El cromosoma extra en el SD o trisomía 21
Puesto que el síndrome de Down es la consecuencia de la presencia de un tercer cromosoma 21 –el cromosoma extra–, o de parte de él, en las células del organismo humano, existe un lógico interés por conocer los genes que se encuentran en dicho cromosoma (figura 1).
Figura 1. Cariotipo de una mujer con síndrome de Down, en el que se aprecian 3 copias del cromosoma 21.
La presencia de esa tercera copia provoca una sobreexpresión de los genes que en él se encuentran, y ello crea un desequilibrio en el modo en que los genes actúan para conseguir el desarrollo y funcionamiento normal de las células y del organismo humano en su conjunto.
La actual investigación biológica sobre el síndrome de Down intenta comprender las bases moleculares por las que la sobreexpresión de los genes del cromosoma 21 provoca las alteraciones fenotípicas propias del síndrome. Y para ello se guía por los siguientes principios:
- Los genes específicos del cromosoma 21 mostrarán efectos debidos a la dosis de gen (gene dosage effect); es decir, al haber 3 copias de un gen en lugar de 2, habrá un incremento de un 50% en los niveles de ARN y de proteína derivados de cada gen (Kahlem et al., 2004; Lyle et al., 2004).
- Al menos algunos de estos incrementos provocarán perturbaciones en las vías y en los procesos celulares en los cuales los productos de estos genes intervengan.
- Estas perturbaciones, que quizá se sumen unas a otras, inducirán anomalías en el desarrollo de diversos órganos, tejidos y sistemas del organismo; lógicamente, la perturbación ocasionada en el cerebro será causa de los problemas cognitivos y conductuales que caracterizan a la discapacidad intelectual del síndrome de Down.
A diferencia de lo que ocurre en otras formas de discapacidad intelectual en las que el problema queda circunscrito a un único gen (mutación, supresión, etc.), el síndrome de Down presenta algunos elementos complejos que son específicos suyos:
1. No hay, en principio, una función anómala del gen, o una falta de función; es decir, la tercera copia del cromosoma 21 no aporta genes anómalos, equivocados, afuncionales. Existe un exceso de copias de genes normales; pero, a decir verdad, el incremento de actividad de cada gen normal es más bien modesto: 1,5 veces más.
2. Sucede, sin embargo, que este incremento se extiende a un largo número de genes, por lo que aumenta la probabilidad de que queden involucradas múltiples vías y redes funcionales en las que los productos de estos genes intervienen, que contribuyen a la actividad celular.
Secuenciación del Cromosoma 21
En el año 2000, y como consecuencia de la investigación promovida por el Proyecto Genoma Humano, se publicó la secuenciación prácticamente completa del cromosoma 21 humano (Hattori et al., 2000). Este cromosoma mostró una composición de 33,5 millones de pares de bases del ADN en su brazo largo y 285 mil en su brazo corto, con una longitud ligeramente mayor a la del cromosoma 22. En ese trabajo se calculó inicialmente la existencia de 225 genes (reales o previstos).
La posterior investigación sistemática, realizada con técnicas de análisis más preciso, ha incrementado el cálculo de genes en el cromosoma 21. En la actualidad se han identificado 364 genes y modelos de genes. La mayoría de los nuevos modelos de genes entran dentro de la categoría de genes de conservación mínima (en el sentido evolutivo), es decir, son más específicamente humanos (Gardiner et al., 2004).
Anotación funcional de los genes del cromosoma 21
Se están realizando notables avances en el intento por conocer la anotación funcional de todos estos genes del cromosoma 21, y por definir tanto sus funciones moleculares como los procesos biológicos en los que intervienen. Para ello se utilizan ampliamente los conocimientos derivados del análisis de los genes en el ratón.
En la actualidad, de los 364 genes humanos se ha comprobado la presencia de 291 en las regiones ortólogas del ratón; pero estas regiones no pertenecen a un único cromosoma del ratón sino que se encuentran distribuidas en 3 regiones del genoma murino (figura 2):
- una porción distal del cromosoma 16 que posee 23 Mb
- el centrómero del cromosoma 17 que posee 1,1 Mb
- una porción interior del cromosoma 10 que posee unas 2,3 Mb
En la porción distal del cromosoma 16 del ratón se encuentran 141 genes ortólogos del cromosoma 21 humano. La cantidad es sustancial y por ello se ha elaborado un modelo experimental de ratón que posee trisomía parcial de esta porción: el ratón Ts65Dn (ver en este Portal:
Existen en el cromosoma 21 humano 170 genes codificadores de proteínas que pertenecen al grupo llamado altamente conservados entre hombre y ratón, de acuerdo con el criterio de que la mayoría de los exones codificadores muestran una identidad superior al 70% y representan probables genes ortólogos. En esencia, todos los genes de este grupo están identificados mediante la predicción constante del exón codificador y EST empalmados. De estos 170, en 140 se puede describir actualmente una asociación funcional a partir de un dominio o a partir del estudio comparado de sus aminoácidos. La lista de estos 140 genes ortólogos y de su anotación funcional ha sido publicada por Gardiner et al. (2003a) y se aprecia en la lista proporcionada por la Dra. Gardiner que se expone un poco más abajo.
Por otra parte, de los 170 genes altamente conservados, se encuentran representados 94 en el modelo Ts65Dn.
Otros 83 genes del cromosoma 21 humano son anotados como mínimamente conservados; algunos pueden codificar marcos abiertos de lectura (open reading frames: orf) cortos, o pueden ser candidatos para ARNs funcionales.
Actualmente se calcula que unos 97 genes de los 360 del cromosoma 21 son específicos de la especie humana, aunque quizá algunos de ellos sean específicos de primates.
El análisis de los aproximadamente 140 genes ortólogos para hombre/ratón, antes mencionados, en los que se ha comprobado la existencia de alguna asociación funcional, demuestra que existen varios grupos o juegos de genes que participan en vías o procesos celulares comunes. Por consiguiente, aun cuando la contribución de las 3 copias de un gen sea modesta (1,5 veces más que en el normal), al haber varios genes que participan en un mismo proceso puede haber un efecto acumulado por la suma de lo que aporta cada uno de ellos, con consecuencias finales significativas.
Genes ortólogos del cromosoma 21
A continuación se exponen los 140 genes ortólogos del cromosoma 21 y del ratón estudiados hasta ahora, por categorías funcionales (Gardiner et al., 2003b):
1. Factores de transcripción, reguladores, moduladores (17):
HMG14 (high mobility group), CHAF1B
(chromatin assembly factor,
PCNT (pericentrin, an integral component of the pericentriolar matrix of the centrosome)
MCM3AP (DNA replication-associated factor)
2. Estructura de la cromatina (4):
HMG14 (high mobility group), CHAF1B (chromatin assembly factor, PCNT (pericentrin, an integral component of the pericentriolar matrix of the centrosome)
MCM3AP (DNA replication-associated factor)
3. Proteasas/inhibidores (6):
BACE (beta-site APP cleaving enzyme)
TMPRSS2, TMPRSS3 (transmembrane serine proteases)
ADAMTS1, ADAMTS5 (metalloproteinases)
CSTB (protease inhibitor)
4. Vía de la ubiquitina (4):
USP25, USPq6 (ubiquitin proteases)
UBE2G2 (ubiquitin conjugating enzyme)
SMT3A (ubiquitin-like)
5. Interferon/Respuesta inmune (8):
IFNAR1, IFNAR2, IL10RG, IFNGR2 (receptors, auxilliary factor)
MX1, MX2 (interferon induced)
CCT8 (T-complex subunit)
C21Orf7 (TAB2 binding domain of Tak1, interleukin signaling?)
6. Quinasas (7):
PRSS7 (enterokinase)
HUNK, DYRK1A, SNF1LK (serine/threonine kinases)
PDXK (piridoxal kinase)
PFLK (phosphofructokinase)
ANKRD3 (ankirin-like with kinase domains)
7. Fosfatasas (2)
SYNJ1 (polyphosphoinositide phosphatase)
PDE9A (cyclic phosphodiesterase)
8. Spliceosomas (7):
SFRS15 (SR protein), U2AF35 (splicing factor), ADAR2 (pre-mRNA adenosine deaminase), PCPB3 (poly C binding protein)
RBM11 (RNA binding motif)
C21orf70, C21orf66 (spliceosome associated)
9. Moléculas de adhesión (9):
NCAM2 (neural cell), DSCAM
ITGB2 (lymphocyte)
JAM2 (similar to endotelial tight junction molecule)
CXADR (Coxackie/adenovirus receptor; tight junction)
Claudin 8, 14, 17 (tight kunction, pore complex)
TSPEAR (thrombospondin and epilepsy repeats)
10. Canales (7):
GRIK1 (glutamate receptor, calcium channel)
KCNE1, KCNE2, KCNJ16, KCNJ15 (potassium)
CHCL4 (cloro)
TRPCt (calcium)
11. Receptores (1):
CHODL (chondrolectin; manose receptor)
12. Transportadores (2):
SLC5A3 (Na-myoinositol)
ABCG1 (ATP-binding casette)
13. Mitocondriales (6):
ATP5O (Atp synthase oligomycin sensitivity conferral protein)
ATP5J (ATPase coupling factor 6)
NDUFV3 (NADH-ubiquinone oxoreductase subunit precursor)
CRYZL1 (quinone oxidoreductase)
MRPL39, MRPS6 (mitochondrial ribosomal proteins)
14. Estructurales (4):
CRYA (lens protein)
COL18, COL6A1, COL6A2 (collagens)
15. Metil transferasas (3):
DNMT3L (cytosine methyl transferase)
HRMT111 (protein arginine methyl transferase)
N6AMT (N6-DNA methyl transferase)
16. Dominio SH3 (3):
SAMSN1, SH3BGR, UBASH3A
17. Metabolismo de 1 Carbono (4):
GART (purine biosynthesis), CBS (cystathionine-beta-synthetase), FTCD (formiminotransferase cyclodeaminase), SLC19A1 (reduced folate carrier)
18. Composición de aminoácidos (9):
CYRR1 (cys-tyr rich)
C21orf2, C21orf102, DSCR2 (Leu rich)
PWP2 (periodic tryptophan protein)
WRB (tryptphan rich)
WDR4, WDR9, C21orf6 (WD repeats)
19. Dominios transmembrana (6):
C21orf61 (1)
C21orf108 (6)
C21orf4 (4)
DSCR5 (2)
C21orf1 (1)
TMEM1 (4)
20. Secuencia de señal (2):
C21orf62
KIAA0958
21. Metabolismo del oxígeno (3):
SOD1 (superoxide dismutase)
CBR1, CBR3 (carbonyl reductasas)
22. Dominios diversos (9):
KIAA0653, IGSF5 (dominios Ig)
C21orf63 (galactose binding lectin)
C21org55 (DnaJ)
S100ß, C21orf25 (calcium binding)
KIAA0184 (AMP binding)
C21orf33 (ThiJ)
TTC3 (tetratricopeptide repeat containing)
23. Funciones diversas (17):
HLCS (holocarboxyl synthase)
LSS (lanosterol synthease)
B3GALT5 (galactosyl transferase)
STCH (microsomas stress protein)
BTG3 (cell cycle control)
APP (Alzheimer amyloid precursor)
TFF1, 2, 3 (Trefoil proteins)
Ped5 (lipase)
SCL37A1 (glycerol phosphate permease)
AGPAT3 (lysophosphatidic acid acyl transferase)
DSCR1 (calcineurin inhibitor)
PCP4 (camstatin; inhibitor of calmodulin)
ITSN (Rho-GEF)
TIAM1 (RAC GTPase)
DSCR3 (vacuolar protein-sorting)
Nuevos abordajes en el estudio de la relación fenotipo-genotipo en el SD
Uno de los métodos clásicos para desentrañar la correlación entre el genotipo y el fenotipo del síndrome de Down es la utilización del animal transgénico, especialmente el ratón. Esta técnica consigue incrementar la dosis de un gen determinado en el animal, y se analizan las consecuencias de su sobreexpresión (efecto dosis-gen) en cuanto al sitio de expresión, momento en que se expresa y consecuencias sobre el desarrollo del animal y de su funcionamiento:
Éste es un método ampliamente empleado y que, sin duda, permite avanzar en el conocimiento de las causas que originan especiales rasgos fenotípicos del síndrome de Down. Constantemente se publican estudios sobre transgénicos con genes del cromosoma 21, por lo que referimos al lector a los listados bibliográficos obtenidos de la literatura mundial que se recogen bimensualmente en este Portal:
Pero el mayor inconveniente que presenta la técnica del transgénico es que sólo se utilizan 1 ó 2 genes para la sobreexpresión, mientras que en el síndrome de Down la sobreexpresión es de múltiples genes. No es comparable por tanto lo que ocurre cuando sólo 1 ó 2 genes actúan sobreexpresados en un ambiente en que todos los demás se expresan de modo normal, que cuando actúan en un ambiente en que todos los demás o una gran parte de ellos también lo están.
Este inconveniente es parcialmente superado por el uso de los ratones trisómicos, en los que se consigue mantener una tercera copia de la región del cromosoma 16 que es ortóloga con el cromosoma 21 humano (figura 3). El modelo es imperfecto por cuanto carece de otros genes del 21 que no están en el 16 del ratón sino en los cromosomas 10 y 17, como se aprecia en la figura 2.
Se pretende dar un nuevo enfoque mediante el análisis de situación de una vía o red en la que intervienen varios productos de genes del cromosoma 21. De este modo, en lugar de analizar el comportamiento de un único producto se analiza cómo se comportan los productos finales de esa vía, porque ello nos dará las claves de cómo se comportan integradamente cada uno de los elementos que en ella intervienen.
He aquí algunas de las vías funcionales en las que intervienen varios productos de genes del cromosoma 21 (Gardiner et al., 2004; Roizen y Patterson, 2003):
- Procesamiento de ARN: 7 genes
- Vía del proteasoma: 4 genes
- Metabolismo monocarbonado y metilación: 7 genes
- MAP-quinasa y vía del calcio / calcineurina: 14 genes
- Factores de transcripción: 14 genes
- Adhesión celular y unión intercelular: 8 genes
- Generación de energía en mitocondrias y metabolismo de las especies de oxígeno reactivo: 14 genes
Bibliografía
- Galdzicki Z, Siarey RJ. Understanding mental retardation in Down’s syndrome using trisomy 16 mouse models. Genes, Brain and Behavior 2003; 2: 167-178.
- Gardiner K, Fortna A, Bethel L et al. Mouse models of Down syndrome: how useful can they be? Comparison of the gene content of human chromosome 21 with orthologous mouse genomic region. Gene 2003a; 318: 137-147.
- Gardiner K. Predicting pathway perturbations in Down syndrome. J Neural Transm 2003b; (Suppl 67): 21-37.
- Gardiner K, Davisson, MT, Crnic LS. Building protein interactions maps for Down’s syndrome. Briefings in Funct Genomics and Proteomics 2004; 3: 1-15.
- Hattori M, Fujiyama A, Taylor AD et al. The DNA sequence of human chromosome 21. Nature 2000; 405: 311-319
- Kahlem P, Sultan M, Herwig R et al. Transcript level alterations reflect gene dosage effect across multiple tissues in a mouse model of Down syndrome. Genome Res 2004; 14: 1258-1267.
- Lyle R, Gehrig C, Neergard-Henrichsen C, Deutsch S, Antonarakis SE. Gene expression from the aneuploid chromosome in a trisomy mouse model of Down syndrome. Genome Res 2004; 14: 1268-1274.
- Reeves RH, Baxter LL, Richtsmeier JT. Too much of a good thing: mechanisms of gene action in Down syndrome. Trends Genet 2001; 17: 83-88.
- Roizen NJ, Patterson D. Down’s syndrome. Lancet 2003; 361: 1281-1289.
