales e hipotonía muscular, pero sólo algunas tienen malformaciones cardíacas congénitas, leucemia o anomalías intestinales. Además, la intensidad con que se muestran estos defectos es variable. Por ejemplo, el grado de alteración cognitiva varía ampliamente entre los distintos individuos con síndrome de Down.

La hipótesis prevalente para explicar las causas genéticas responsables de la patología síndrome de Down es que los fenotipos individuales están causados por una copia extra de uno o más de los ~310 genes presentes en el Hsa21 (según Ensembl release 62, que incluye los genes conocidos y los recién identificados que codifican proteínas y los RNA, pero excluyen los pseudogenes). Son descritos estos genes como sensibles a la dosis, es decir, cuanto más copias hay de ese gen mayor es su actividad (en adelante: genes dosis-sensibles); se está haciendo un enorme esfuerzo para identificar los genes dosis-sensibles responsables de cada uno de los fenotipos propios del síndrome de Down. Se confía que la identificación de tales genes nos lleve a comprender mejor los mecanismos moleculares que subyacen en la presencia de estas patologías, y que eso nos permita encontrar una mejor terapéutica.

La búsqueda de estos genes responsables y dosis-sensibles se ha valido tanto de la genética humana como animal. En los seres humanos las escasas trisomías parciales del Hsa21 han sido utilizadas para constreñir o limitar las regiones del cromosoma que podrían contener los genes dosis-sensibles. Los primeros estudios sugerían que existía una región limitada del Hsa21, llamada la región crítica del síndrome de Down (DSCR), la cual contendría uno o más genes dosis-sensibles capaces de contribuir a muchos de los rasgos fenotípicos del síndrome de Down. Sin embargo, estudios ulteriores que incluyeron un mayor número de casos de trisomía parcial y un mapeo genético más detallado han demostrado que regiones diferentes del Hsa21 contribuyen a fenotipos diferentes, contradiciendo así a la hipótesis de una única DSCR. A pesar de estos estudios, está claro que el uso de trisomías parciales humanas para identificar genes dosis-sensibles se ve muy limitado por la escasez de trisomías parciales, la heterogeneidad del fenotipo específico y la variabilidad genética entre los individuos.

Se ha conseguido progresar más en la búsqueda de estos genes dosis-sensibles gracias a la generación de varios modelos de ratón (murinos) para el síndrome de Down. El Hsa21 participa de una sintenía conservada con regiones ortólogas de tres cromosomas murinos, el Mmu10, el Mmu16 y el Mmu17. Los dos primeros modelos producidos fueron el ratón Ts65Dn y el Ts1Cje, que tenían duplicaciones de partes del Mmu16 ortólogas al Hsa21. La cepa Ts65Dn lleva un cromosoma extra que tiene una región del Mmu16 translocada en un segmento corto del Mmu17, y de este modo es trisómico para ~104 genes del Mmu16 que son ortólogos a los genes del Hsa21. El Ts1Cje tiene una duplicación de una región más corta que abarca ~81 genes ortólogos a los del Hsa21. Ambas cepas muestran algunos de los rasgos del síndrome de Down, incluidas las dificultades de aprendizaje, por lo que han sido utilizadas para restringir la búsqueda de genes dosis-sensibles. Más recientemente, la tecnología Cre-loxP ha permitido elaborar de forma más precisa las duplicaciones de regiones ortólogas al Hsa21. Por ejemplo, el ratón Ts1Rhr lleva una duplicación de la región del Mmu16 que es ortóloga a la de la DSCR, y por tanto es trisómica para ~33 genes ortólogos del Hsa21, mientras que el ratón ‘triple trisómico’ Dp(10)1Yey;Dp(16)1Yey;Dp(17)1Yey tiene duplicaciones del Mmu10, Mmu16 y Mmu17, originando una trisomía para todos los ~250 genes de ratón que son ortólogos con los genes del Hsa21. Esta última cepa es el modelo de síndrome de Down más completo del que disponemos actualmente.

Ver figura 1.

 

Figura 1. Hsa21, regiones ortólogas del ratón y modelos murinos de síndrome de Down.  (A) Un diagrama esquemático del Hsa21 que indica las posiciones aproximadas de genes dosis-sensibles candidatos señalados en la Tabla 1, y las regiones ortólogas en los cromosomas de ratón: 10 (azul), 16 (verde) y 17 (rojo). El círculo negro indica el centrómero y el rectángulo marrón muestra la región aproximada de la DSCR. (B) se muestra la extensión de la región trisómica en los modelos murinos de SD analizados en el texto. El ratón Tc1 lleva una copia de Hsa21 (con algunas delecciones), mientras que los otros modelos contienen duplicaciones de las regiones de ratón que son ortólogas con el Hsa21. (C) Cruzamientos de cepas de ratón cuyos análisis se han publicado. En los casos en los que una cepa con copias extra de genes se ha cruzado con otra deficitaria [Ms1Rhr, Ms4Yah o Df(16)2Yey], las regiones en las que la dosis génica ha sido reducida de tres a dos copias son señaladas con una caja amarilla. Debajo de B y C, las cajas rojas y verdes indican la presencia o ausencia, respectivamente, de fenotipos en las siguientes áreas: aprendizaje y memoria (LM), electrofisiología (E) corazón (H) y craneofacial (CF). Las cajas grises indican que no se ha publicado ningún dato. Para más detalles, véase el texto.

Hace unos años creamos un modelo murino diferente, llamado Tc1, que lleva una copia libre de Hsa21. Este cromosoma tiene algunas delecciones y por tanto contiene ~83% de los genes del Hsa21. El Tc1 tiene la ventaja de permitir estudiar los genes humanos del Hsa21, incluidos unos cuantos que no se encuentran en regiones ortólogas de Mmu10, Mmu16 y Mmu17. La caracterización fenotípica demostró que los ratones Tc1 muestran varios de los fenotipos propios del síndrome de Down, como por ejemplo el trastorno del aprendizaje y la memoria, problemas cardíacos, anomalías craneofaciales y menor angiogénesis en los tumores.

Para completar el mapeo de los genes dosis-sensibles en estos modelos trisómicos, se dispone de una nueva técnica: los ratones trisómicos son cruzados con cepas que llevan pequeñas delecciones en su segmento trisómico, lo que reduce el número de copias de algunos de los genes trisómicos, de tres a dos. Si este cruce rescata un fenotipo, esto indica la presencia de uno o más genes dosis-sensibles en el intervalo suprimido del cromosoma. Por ejemplo, la cepa Ms4Yah, que lleva una delección de la región del Mmu10 que es ortóloga a la del Hsa21, fue cruzado con una cepa Tc1 y demostró que genes trisómicos en este intervalo no contribuyen a los defectos en el aprendizaje. Estos cruzamientos de mapeo pueden ampliarse con delecciones cada vez más pequeñas, hasta que finalmente los genes individuales dosis-sensibles puedan ser identificados cruzando el modelo de ratón con un ‘knockout’ para el gen en cuestión.

En esta revisión, presentamos el progreso realizado en la identificación de genes dosis-sensibles que puedan ser responsables de diversos fenotipos del síndrome de Down, como resultado de la utilización de la genética humana y murina. Ver tabla 1.

Tabla 1. Genes dosis-sensibles que son candidatos de causar fenotipos propios del síndrome de Down

Fenotipo

Genes dosis-sensibles que son candidatos

Referencias

Aprendizaje, memoria, desarrollo cerebral

OLIG1a, OLIG2a

Chakrabarti et al., 2010

DYRK1A

Smith et al., 1997; Altafaj et al., 2001; Ahn et al., 2006

SIM2

Ema et al., 1999

DSCAM

Alves-Sampaio et al., 2010

SYNJ1

Voronov et al., 2008

APP

Netzer et al., 2010

Neurodegeneración

APPa

Salehi et al., 2010

DYRK1A

Liu et al., 2008

Control motor

APP

Trazzi et al., 2011

DYRK1A

Altafaj et al., 2001

ITSN1, SINJ1, DSCR1

Chang y Min, 2009

Anomalías cardíacas

DSCAM

Korbel et al., 2009

SLC19A1

Locke et al., 2010

COL6A1

Davies et al., 1994, 1995

Leucemias

ETS2, ERG

Rainis et al., 2005;

Stankiewicz y Crispino, 2009

Reducción de tumores sólidos

ETS2a

Sussan et al., 2008

DSCR1a

Baek et al., 2009

ADAMTS1. ERG, JAM2, PTTG1IP

Reynolds et al., 2010

Alteraciones craneofaciales

ETS2

Sumarsono et al 1996

Se han incluido sólo los genes para los que existe una evidencia directa de que el aumento de dosis o la variación alélica (SLC19A1, COL6A1) del gen induce el fenotipo.
a Genes para los que la reducción de tres a dos copias revierte el fenotipo en un modelo de ratón

Aprendizaje y memoria; desarrollo y función cerebrales

Como hemos ya indicado, todas las personas con síndrome de Down muestran alguna forma de trastorno en su aprendizaje y memoria que varía en su intensidad entre los diversos individuos. Los estudios en cerebros humanos y en modelos murinos han mostrado la presencia de alteraciones en los procesos de la neurogénesis, la sinaptogénesis, la transmisión sináptica y las vías de señalización celular, que en su conjunto explican el fenotipo cognitivo. Para algunos autores, todos estos defectos terminan por provocar un exceso de neurotransmisión inhibidora en regiones críticas del cerebro.

Los estudios en personas con trisomía parcial del Hsa21 demostraron que son múltiples las regiones del Hsa21 que contribuyen al déficit cognitivo, lo que indica que son varios los genes y las vías implicadas en este particular fenotipo. Los estudios de Korbel et al. (2009) y de Lyle et al., (2009) identificaron la importancia de la porción proximal del 21q. Además, Lyle et al. identificaron una región de 37.94 Mb a 38.64 Mb, mientras que  Korbel et al. comprobaron que la trisomía de la porción más telomérica de 4.6 Mb provocaba los niveles más bajos del CI. Curiosamente y en contraste con este último hallazgo, el análisis de cruzamientos murinos reveló que los genes de las regiones Mmu10 y Mmu17 que son ortólogas las más teloméricas de 4,6 Mb del Hsa21 no contribuían a los defectos en el aprendizaje y la memoria. De hecho, en la cepa Ts1Yah, la trisomía de 12 genes localizados en una región que es ortóloga al Hsa21 produjo una mejoría de los resultados de aprendizaje espacial, e incluso pueden mejorar los resultados de la potenciación a largo plazo.

Los resultados que asocian la trisomía de la DSCR con los defectos neurológicos son ambiguos. Estudios de cromosomas humanos con trisomía parcial de Hsa21 mostraron que no era imprescindible que hubiera tres copias de la región DSCR para que apareciera discapacidad intelectual, aunque los datos no excluyen la posibilidad de que esa región contribuya al fenotipo (Korbel et al., 2009; Lyle et al., 2009). Del mismo modo, los análisis de los modelos animales con o sin tres copias del DSCR muestran que la trisomía de esta región era necesaria pero no suficiente para producir una alteración de la memoria visoespacial. En conjunto, puede afirmarse que varios genes de la región DSCR, en combinación con otros que no se encuentran en dicha región, parecen contribuir en mayor o menor grado al fenotipo cerebral responsable. De los genes de la región DSCR, se han estudiado varios, por ejemplo DYRK1A, SIM2, DSCAM y KCNJ6.

La proteína DYRK1A queda expresada en el sistema nervioso, tanto en desarrollo como en el adulto, y puede inhibir la proliferación de las células promoviendo una diferenciación neuronal prematura, quizá mediante la regulación de la señalización NOTCH. Junto con la proteína RCAN1 (conocida anteriormente como DSCR1), codificada también por su correspondiente gen que se encuentra en el Hsa21, DYRK1A inhibe la translocación al núcleo de factores de transcripción pertenecientes a la familia NAFT. Por ello se ha propuesto que, en el síndrome de Down, la inhibición excesiva de la vía NAFT podría contribuir tanto a las anomalías neuronales como cardíacas. Los ratones transgénicos que contienen un cromosoma YAC de 180 kb que incluye a DYRK1A, o los ratones que sobreexpresan Dyrk1a solo, mostraron serios problemas de aprendizaje y de memoria espacial. Los registros extracelulares de hipocampo en ratones transgénicos DYRK1A mostraron alteraciones en la inducción de la potenciación a largo plazo (LTP) y depresión a largo plazo (LTD, un debilitamiento selectivo de las sinapsis durante el proceso de memoria y aprendizaje), si bien los cambios observados iban en dirección opuesta a lo que se aprecia en otros modelos murinos trisómicos más complejos, como el Ts65Dn y Ts1Cje. No obstante, estos estudios demuestran que DYRK1A podría afectar el equilibrio entre la transmisión excitadora e inhibidora. Pero no deja de sorprender que pequeñas duplicaciones segmentarias humanas que incluyen a al gen DYRK1A no se acompañan de reducciones graves del CI, lo que indica que la implicación de este gen en las alteraciones cerebrales no es definitoria de discapacidad intelectual.

El factor de transcripción Drosophila single minded es un regulador fundamental del desarrollo. SIM2, que es el ortólogo humano del single minded, se expresa en el en el cerebro humano en desarrollo. Los ratones transgénicos que sobreexpresan Sim2 demuestran trastornos ligeros del aprendizaje y la memoria; sin embargo, no se observó efecto alguno en un ratón transgénico con cromosoma artificial BAC en el que Sim2 se encontraba expresado a partir de su promotor endógeno. Es interesante constatar que SIM2 reprime la expresión de la drebrina al fijarse directamente a su promotor. La drebrina afecta la estructura de las espinas dendríticas y la neuritogénesis, y se encuentra reducida en la corteza de los pacientes con enfermedad de Alzheimer y síndrome de Down.

La molécula de adhesión celular del síndrome de Down (DSCAM) inhibe la ramificación de las dendritas cuando se encuentra sobreexpresada en las neuronas del hipocampo. La señalización del receptor NMDA, un componente importante del aprendizaje y de la memoria, provoca el desplazamiento local de la proteína DSCAM dentro de las dendritas neuronales, un proceso que probablemente contribuya a la plasticidad sináptica. Es interesante saber que se pierde esta translación local de DSCAM en las neuronas del modelo Ts1Cje, el cual contiene tres copias de Dscam.

Kcnj6 (GIRK-2, una subunidad de un canal de potasio rectificador de la corriente interna) se encuentra sobreexpresado en el hipocampo del ratón Ts65Dn, lo que provoca un incremento en la densidad de canales GIRK en las neuronas del hipocampo y un aumento en la corriente rectificadora GIRK en reapuesta a la señalización inhibidora de GABAB. Se ha propuesto que el aumento de dosis de Kcnj6 junto con el de Dyrk1A podría explicar el fenotipo sináptico de los ratones Ts1Rhr.

Varios genes ajenos a la región DSCR aparecen también implicados en los fenotipos neurológicos del SD. Los genes Olig1 y Olig2 codifican factores de transcripción que se ven implicados en la neurogénesis y oligodendrogénesis. El análisis del modelo murino Ts65Dn demostró que la reducción de ambos genes Olig, pasando de tres a dos copias, corregía la sobreproducción de interneuronas inhibidoras y el correspondiente aumento de neurotransmisión inhibidora en el telencéfalo, si bien no se comprobó si ello provocaba una mejoría en la realización de la conducta. Este último estudio es importante porque es uno de los pocos en los que se han identificado de forma directa genes específicos dosis-dependientes, mediante el método clave de reducir el número de copias génicas de tres a dos.

La sinaptojanina 1 (SYNJ1) desfosforila un fosfolípido que es clave en la neurotransmisión normal. En el cerebro de los ratones Ts65Dn se aprecia una alteración el metabolismo de este fosfolípido, un defecto que se normaliza si se reduce el gen Synj1 de tres a dos copias. Además, los ratones transgénicos que sobreexpresan Synj1 muestran defectos de memoria y aprendizaje.

Por último, la aplicación de inhibidores que reducen los niveles de metabolitos de la proteína precursora de amiloide (APP) en ratones Ts65Dn mejora su aprendizaje y memoria, lo que sugiere que la trisomía de APP contribuye a los fenotipos neurológicos del síndrome de Down. Sin embargo, el análisis de las trisomías humanas segmentarias contradice la idea de que el APP tenga un papel importante en estos defectos.

Neurodegeneración

El APP se caracteriza por el comienzo temprano de patrones neuropatológicos propios de la enfermedad de Alzheimer y del eventual inicio de la demencia. El APP es un fuerte candidato de gen dosis-sensible como contribuyente a este fenotipo, porque la proteolisis de la APP genera la proteína β-amiloide (Aβ), el principal constituyente de las placas de amiloide en la enfermedad de Alzheimer, y tanto mutaciones como duplicaciones del gen APP están asociadas al inicio temprano de dicha enfermedad.

Se ha comprobado la degeneración de neuronas colinérgicas de los núcleos basales telencefálicos (BFCN) tanto en seres humanos con enfermedad de Alzheimer como en el ratón Ts65Dn. Las neuronas BFCNs del ratón Ts65Dn muestran un defecto en el transporte retrógrado del factor neurotrófico llamado factor de crecimiento nervioso (NGF) hacia el soma de las células, lo que podría contribuir a su degeneración. Lo que es más importante, la reducción de la dosis de App de tres a dos copias recupera este transporte retrógrado defectuoso y la correspondiente degeneración de las células BFCN en el ratón Ts65Dn. Como contraste, la sobreexpresión de sólo la APP provoca un transporte defectuoso del NGF pero no causa degeneración de las neuronas de las BCNF. En su conjunto, estos estudios sugieren que el aumento de dosis de APP contribuye a la degeneración de los BCNF en el síndrome de Down, pero no es suficiente; lo que implicaría a otros genes del Hsa21 en la expresión de este fenotipo.

Este otro gen podría ser el DYRK1A, cuya proteína es capaz de fosforilar a la APP. En consonancia con esto, los ratones transgénicos que sobreexpresan Dyrk1A muestran niveles mayores de fosforilación de APP y Aβ. Además, DYRK1A puede contribuir también a la patología enfermedad de Alzheimer mediante la fosforilación de la proteína Tau, lo que conduciría a la ulterior fosforilación de la glicógeno sintasa cinasa 3β y posterior agregación de Tau en los ovillos neurofibrilares propios de la neuropatología de la enfermedad de Alzheimer. Los estudios de las trisomías humanas parciales Hsa21 concuerdan con el papel de la sobredosis de APP, pero no del de DYRK1A, en el comienzo temprano de enfermedad de Alzheimer, tal como se ve en el síndrome de Down (Korbel et al., 2009).

Control motor e hipotonía

Los recién nacidos con síndrome de Down presentan hipotonía muscular, y muchas personas con síndrome de Down muestran alguna forma de trastorno motor, descrito como torpeza o déficit en el control motor fino. Sin embargo, en contraste con los defectos cognitivos y cardíacos, estos fenotipos motores y musculares del síndrome de Down no han sido documentados con detalle en términos de penetrancia y gravedad. Los estudios en personas trisómicas han mapeado dos regiones del Hsa21 que, cuando están presentes en tres copias, provocan hipotonía: un intervalo de 37,4 Mb a 38, 4 Mb y una segunda región de 46,5 Mb a 21 qter (Lyle et al., 2009).

Los déficit motores asociados al síndrome de Down se han visto reproducidos en los modelos de ratón, y ambos –seres humanos y modelos murinos trisómicos- muestran reducción de las células granulares del cerebelo, una región del cerebro importante para el control motor fino. Esta reducción en la neurogénesis del cerebelo podría deberse a una alteración en la señalización sónica hedgehog (SHH) a nivel de los precursores neuronales debida a los incrementos en APP, lo que llevaría a una elevación en la expresión del receptor “patched 1” que inhibe la vía de señalización SHH.

Los ratones transgénicos que sobreexpresan Dyrk1A muestran un retraso en su desarrollo neuromotor, con las consiguientes alteraciones en sus tareas motoras. Es interesante constatar que las inyecciones intraestriatales de vectores víricos que expresan shRNA contra el Dyrk1A en estos ratones transgénicos rescataban el problema motor. Como contraste, cepas de ratones transgénicos BAC que sobreexpresan DYRK1A no mostraron un déficit motor significativo, lo que sugiere que los fenotipos motores de los ratones transgénicos Dyrk1A podrían ser consecuencia de una sobreexpresión de DYRK1A a niveles muy por encima de los observados en el SD. Como alternativa, las diferencias de fenotipo podrían deberse a la utilización de Dyr1a de ratón en lugar de DYRK1A humano, a efectos debidos al sitio de inserción de los genes.

Una posible causa de déficit motor en el síndrome de Down podría ser el defecto en la morfología de la sinapsis y del reciclaje de vesículas en la unión neuromuscular. Lo apoya el hecho de que la sobreexpresión de los homólogos en Drosophila de los genes ITSN1, SYNJ1 y DSCR1 en moscas transgénicas provocó problemas locomotores y alteración en el reciclaje de la unión neuromotora, lo que sugiere que estos tres genes, junto con el APP y el DYRK1A, son candidatos de genes dosis-sensibles responsables de los defectos motores en el síndrome de Down.

Defectos cardíacos

Entre el 40 y el 61% de personas con síndrome de Down presentan malformaciones congénitas, que son causa principal de la alta morbilidad o de la mortalidad infantil en las personas con síndrome de Down. Las malformación cardíaca más común es el defecto del septo auriculoventricular (AVSD), al que se considera como hito dentro del síndrome de Down: la incidencia del AVSD está aumentada 1.000 veces en las personas con síndrome de Down, en comparación con el resto de la población.

El análisis de personas con trisomía parcial del Hsa21 reveló la identificación de una región de 2,82 Mb desde el DSCAM al CBS que resultó suficiente pata producir cardiopatías congénitas (Korbel et al., 2009). En cambio, otros estudios demostraron que la variación genética de un gen más telomérico, el COL6A1 que está fuera de esta región, iba asociada a las cardiopatías de la trisomía 21. El COL6A1 codifica  la cadena α1 del colágeno VI, que se expresa en mayor grado en los cojines auriculoventriculares de los corazones de fetos con síndrome de Down, comparado con los controles. Genes del Hsa21 así como de otros cromosomas pueden afectar a la susceptibilidad hacia las cardiopatías congénitas en el síndrome de Down. Se han propuesto a las mutaciones  en la molécula de adhesión celular CRELD1 (codificada por el gen CRELD1 del cromosoma Hsa3) como factores de riesgo para la AVSD en la población euploide, y contribuyen a la AVSD en el síndrome de Down. Otro estudio demostró que los polimorfismos en dos genes de las vías de los folatos, el SLC19A1 y el MTHFR, localizados en el Hsa21 y Hsa1, respectivamente, están asociados con la AVSD en el síndrome de Down.

Mediante microscopía episcópica de alta resolución (HREM) y modelado tridimensional 3D, se observaron en los embriones de ratón Tc1 todo un conjunto de defectos cardíacos, incluida la AVSD, similares a los que aparecen en el síndrome de Down. También se han descrito anomalías cardíacas en los modelos murinos de SD Ts65Dn y Dp(16)1Yey, pero no en el Dp(10)1Yey o Dp(17)1Yey, lo que indica que los genes dosis-sensibles para las cardiopatías congénitas residen en el cromosoma 16. Sin embargo, no se han apreciado AVSD ni en los modelos Ts65Dn ni en el Dp(16)1Yey. Esto podría reflejar una trisomía de diversos paquetes de genes en estos ratones, en comparación con los ratones Tc1 y/o diferencias en el fondo genético. Es también posible que la dificultad en detectar AVSD por los métodos rutinarios puede haber influido en haberla omitido en los ratones Ts65Dn y Dp(16)1Yey; por eso sería muy interesante aplicar también la misma técnica HREM en estos modelos.

Korbel et al., combinaron los resultados obtenidos en los datos de la trisomía segmentaria humana con los datos de los modelos murinos, y propusieron la región de 1,77 Mb desde DSCAM a ZNF295 como la región crítica cardíaca (Korbel et al., 2009). Puesto que DSCAM es el único gen en esta región que se expresa en el corazón, los autores sugirieron que DSCAM era el gen candidato dosis-dependiente para las cardiopatías congénitas en el síndrome de Down.  Sin embargo, no se han apreciado malformaciones cardíacas en el modelo Ts1Rhr, que es trisómico para 33 genes, incluido el Dscam, lo que demuestra que no basta que haya tres copias de Dscam para provocar la cardiopatía propia del síndrome de Down en los ratones trisómicos. Un estudio reciente mostró que la duplicación de una región de 5,43 Mb en Mmu16 desde Tiam1 a Kcnj6 en el modelo Dp(16)2Yey era suficiente para ocasionar defectos cardíacos, excluyendo de nuevo a Dscam y constriñendo más la región que contiene los genes responsables dosis-dependientes.

Leucemia

En comparación con la población sin síndrome de Down, las personas con síndrome de Down tienen un riesgo 18 veces mayor de desarrollar leucemia. En particular, el síndrome de Down va asociado a un incremento de riesgo de 500 veces para el desarrollo de la leucemia megacarioblástica aguda (AMKL). Es interesante que la AMKL está siempre asociada con una mutación estereotípica en el gen GATA1 asociado al cromosoma X, lo que conduce a la síntesis de una proteína trucada llamada GATA1S. Esto ha llevado a sugerir que la presentación de la AMKL requiere la cooperación entre la trisomía del Hsa21 y la mutación GATA1S, junto con otras mutaciones. Las trisomías humanas parciales han mapeado una región de 8,35 Mb del Hsa21 desde RUNX1 hasta CBS como elemento que contribuye a la AMKL. Esta región incluye los genes RUNX1, ERG y ETS2; todos ellos han sido propuestos como posibles contribuyentes a la AMKL del síndrome de Down.

Hasta ahora se ha probado tres modelos murinos de síndrome de Down en relación con la leucemia. Ninguno mostró leucemia pero los en los tres se apreciaron alteraciones de la megacariopoyesis. Los ratones Tc1 tienen anemia macrocítica y los animales viejos muestran esplenomegalia junto con aumento de la megacariopoyesis y eritropoyesis, pero no desarrollan leucemia aguda incluso cuando se cruzan con una cepa que expresa la GATA1S. Tanto los ratones Ts65Dn como los Ts1Cje muestran también anemia macrocítica, mientras que sólo los Ts65Dn presentan un trastorno mieloproliferativo (MPD) con aumento de la megacariopoyesis y eritropoyesis. Estos resultados sugieren que uno o más de los 23 genes que se encuentran en las 3 copias del ratón Ts65Dn pero no en el Ts1Cje son responsables del MPD, mientras que la región trisómica compartida por los dos modelos murinos contiene un gen(es) que contribuye a la anemia macrocítica.

El factor de transcripción RUNX1 codificado en Hsa21 juega un papel clave en la megacariopoyesis y en el mantenimiento de las células madre hematopoyéticas, y por ello se ha propuesto que contribuye a la predisposición hacia la AMKL cuando está presente en tres copias. Sin embargo, los estudios en ratón en los que se ha reducido el número de copias de Runx1 de tres a dos no afectan al MPD en los ratones Ts65Dn, lo que debilita el papel clave de este gen.

Tumores sólidos

Las personas con síndrome de Down tienen menor riesgo de desarrollar casi todos los tipos de tumores sólidos, lo que indica que la trisomía 21 las protege del crecimiento tumoral. Esta observación ha llevado a sugerir que el Hsa21 codifica genes supresores de tumores. El cruce del modelo de ratón ApcMin para cáncer colorrectal con el modelo Ts65Dn o el Ts1Rhr indujo menos tumores en los ratones trisómicos que en los controles euploides. A la inversa, cuando se cruzaron ApcMin con Ms1Rhr (que tienen una monosomía segmentaria para esa misma región de 33 genes que está triplicada en el modelo Ts1Rhr), se apreció un aumento significativo en el número de tumores en comparación con los controles, lo que demuestra la influencia de la dosis génica. Este efecto fue mapeado al gen Ets2, el cual, si está presente con tres copias, inhibe la formación de tumores y, al revés, si se reduce a una sola copia, provoca el aumento del número de tumores. Parecidos estudios realizados en el modelo murino NPcis –que desarrolla altas tasas de linfomas, sarcomas y carcinomas– mostraron también que el genotipo Ts65Dn retrasaba el desarrollo de tumores, si bien en este caso no se apreció el efecto dosis del gen Ets2.

Es interesante conocer la sugerencia propuesta a partir de los últimos datos de que la reducción en el crecimiento de los tumores sólidos en las personas con síndrome de Down puede deberse también a una reducción de la angiogénesis. Líneas de tumores implantados ectópicamente crecieron más lentamente en los ratones Ts65Dn en comparación con controles euploides, lo que indica que el crecimiento del tumor estaba suprimido en los trisómicos debido a los efectos sobre el estroma que les sirve de soporte. El examen histológico de los tumores mostró que tenían menor densidad de microvasos, lo que sugiere que los ratones Ts65Dn tienen un defecto en la angiogénesis del tumor. Se había demostrado previamente que la proteína DSCR1 codificada en Hsa21 inhibe la angiogénesis inducida por el factor de crecimiento del endotelio vascular (VEGF), al atenuar la señalización NFAR, convirtiéndose así en gen candidato para este efecto. Ciertamente, la reducción de la dosis de Dscr1, pasando de tres copias a dos, provocó un aumento en el volumen del tumor y en la angiogénesis del tumor. Otro estudio reciente que utilizó el ratón Tc1 propuso también que la disminución de la angiogénesis contribuye a la reducción del crecimiento tumoral. En este caso, se comprobó que la reducción de la angiogénesis se debía al aumento de dosis de los genes Adamts1, Erg, Jam2 y Pttg1ip. Es interesante observar que el modelo Tc1 no tiene tres copias de Dscr1, por lo que no se puede relacionar a este gen con la reducción de la angiogénesis en el modelo Tc1. Como contraste a estos dos trabajos, el cruce de ratones Ts65Dn con ratones NPcis que son modelo de cáncer no provocó efecto alguno sobre la angiogénesis del tumor, lo que indica que la reducción de la angiogénesis no puede ser tomada como mecanismo universal para explicar la menor incidencia de tumores sólidos en el síndrome de Down. En su conjunto, todos estos estudios indican que la disminución en la frecuencia de los tumores en el síndrome de Down puede deberse al aumento de dosis de varios genes, con efectos tanto sobre las células tumorales como sobre el estroma que les da soporte.

Alteraciones craneofaciales

El rostro característico es uno de los pocos fenotipos que se ven en todas las personas con síndrome de Down, y es el resultado de la dismorfología craneofacial subyacente; eso comprende la reducción del tamaño del cráneo, el occipucio aplastado (porción posterior de la cabeza), braquicefalia (acortamiento del diámetro anteroposterior del cráneo), parte media de la cara más pequeña, y reducción en el tamaño del maxilar y la mandíbula. Las trisomías humanas parciales han mapeado áreas del Hsa21 que contribuyen a estas anomalías craneofaciales, pero no se ha identificado una región concreta (Lyle et al., 2009). Los análisis morfométricos de hueso en ratones Ts65Dn revelaron un patrón de anomalías craneofaciales similares a los vistos en las personas con síndrome de Down, incluida la cara más achatada y pequeña, la braquicefalia, el occipucio aplastado y una mandíbula más pequeña. Posteriores análisis mostraron que los ratones Ts1Cje tienen alteraciones craneofaciales muy parecidas a las de los ratones Ts65Dn, lo que indica que basta la región trisómica de los ratones Ts1Cje (Sod1-Znf295) para producir el fenotipo craneofacial. La sobreexpresión en los ratones de uno de los genes que se encuentran en este intervalo, el Ets2, lleva a anomalías del esqueleto parecidas a las de los humanos con síndrome de Down. Sin embargo, la reducción del número de copias de Ets2, de tres a dos, no rescató el fenotipo craneofacial en los ratones Ts65Dn, lo que demuestra que la trisomía de este gen no es indispensable para la aparición del fenotipo.

El análisis de los ratones Ts1Rhr, que son trisómicos para la región crítica del síndrome de Down (DSCR), mostró que tienen unos cráneos alargados en la dirección rostrocaudal y mayores mandíbulas que los controles euploides, es decir, un fenotipo opuesto al que se ve en las personas con síndrome de Down y en los ratones Ts65Dn, lo que demuestra que la trisomía de la DSCR no es suficiente para producir el fenotipo craneofacial del síndrome de Down. Cuando los ratones Ts65Dn fueron cruzados con Ms1Rhr para reducir las copias de DSCR de tres a dos, se rescató el fenotipo de la braquicefalia pero el patrón de dismorfología en su conjunto fue parecido al visto en el ratón Ts65Dn. En su conjunto, estos resultados demuestran que hay una interacción compleja de los efectos genéticos de los genes, tanto dentro como fuera de la DSCR, que contribuye positiva y negativamente a la expresión de los fenotipos craneofaciales.

Anomalías congénitas digestivas

Estas anomalías tienen una incidencia mayor en el síndrome de Down. Los pacientes con síndrome de Down constituyen ~12% de todos los casos de pacientes con enfermedad de Hirschsprung, y la estenosis duodenal y el ano imperforado aparecen con una probabilidad 260 y 33 veces mayor en el síndrome de Down, respectivamente. La enfermedad de Hirschsprung se debe a la incorrecta inervación de una porción del colon por parte del sistema nervioso entérico; hasta ahora se han asociado con esta enfermedad alteraciones en ~10 genes que no están en el Hsa21. El análisis de las trisomías humanas segmentarias ha definido una región crítica para la enfermedad de Hirschsprung de 13 Mb, que contiene al gen DSCAM, el cual se expresa en las células de la cresta neural que dan origen al sistema nervioso entérico (Korbel et al., 2009). Hasta ahora no se ha implicado a ningún otro gen del Hsa21. Se describió una región crítica superpuesta para la estenosis duodenal y el ani imperforado.

Consideraciones finales

Durante la mayor parte del último siglo, sólo un grupo de estudiosos muy comprometidos abordó el estudio de la genética molecular del síndrome de Down, porque los recursos de que se disponía para el mapeo de genes se limitaban en su mayoría a los casos conocidos de trisomías parciales. A mediados de los 1990, dos nuevos modelos de ratón, el Ts65Dn y el Ts1Cje, mostraron que se repetía en el ratón la sensibilidad a las dosis de genes, originando fenotipos similares a los observados en el síndrome de Down humano. Lo más crucial, estas dos cepas de ratón demostraron que era posible utilizar comparaciones genotipo-fenotipo para mapear los genes causantes dosis-sensibles, estableciendo así el concepto de un panel de mapeo en el ratón.

Estas cepas de ratón trisómico, en combinación con modelos knockouts y transgénicos YAC y BAC, ofrecieron nuevas perspectivas para la identificación de genes individuales dosis-sensibles responsables de los diversos fenotipos. Sin embargo, la escala del problema siguió siendo inmensa, dado que los investigadores trataban de analizar el cromosoma entero, pese a ser el autosoma más pequeño, para ver los efectos de los genes causantes de manera individual. La secuencia de DNA del Hsa21 generó una lista de genes en el cromosoma, y eso es un instrumento esencial para comprender el síndrome de Down, pero no permitió profundizar en la sensibilidad de la dosis. No obstante, en los últimos 10 años, el campo ha conseguido de nuevo dar un paso adelante con la llegada de técnicas de ingeniería cromosómica para crear paneles de mapeo de animales trisómicos que abarcan segmentos enteros del cromosoma humano o de sus regiones ortólogas en el ratón. De este modo, resulta realista ahora utilizar los recursos de la genética del ratón para identificar los genes dosis-sensibles implicados en el síndrome de Down. Los resultados conocidos hasta ahora sugieren que, aunque algunos genes dosis-sensibles ejercen fuertes efectos por sí mismos, es probable que muchos de los fenotipos asociados con el síndrome de Down sean el producto de efectos complejos de interacción entre los genes del Hsa21.

Un objetivo aún más desafiante es comprender la base genética de las grandes variaciones que se observan en los fenotipos síndrome de Down, que probablemente se debe en gran parte a las variaciones alélicas en los genes tanto del Hsa21 como de los demás cromosomas. En los próximos 10 años, los estudios de asociación a todo lo largo del genoma en biobancos de DNA, a partir de personas con síndrome de Down, serán utilizados para identificar más genes como candidatos, y para distinguir los efectos de alelos individuales y de las combinaciones de alelos en el Hsa21 y en los demás cromosomas. Éstos son estudios que han de llevarse a cabo de manera internacional y exigen altos niveles de cooperación entre los diversos países con el fin de recoger muestras de individuos con síndrome de Down y de llevar a cabo análisis estandarizados clínicos y psicométricos de los participantes. Es todo un desafío el que queda por delante para crear estos bancos y ponerse de acuerdo en los tests, pero la comunidad internacional ya se está movilizando e iniciando el abordaje de este problema.

Es ésta una época excitante para implicarse en la dilucidación de la genética molecular del síndrome de Down porque es ahora cuando disponemos de instrumentos para hallar los genes individuales que sean dosis-sensibles, y entender de este modo los efectos biológicos de la trisomía. Existe también una sinergia con los estudios genómicos humanos que están destacando la extraordinaria variabilidad en el número de copias que existe en todos los seres humanos, y por tanto, la importancia de la dosis de gen para cada individuo, no sólo en las personas con síndrome de Down.

Por último, el estudio genético molecular del síndrome de Down es una tarea apasionante que nos ha permitido profundizar más en la biología euploide y aneuploide; pero ¿en qué grado la identificación de genes dosis-sensibles tiene importancia para las personas con síndrome de Down? El trastorno es complejo, pero ya se están desarrollando nuevas terapias que abordan aspectos del síndrome, gracias a la aplicación del conocimiento de los genes dosis-sensibles, en combinación con la investigación sobre su biología. Y esto abarca desde terapias que se encuentran ya en fase de ensayos clínicos para comprobar su capacidad para mejorar la memoria y el aprendizaje en las personas con síndrome de Down, hasta terapias novedosas para combatir la enfermedad de Alzheimer asociada al síndrome de Down. Sin duda, los próximos 10 años de investigación sobre el síndrome de Down se nos muestran muy prometedores.

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