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Artículo 11: Hipótesis de la dosis génica

Más allá de la hipótesis de la dosis génica

Mara Dierssen

A lo largo de la última década, nuestra visión de los mecanismos que subyacen en el síndrome de Down ha evolucionado de forma radical. Nos damos cuenta ahora de que el desarrollo del cerebro y la cognición en este trastorno se encuentra alterado no sólo por la sobreexpresión de genes específicos sensibles a la dosis sino también por la desregulación de elementos genéticos no codificadores, por la expresión anormal de genes que no pertenecen al cromosoma 21, y por un conjunto de influencias epigenéticas.

Durante muchos años, los investigadores sobre el síndrome de Down se centraron en la exploración de los genes que pudiesen ser candidatos para explicar el síndrome de Down y las interacciones entre ellos. Sin embargo, faltan todavía piezas fundamentales en este rompecabezas de la relación genotipo-fenotipo en el síndrome de Down. Además de la pregunta sobre cómo los genes sobredosificados (por haber 3 copias en lugar de 2) contribuyen a los fenotipos que observamos, han de ser tenidos también en cuenta los efectos resultantes de las secuencias de ADN no codificante sobre el cerebro. En esta última década, se ha prestado creciente atención a explorar de qué manera este otro código oculto en el genoma contribuye al síndrome de Down.

El cromosoma 21 humano (HSA21) tiene ~48 Mb, lo que lo convierte en el cromosoma humano más pequeño: supone el ~1,5% del genoma humano. El brazo largo de este cromosoma (21q) fue secuenciado completamente hace más de una década, y los estudios más recientes muestran que contiene 696 genes, incluyendo no menos de 235 genes codificadores de proteínas y 142 pseudogenes (Sturgeon y Gardiner, 2011). Sobre la base  de estudios genotipo-fenotipo en pacientes con duplicación segmentaria parcial del HSA21, los investigadores definieron una región de ~5,4 Mb en la región HSA21q22 a la que denominaron región crítica del síndrome de Down (DSCR) (Delabar et al., 1993). Esta región contiene ~50 genes, y se estableció un debate que duró años sobre si la trisomía de esta región era suficiente para explicar la mayoría de los síntomas y signos de este trastorno, incluida la discapacidad intelectual (Delabar et al., 1993; Korenberg et al., 1994; Korbel et al., 2009). Los estudios más recientes que han incluido un número mayor de casos con trisomía parcial y un mapeo genético más detallado, han demostrado que regiones diferentes del HSA21 contribuyen a diferentes fenotipos relacionados con este trastorno, lo que contradice a la presencia de una única región crítica del HSA21 (Korbel et al., 2009; Lyle et al., 2009). Más bien, la identificación de personas con trisomía parcial del  HSA21 que muestran rasgos importantes de síndrome de Down pero que no tienen copia adicional de esta región DSCR, ha llevado a proponer que dicha región es una región de susceptibilidad que puede verse modificada por otros sitios (loci) del HSA21 y de otros cromosomas, dentro del genoma (Lyle et al., 2009).

Se han propuesto otras diversas hipótesis que no se excluyen mutuamente para explicar los fenotipos vinculados a la trisomía 21 (Dierssen et al., 2001; Pritchard et al., 2008). La hipótesis llamada ‘dosis génica’ establece que dichos fenotipos son la consecuencia del desequilibrio dosis-génico debido a la sobreexpresión de genes individuales que lo causan (Pritchard y Kola, 1999). Los criterios que han sido usados para identificar dichos genes como candidatos que determinan su posible papel en la enfermedad han sido su localización en la DSCR, su tipo de expresión en el cerebro, y la función de las proteínas que ellos codifican.

Aplicando tales criterios, se ha propuesto a varios genes localizados en la DSCR como factores contribuyentes a los fenotipos cerebrales vinculados al síndrome de Down; estos genes incluyen DYRK1A (dual specificity tyrosine-phosphorylation-regulated kinase 1A), SIM2 (single-minded homologue 2), DSCAM (Down syndrome cell adhesion molecule),  y KCNJ6 (que codifica el canal 2 de potasio de rectificación de entrada activado por proteína G [GIRK2]) (Dierssen et al., 2009; Wiseman et al., 2009). El efecto de la sobreexpresión de estos genes sobre los fenotipos del síndrome de Down puede derivar de su regulación directa o indirecta sobre funciones neurales específicas. Debe tenerse en cuenta que el efecto de la sobreexpresión de ungen y, por supuesto, el nivel de dicha sobreexpresión, puede variar en función del fondo genético. Y así, el efecto potencialmente perjudicial derivado del aumento de dosis de un gen puede verse mitigado mediante la regulación específica de un gen a nivel de  transcripción o post-transcripción, o mediante interacciones con el resto de los genes de la región trisómica, o mediante mecanismos de retroalimentación o neutralización en las redes de expresión, en las que intervienen genes que se encuentran en cromosomas distintos del HSA21.

Es importante considerar que los cambios provocados por la trisomía en los niveles  de proteínas codificadas por HSA21 que poseen funciones reguladoras principales (master), como son las de transcripción y corte/empalme de mARN (Tolber et al., 2010; Kahlem et al., 2004; Arron et al., 2006), pueden ejercer efectos muy extensos mediante la promoción o inhibición de la transcripción y corte/empalme de genes que pueden ser ajenos al HSA21. Un análisis reciente de ontología génica mostró que un cierto número de proteínas derivadas del HSA21 se encuentran implicadas en la regulación de la transcripción (Vilardell et al., 2011). Por ejemplo: RUNX1 (factor de transcripción del dominio RUNT), BACH1 (factor de transcripción de homología 1 de BTB y CNC) (Ferrando-Miguel et al., 2003), y ERG (un miembro de la familia ETS de factores de transcripción) (Shim et al., 2003), que probablemente contribuyen al aumento del riesgo de leucemias propio del síndrome de Down (Osato e Ito, 2005); DYRK1A, implicada en el desarrollo del cerebro, la función motora y la cognición (Tolber et al., 2010; Altafaj et al., 2001; Ahn et al., 2006) y contribuye al desarrollo de la neuropatología propia de la enfermedad de Alzheimer, tal como se observa en el síndrome de Down (Ferrer et al., 2005); y la calcipresina 1 (codificada por RCAN1) (Fuentes et al., 1995), que interactúa con la calcineurina A e inhibe eficientemente la actividad fosfatasa de esta última. Lo interesante es que se ha propuesto que el aumento en la expresión de algunas de estas proteínas puede actuar de forma cooperadora en la desregulación de vías comunes de señalización.

Claro ejemplo de esta actividad cooperadora es la mantenida por la calcipresina 1 y la DYRK1A, ya que el aumento en la expresión de ambas proteínas desestabiliza un mecanismo regulador de transcripción, como es el NFATc (nuclear factor of activated T cells, cytoplasmic 1). Este factor, para ser activo, ha de estar en forma desfosforilada. Pues bien, la DYRK1A fosforila el factor de transcripción con lo cual reduce su actividad. Pero DYRK1A también fosforila a la calcipresina 1 en Thr192, elevando de este modo la capacidad de la calcipresina de inhibir la actividad fosfatasa de la calcineurina, que habría de ejercer sobre NFATc, es decir, le priva de su capacidad de reducir el grado de fosforilación del factor de transcripción. De este modo, este factor se ve sometido a un aumento de fosforilación, por una parte, y a una disminución de la acción contraria (fosfatásica), por otra. El resultado final es que la sobreexpresión de ambas, calcipresina 1 y DYRK1A, confluyen en reducir la actividad transcripcional de NFATc, y esta disfunción podría estar en la base de los déficit observados en varios órganos y sistemas de las personas con síndrome de Down (Arron et al., 2006).

El amplio despliegue de los efectos propios de los genes reguladores master refuerza la noción  de que las modificaciones anormales en la regulación transcripcional pueden estar ampliamente relacionadas con las alteraciones cerebrales que se observan en el síndrome de Down. Concretamente, en un meta-análisis estadístico de 45 juegos heterogéneos de datos públicamente disponibles sobre el síndrome de Down (Vilardell et al., 2011), los autores identificaron 324 genes con efectos dosis en todo el genoma, de los cuales la mayoría estaba localizada en cromosomas distintos del HSA21, lo que refuerza la importancia potencial de la regulación transcripcional de genes que no son HSA21 en el síndrome de Down. Este análisis de la ontología de genes reveló que existía un desequilibrio dosis-génico en genes implicados en la regulación de la transcripción a nivel del cerebro (RUNX1 y TP53), desarrollo del sistema nervioso (DLX5, FOS, HES1, STAT3 y EP300), génesis axónica (DLX5, NOTCH1 y CREB1), regulación positiva de la diferenciación neuronal (HOXC8, NOTCH1 y RUNX1), regulación negativa de la diferenciación neuronal (HES1, NOTCH1 y REST), y regulación de la plasticidad sináptica a largo plazo en el aprendizaje y memoria (EGR1 y JUN) (Vilardell et al., 2011).

En contraste con la hipótesis dosis-génica, la hipótesis de la ‘amplificación de la inestabilidad en el desarrollo’ (Shapiro, 1975) propone que el desequilibrio de dosis del HSA21 provoca una perturbación inespecífica de la homeostasis celular. De este modo, el tamaño de la región cromosómica triplicada guardaría correlación con el grado de disfunción cognitiva (Shapiro, 2001), algo que ha sido propuesto en algunos estudios animales (Olson et al., 2004). Sin embargo, algunos pacientes con trisomía completa muestran una discapacidad intelectual muy ligera, lo que contradice esta hipótesis (Korbel et al., 2009). En cambio, resultados recientes obtenidos en ratones ofrecen argumentos iniciales que apoyan la hipótesis de que no son genes específicos sino dominios completos cromosomas ‘sensibles a la dosis’ (Yu et al., 2010), incluidos genes y elementos no génicos (Korbel et al., 2009; Lyle et al., 2009) los que determinan el fenotipo inicial.

En resumen, aunque poderosos argumentos sugieren que el desequilibrio de dosis referido a genes individuales específicos del HSA21 contribuye directamente a algunos fenotipos vinculados al síndrome de Down, se necesitan mecanismos adicionales, más globales, para explicar plenamente la complejidad de manifestaciones de este trastorno (ver Observaciones). Entre estos mecanismos globales se pueden encontrar alteraciones en el número de copias de elementos genómicos funcionales, no-tradicionales. Por ejemplo, hay sobreexpresión en el HSA21 de microARNs derivados del HSA21 en muestras de cerebro y corazón del síndrome de Down (Khun et al., 2008), lo que provoca una represión inadecuada de específicas proteínas diana que van asociadas a fenotipos específicos (Khun et al., 2010). Por último, aunque no menos importante, los mecanismos epigenéticos podrían también provocar cambios estables en la función cerebral del síndrome de Down. Concretamente, la metilación del ADN, de la que sabemos que ejerce un papel en el control de la expresión de los genes, se encuentra alterada en muestras sanguíneas del síndrome de Down (Loudin et al., 2011). Además, algunos datos sugieren que fenotipos específicos vinculados con el síndrome de Down podrían ser explicados por una modificación de la arquitectura de la cromatina dentro del núcleo (ver Observaciones).

Podemos vislumbrar una nueva hipótesis acerca de la inestabilidad del genoma en la que el efecto adicional de múltiples genes HSA21 y no-HSA21, que se ven afectados por el desequilibrio de dosis, se combina con: a) cambios en la regulación funcional ejercida por los mARNs u otros elementos reguladores no codificantes, y b) la modulación de los factores epigenéticos.

Observaciones complementarias

La ‘materia oscura’ celular en el síndrome de Down

Hay nuevos y excitantes hallazgos que sugieren que el SD puede deberse a los efectos derivados de las alteraciones en el número de copias de elementos genómicos funcionales no tradicionales, así como de la alteración directa e indirecta en la expresión génica de los cromosomas HSA21 y no HSA-21. Los ARNs pequeños y no codificantes se encuentran en tal abundancia que se los apodó con el nombre de ‘materia oscura’ de la célula (Ponting y Belgard, 2010). Abarcan a los microRNAs (miRNAs), los RNAs que interactúan con PIWI (piRNAs) y los pequeños RNAs endógenos con capacidad de interferir. Recientemente se ha investigado la potencial contribución de los miRNAs a la patogenia del síndrome de Down. El HSA21 contiene al menos cinco genes miRNAs  (miR-99a, let-7c, miR-125b-2, miR-155 y miR-802), que se encuentran sobreexpresados en el cerebro del síndrome de Down (Elton et al., 2010), y pueden provocar una reducción en la expresión de específicas dianas proteicas, capaz de contribuir a los fenotipos del síndrome (Khun et al. 2010). Los pequeños RNAs reguladores, especialmente los miARNs, están regulados de forma dinámica en la neurogénesis y en el desarrollo del cerebro, y se les requiere críticamente para la conversión de la memoria a corto plazo, que es lábil, en memoria a largo plazo. Otras formas de RNA, como los piRNAs, se ven implicados en la modulación epigenética que podría conducir también a una expresión inapropiada o silenciamiento de genes, provocando un conjunto de alteraciones multisistémicas (Senti y Brennecke, 2010). Además de los ARNs cortos, nuevos participantes como son los RNAs largos no codificantes, pueden contribuir también a la fisiopatología del síndrome de Down.

La conformación de cromatina en el cromosoma 21

La conformación de cromatina es altamente dinámica, y se ha comprobado recientemente que su organización tridimensional juega un papel importante en la regulación de la transcripción génica (Singh Sandhu et al., 2011). Por ejemplo, elementos que se encuentran bien apartados en una secuencia genómica unidimensional (linear) o incluso en diferentes cromosomas, podrían interactuar mediante contactos físicos. El análisis de los modelos murinos de síndrome de Down Ts65Dn, Ts1Cje y Rb2Cje reveló que fue la presencia del cromosoma extra, y no el contenido trisómico de genes, el factor determinante para que hubiera espermatogénesis y fertilidad (Reinholdt et al., 2009).

Bibliografía

Ahn KJ. DYRK1A BAC transgenic mice show altered synaptic plasticity with learning and memory defects. Neurobiol Dis 2006; 22: 463-472.

Altafaj X et al. Neurodevelopmental delay, motor abnormalities and cognitive deficits in transgenic mice overexpressing Dyrk1A (minibrain), a murine model of Down’s syndrome. Hum Mol Genet 2001; 10: 1915-1923.

Arron JR et al. NFAT dysregulation by increased dosage of DSCR1 and DYRK1A on chromosome 21. Nature 2006; 441; 595-600.

Delabar JM et al. Molecular mapping of twenty-four features of Down syndrome on chromosome 21. Eur J Hum Genet 1993; 1: 114-124.

Dierssen M et al. Functional genomics of Down syndrome: a multidisciplinary approach. J Neural Transm. Suppl. 2001; 61: 131-148.

Dierssen M, et al. Aneuploidy: from a physiological mechanism of variance to Down syndrome. Physiol Rev 2009; 89: 887-920.

Elton TS et al. Trisomy-21 gene dosage over-expression of miRNAs results in the haploinsufficiency of specific target proteins. RNA Biol 2010; 7: 540-547.

Ferrando-Miguel R et al. Overexpression of transcription factor BACH1 in fetal Down syndrome brain. J Neural Transm. Suppl. 2003; 67: 193-205.

Ferrer I, et al. Constitutive Dyrk1A is abnormally expressed in Alzheimer disease, Down syndrome, Pick disease, and related transgenic models. Neurobiol Dis 2005;20: 392-400.

Fuentes JJ et al. A new human gene from the Down syndrome critical region encodes a proline-rich protein highly expressed in fetal brain and heart. Human Mol Genet 1995; 1935-1944.

Kahlem P et al. Transcript level alterations reflect gene dosage effects across multiple tissues in a mouse model of Down syndrome. Genome Res 2004; 14: 1258-1267.

Khun DE et al. Chromosome 21-derived microRNAs provide an etiological basis for aberrant protein expression in human Down syndrome brains. J Biol Chem 2010; 285: 1529-1543.

Khun DE et al., Human chromosome 21-derived miRNAs are overexpressed in Down syndrome brains and hearts. Biochem Biophys Res Commun 2008; 370: 473-477.

Korbel JO et al. The genetic architecture of Down syndrome phenotypes revealed by high resolution analysis of human segmental trisomies. Proc Natl Acad Sci USA 2009; 106: 12031-12036.

Korenberg JR et al. Down syndrome phenotypes: the consequences of chromosomal imbalance. Proc Natl Acad Sci USA 1994; 91: 4997-5001.

Loudin MG et al. Genomic profiling in Down syndrome acute lymphoblastic leukemia identifies histone gene deletions associated with altered methylation profiles. Lukemia 2011; 25: 1555-1563.

Lyle R et al. Genotype-phenotype correlations in Down syndrome identified by array CGH in 30 cases of partial trisomy and partical monosomy chromosome 21. Eur J Hum Genet 2009; 17: 454-466.

Olson et al. Down syndrome mouse models Ts65Dn, Ts1Cje, and Ms1Cje/Ts65Dn exhibit variable severity of cerebellar phenotypes. Dev Dyn 2004; 230: 581-589.

Osato M, Ito Y. Increased dosage of the RUNX1/AML1 gene: a third mode of RUNX leukemia? Crit Rev Eukaryot Gene Expr 2005; 15: 217-228.

Ponting CP, Belgard TC. Transcribed dark matter: meaning or myth? Hum Mol Genet 2010; 19: R162-R168.

Pritchard M et al. Down syndrome and the genes of human chromosome 21: current knowledge and future potentials. Cytogenet Genome Res 2008; 121: 67-77.

Pritchard M, Kola I. The “gene dosage effect” hypothesis versus the “amplified developmental instability” hypothesis in Down Syndrome. J Neural Transm. Suppl. 1999; 57: 293-303.

Reinholdt LG et al. Meiotic behavior of aneuploid chromatin in mouse models of Down syndrome. Chromosome 2009; 118: 723-736.

Senti KA y Brennecke J. The piRNA pathway: a fly’s perspective on the guardian of the genome. Trends Genet 2010; 26: 499-509.

Shapiro BL. Developmental instability of the cerebellum and its relevance to Down syndrome. J Neural Transm. Suppl. 2001; 61: 11-34.

Shapiro PL. Amplified developmental instability in Down’s syndrome. Ann Hum Genet 1975; 38: 429-437.

Shim KS et al.  Aberrant protein expression of transcription factors BACH1 and ERG, both encoded in chromosome 21, in brains of patients with Down syndrome and Alzheimers’s disease. J Neural Transm. Suppl. 2003; 67: 39-49.

Singh Sandhu K et al. Chromatin interaction networks and higher order architectures of eukaryotic genomes. J Cell Biochem 2011; 112: 2218-2221.

Sturgeon X, Gardiner KJ. Transcript catalogs of human chromosome 21 and orthologous chimpanzee and mouse regions. Mamman Genom  2011; 22: 261-271.

Tolber D et al. Engineering DYRK1A overdosage yields Down syndrome-characteristic cortical splicing aberrations. Neurobiol Dis 2010; 40: 348-359.

Vilardell M et al. Meta-analysis of heterogeneous Down syndrome data reveals consistent genome-wide dosage effects related to neurologic processes. BMC Genomics 2011; 12: 229.

Wiseman FK et al. Down syndrome ― recent progress and future prospects. Human Mol Genet 2009; 18: R75-R83.

Yu et al. effects of individual segmental trisomies of human chromosome 21 syntenic regions on huppocampal long-term potentiation and cognitive behaviors in mice. Brain Res 2010; 1366: 162-171.

Nota. El presente artículo forma parte de una revisión que la autora publicó en la revista Nature Reviews Neuroscience en diciembre de 2012, con el título “Down syndrome: the brain in trisomic model”, doi: 10.1038/nm3314.