Mecanismos epigenéticos en el síndrome de Down
Autores: Dekker AD, De Deyn PP, Rots MG
Trabajo original: Epigenetics: the neglected key to minimize learning and memory deficits in Down syndrome.
Revista: Neuroscience and Biobehavioral Reviews 2014; 72-84, 2014.
Los mecanismos epigenéticos juegan también un papel importante en la regulación de la expresión de los genes. Por consiguiente, pueden actuar también en los procesos génicos que intervienen en la vida de las células trisómicas. De ahí que puedan influir sobre el desarrollo de determinados rasgos fenotípicos. Son otro factor a considerar.
Un rasgo epigenético se define como un fenotipo establemente heredable que se debe a los cambios producidos en un cromosoma sin que existan alteraciones en la secuencia del ADN. Es decir, los mecanismos epigenéticos regulan la expresión de un gen sin afectar al propio ADN. De hecho, se ha comprobado que los mecanismos epigenéticos participan en la plasticidad sináptica, el aprendizaje y la memoria. Ello hace resaltar su posible importancia en el síndrome de Down.
Recientemente ha sido publicada una revisión en la que los autores exponen los principales mecanismos epigenéticos y exploran su posible implicación en el síndrome de Down. Resumimos a continuación sus principales propuestas (Dekker et al., 2004).
Para entender la importancia que estos mecanismos tienen en el funcionamiento de los genes, conviene recordar el modo en que está organizada la estructura del ADN en el cromosoma. El largo hilo de ADN se encuentra empaquetado unas 10.000 veces adoptando una forma compacta: la cromatina. El nivel elemental de esta cromatina es el nucleosoma que consiste aproximadamente en 147 pares de bases de ADN envueltas alrededor de un núcleo proteico constituido por histonas. Este núcleo es un octámero que contiene dos copias de cada histona: H2A, H2B, H3 y H4. Esta hilera de nucleosomas (como granos en una fila) se dobla en varios pliegues para que la estructura se condense en un espacio muy pequeño.
La expresión de un gen depende del estado en que se encuentre la cromatina: a) cromatina abierta, accesible (eucromatina), el gen se puede expresar; b) cromatina cerrada, inaccesible (heterocromatina), el gen permanece en silencio. Los mecanismos epigenéticos afectan al modo en que se encuentran empaquetados los nucleosomas, y por tanto el grado de accesibilidad del ADN para mantener las interacciones necesarias para su transcripción y replicación. Son cuatro los principales mecanismos epigenéticos capaces de alterar los estados de cromatina: la metilación del ADN, las modificaciones post-traslacionales de las histonas, el ensamblaje del núcleo nucleosómico, y la remodelación de la cromatina mediante microARNs (miARNs) y RNAs largos no codificantes (lncARNs).
Figura 1. Una visión general sobre los principales hitos epigenéticos y su asociación con productos del HSA21. El ADN se encuentra empaquetado en la cromatina, la cual consiste de nucleosomas: 147 pares de bases de ADN enrollados alrededor de un núcleo octamérico de histonas. La expresión de un gen depende del estado en que se encuentre la cromatina. La cromatina abierta, accesible (eucromatina) va asociada a la expresión del gen; la cromatina cerrada, inaccesible (heterocromatina) está asociada al silenciamiento del gen. DNMT: DNA metiltransferasa; DSCR: región crítica del síndrome de Down; dsDNA: DAN doble hélice; HAT: histona acetiltransferasa; HDAC: histona desacetilasa; me: metilación; TET: translocación diez-once. (Figura tomada de Dekker et al., 2014)
En general, la metilación del ADN se asocia con la formación de heterocromatina y, consiguientemente, con el estado de silenciamiento o represión de la expresión de un gen. Las modificaciones de las histonas (p. ej., por acetilación, metilación, fosforilación) ocasionan situaciones variadas, unas de de estimulación y otras de represión de la expresión del gen. Y la remodelación de la cromatina por parte de miARNs y lncRNAs suele conducir a la formación de heterocromatina y consiguiente reducción de la expresión del gen.
¿De qué manera estos mecanismos epigenéticos pueden intervenir también en la trisomía 21?
La triplicación del HSA21 y la sobreexpresión de varios de sus genes pueden provocar la disregulación de algunos mecanismos epigenéticos. Y, a su vez, esta disregulación ocasiona también una alteración en los perfiles de expresión de los genes. Todo ello contribuye a modificar el perfil fenotípico del individuo, incluidos los déficit cognitivos.
a) Metilación aberrante del ADN. Algunos estudios indican que las personas con síndrome de Down muestran una metilación del ADN distinta a la de la población general. En primer lugar el gen de una metilasa (DNMT3L) se encuentra en el HSA21. Puesto que esta metilasa estimula la metilación en la cromatina, su sobreexpresión podría ocasionar patrones incrementados de metilación del ADN, influyendo por tanto negativamente sobre la actividad cognitiva. Se ha comprobado la existencia de hipermetilación en diversos sitios del genoma en el ADN de linfocitos obtenidos de niños con síndrome de Down por trisomía simple (Pogribna et al., 2001), en fragmentos de ADN de otras muestras (Chango et al., 2006), en leucocitos y linfocitos T (Kerkel et al., 2010). Importante es saber que estas alteraciones de la metilación se observaron también en genes no pertenecientes al HSA21. Algunos de los genes afectados tienen que ver con el desarrollo y funcionamiento de los leucocitos; es posible que de este modo se expliquen algunos de los problemas inmunitarios propios del síndrome de Down. Más recientemente, Jones et al. (2013) observaron alteraciones de metilación en muestras obtenidas de la mucosa de las mejillas de personas con síndrome de Down.
Pero también pueden apreciarse situaciones de hipometilación debido a que puede aparecer una disminución de un importante donante de metilos: SAM, la cual se atribuye a la sobreexpresión del gen codificador de la cistationina β-sintasa (CBS) en el síndrome de Down; el exceso de este gen acelera la transformación de homocisteína en cistationina, y como la cistationina es la precursora de metionina y ésta a su vez lo es de SAM, al final disminuye SAM y su actividad metiladora. Pero no sólo existe metilación en el ADN nuclear sino también en el ADN mitocondrial. La disminución de SAM en mitocondrias reduce la posibilidad de metilación a niveles que perturban el normal funcionamiento de la mitocondria (Infantino et al., 2011), hecho repetidas veces señalado en el síndrome de Down.
En conclusión, numerosos datos indican la presencia de una metilación aberrante de ADN en el síndrome de Down, lo cual supone una importante modificación de carácter epigenético.
b) Modificaciones en la cola de las histonas y variantes en los núcleos de histonas. Las modificaciones que se realizan postraslacionalmente en las histonas alteran también la estructura de la cromatina y los perfiles de expresión del gen. Además, la estructura de la cromatina se ve afectada por proteínas constitutivas de la cromatina y por la incorporación de diferentes variantes del núcleo de histonas.
No hay todavía una prueba directa de que existan alteraciones en las histonas en el síndrome de Down; pero a pesar de que no haya una prueba directa, disponemos de un número creciente de datos que nos sugieren que las modificaciones de histonas contribuyen a la aparición de déficits neurológicos en el síndrome de Down y de otras discapacidades intelectuales. Se sabe que algunos genes claramente sobreexpresados en el síndrome de Down (DYRK1A, ETS2, HMGN1, BRWD1 y RUNX1) provocan modificaciones concretas de histonas y pueden, por tanto, actuar epigenéticamente. El papel de la sobreexpresión del gen DYRK1A en los trastornos neurales y en los problemas cognitivos de modelos animales de síndrome de Down ha sido ampliamente analizado (De la Torre et al., 2014; García-Cerro et al., 2014), si bien no sabemos en qué grado pueda actuar a través de mecanismos epigenéticos. Por otra parte, se ha determinado que las modificaciones postraslacionales de la cola de las histonas afectan a la plasticidad sináptica, el aprendizaje y la memoria. Por consiguiente, cabe pensar que algunos de los trastornos cognitivos que se aprecian en el síndrome de Down podrían deberse, al menos en parte, a mecanismos epigenéticos.
c) Los mi-RNAs. En los últimos años se ha comprobado que un cromosoma no sólo contiene las hebras o cintas de DNA que constituyen los genes sino también moléculas de RNA. Algunas de estas moléculas son pequeñas y se denominan microRNAs (miRNAs). Estos miRNAs tienen una longitud de unos 25 nucleótidos cuya función no es la de codificar proteínas sino la de regular la expresión o actividad de otros genes. Una vez formados, se ensamblan en complejos de ribonucleoproteínas llamados microrribonucleoproteínas (miRNPs) o complejos silenciadores (miRISCs). El miRNA actúa como un adaptador dentro del miRISC, por cuanto es el responsable de reconocer y regular de manera específica a un determinado RNA mensajero (mRNA). La función del complejo silenciador, al unirse al mRNA, es silenciarlo, es decir, inhibir la expresión del gen: impedirle formar la proteína correspondiente. Se ha predicho que los miRNAs controlan la actividad de alrededor de un 30% de todos los genes codificadores de proteínas. Un solo miRNA puede actuar sobre múltiples mRNAs y de se modo silenciar o reducir la producción de múltiples proteínas. Y viceversa, un mRNA puede verse afectado por la acción de múltiples miRNAs. Los miRNAs funcionan también aglutinando las enzimas encargadas de condensar la heterocromatina; actúan como andamiajes o guías para dirigir a los elementos a los sitios específicos en donde han de facilitar o silenciar la actividad del gen (Della Ragione et al., 2014).
El HSA21 contiene 5 genes con estructura de miRNA: miR-99a, let-7c, miR125b, miR-155 y miR-802. Por consiguiente, en el síndrome de Down hay una sobreexpresión de estos 5 miRNAs, lo que significa que habrá una disminución en la cantidad de las proteínas concretas cuya producción se deba a los RNA mensajeros silenciados por los correspondientes microRNAs. Este hecho introduce un nuevo elemento en la patogenia del síndrome de Down. Hasta ahora, para explicar las alteraciones observadas en el síndrome de Down se ponía el énfasis en la sobreexpresión de determinadas proteínas, como consecuencia de la sobreexpresión de sus genes. Ahora habríamos de añadir también la subexpresión de otras proteínas como factor contribuyente a la producción de las alteraciones.
Se sabe, por ejemplo, que la sobreexpresión de miARN-155 en el síndrome de Down ocasiona una alteración en la selección de proteínas endosómicas de neuronas piramidales, y una reducción en la expresión de receptores glutamato en la membrana sináptica, efectos que perturban el funcionamiento normal de las sinapsis (Wang et al., 2013). La sobreexpresión de miRNA-155 y miRNA-802 podría reducir la presencia de importantes proteínas en las neuronas, como las methyl-CpG-binding proteins (MeCP-2).
Conclusión
Aunque en la actualidad nos encontramos muy lejos de conocer el papel de la epigenética en el síndrome de Down, vamos disponiendo de un creciente número de datos indicativos de que la metilación de ADN, las modificaciones postraslacionales de histonas, el ensamblaje del núcleo nucleosomal y el remodelaje de la cromatina por medio de miARNs y lncARNS puedan intervenir epigenéticamente para modular la expresión del síndrome de Down en un individuo determinado. Varios productos génicos del HSA21sobreexpresados se comportan como moduladores epigenéticos, por lo que podrían actuar igualmente en el síndrome de Down.
Estos hechos pueden tener también importantes consecuencias puesto que los procesos son reversibles, y por consiguiente pueden ofrecer un potencial terapéutico si se convierten en dianas de posible productos.
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