Un paso adelante en la posibilidad de silenciar el cromosoma 21
(Silencing Trisomy 21 with XIST in Neural Stem Cells Promotes Neuronal Differentiation)
Jan Tomasz Czermiński, Jeanne Bentley Lawrence
Developmental Cell 52, 294–308, February 10, 2020
https://doi.org/10.1016/j.devcel.2019.12.015
Resumen
Normalmente, la molécula XIST (formada por ARN) inicia el silenciamiento de un cromosoma en las células en situación pluripotente. En este estudio, Czermiński and Lawrence demuestran la capacidad de XIST para iniciar el silenciamiento en células neurales ya diferenciadas. Muestran también que, al silenciar un cromosoma 21, aumenta la formación de neuronas por parte de las células madre neurales trisómicas. Identifican también el papel del sistema de señalización de la proteína receptora Notch como responsable de la ralentización en el proceso de diferenciación de célula madre a neurona. Tal sería la razón de la disminución del contenido de neuronas en ciertas áreas y núcleos de los cerebros en el síndrome de Down.
Hechos destacados
- La expresión de XIST corrige completamente el exceso de dosis génica de la trisomía 21 en las células neurales
- La células neurales retienen la plasticidad epigenética necesaria para iniciar la represión en todo el cromosoma
- La corrección de dosis génica en el cromosoma 21 promueve la diferenciación de la células madre neurales trisómicas en neuronas
- La manipulación de la dosis génica en el cromosoma 21 implica una aumento en la señalización Notch en el síndrome de Down, hecho que retrasa la diferenciación en neuronas y su posterior reducción del número de neuronas
Este laboratorio había ya demostrado la capacidad de organizar un mecanismo natural epigenético para reprimir la actividad de los genes del cromosoma 21. Se sirvió para ello de la inserción de un único gen, el XIST. Este gen se encuentra en el cromosoma X y codifica una larga molécula de ARN no codificante. Esta molécula no actúa directamente sobre los genes sino sobre la cromatina del núcleo de la célula y, a través de ella, provoca el silenciamiento de los genes del cromosoma. El XSIT actúa de manera natural reprimiendo la actividad de genes del cromosoma X, para mantener un equilibrio entre mujeres (XX) y varones (XY). La sorpresa fue comprobar que XSIT, insertado en células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) derivadas de células humanas obtenidas de una persona con síndrome de Down y, por tanto, con 3 cromosomas 21, era capaz de reprimir los genes del cromosoma 21 en el que había sido insertado (Jiang et al., 2013) (V. Artículo 12: ¿Se puede suprimir todo un cromosoma 21?).
Obsérvese que esta acción de XIST tenía lugar en una situación especial, en una célula pluripotente. La célula pluripotente se encuentra en una fase muy inmadura: es una célula que tiene capacidad para diferenciarse en células de características concretas, distintas unas de otras (musculares, hepáticas, nerviosas, etc.) según el medio en que se encuentre. Se pensó entonces que la capacidad de XIST para actuar se debería a una situación especial, muy concreta y breve, por así decir inmadura, en la que XIST mostraría su capacidad para actuar sobre la cromatina y, mediante su interacción con ella, reprimir las acciones de determinados genes; pero que, pasada esa breve fase y con la célula en un mayor grado de diferenciación, el XSIT ya no sería capaz de ejercer su acción represora.
Es ahí donde interviene la novedad de este nuevo estudio y lo hace tratando de responder a dos preguntas:
- ¿Puede XIST reprimir la acción de los genes del cromosoma 21 en células que ya hayan superado la fase de pluripotencia y hayan iniciado su diferenciación?
- Y si lo hace, ¿puede conseguirlo en células que empiecen a diferenciarse ya como neuronas?
De acuerdo con lo aceptado, estudios anteriores informaron que el RNA de Xist ya no era capaz de silenciar en células madre embrionarias de ratón tan sólo 48 horas después de que hubiesen iniciado el camino de la diferenciación en células neurales (Wutz and Jaenisch, 2000). Pero la capacidad de células humanas normales diferenciadas para responder a XIST nunca había sido determinada de forma directa.
Además de evaluar la eficacia de XIST para producir células neurales humanas mediante la corrección de la dosis génica, se quiso saber si XIST puede iniciar el proceso de silenciamiento del cromosoma 21 en células neurales diferenciadas. Y en segundo lugar, valiéndose de este sistema muy bien controlado, investigar los efectos de la trisomía 21 sobre el neurodesarrollo en el síndrome de Down in vitro. Abordaron esto utilizando un transgén XIST inducible, que se insertó en un cromosoma 21 de células humanas pluripotentes (iPSCs) obtenidas de una persona con síndrome de Down.
Por el método adecuado, permitieron que las iPSCs pluripotentes, cargadas con XIST, se diferenciaran a lo largo de 28 días; a los 14 días ya no había células pluripotentes sino que se habían diferenciado en células madre neurales. Posteriormente, bajo la persistente acción de XSIT, se siguieron diferenciando en neuronas.
En tal situación, lejana ya de la fase pluripotente, la activación de XIST consiguió silenciar al cromosoma 21, si bien el proceso era más lento que cuando XIST actúa en la célula pluripotente. Al mismo tiempo pudieron comprobar que la sobreexpresión de los genes del cromosoma 21 producen un retraso en el desarrollo en la fase final en la que las NSC se diferencian en neuronas, algo que ya se había propuesto por otros autores utilizando otros métodos.
Se puede concluir, pues, que utilizando otro método para manipular la expresión del cromosoma 21, se demuestra que el retraso del neurodesarrollo causado por la sobreexpresión del cromosoma 21 se debe al retraso en la transición de la conversión de las células madre neurales en neuronas. Y consiguientemente, a la presencia de un menor número de neuronas en ciertas áreas del cerebro humano en la trisomía 21 (Guidi et al., 2008).
La estrategia utilizada en este estudio permitió, además, avanzar un paso más en la identificación de las vías de señalización necesarias para la diferenciación neuronal que son alteradas. Son los genes implicados en la vía denominada "Notch". Notch es una proteína receptora transmembrana que, en las células madre neurales pluripotentes, juega un papel importante regulador en los mecanismos de diferenciación neuronal. Se demostró que los genes TTYH1 así como los genes vinculados a la vía Notch, HEY1 y RBPJ, se encuentran sobre activados en el estado trisómico de las células y fueron deprimidos por el silenciamiento del cromosoma 21. La hiperactividad de Notch resulta importante para retrasar la normal diferenciación de las células madre neurales en neuronas.
El hallazgo clave de este estudio es que células ya diferenciadas retienen todavía una plasticidad epigenética sustancial como para permitir la acción supresora de XIST sobre la actividad de los genes a través de su influencia sobre la cromatina. Esto amplía en algún modo la prospectiva terapéutica para poder actuar sobre el síndrome de Down. La iniciación del silenciamiento de un cromosoma no exige el estado pluripotencialidad de la célula y puede llevarse a cabo en neuronas diferenciadas. Por supuesto quedan todavía muchos aspectos por resolver.
- Guidi, S., Bonasoni, P., Ceccarelli, C., Santini, D., Gualtieri, F., Ciani, E., and Bartesaghi, R. (2008). Neurogenesis impairment and increased cell death reduce total neuron number in the hippocampal region of fetuses with down syndrome. Brain Pathol. 18, 180–197.
- Jiang, J., Jing, Y., Cost, G.J., Chiang, J.C., Kolpa, H.J., Cotton, A.M., Carone, D.M., Carone, B.R., Shivak, D.A., Guschin, D.Y., et al. (2013). Translating dosage compensation to trisomy 21. Nature 500, 296–300.
- Wutz, A., and Jaenisch, R. (2000). A shift from reversible to irreversible X inactivation is triggered during ES cell differentiation. Mol. Cell 5, 695–705.
