Sigue siendo objetivo permanente de la investigación biológica del síndrome de Down el conocer la relación que existe entre la presencia de un cromosoma extra del par 21 y los rasgos biológicos propios del síndrome; es decir, la relación entre el genotipo y el fenotipo.
Aunque no todos los investigadores concuerdan, la mayoría considera que las características del síndrome de Down son consecuencia de la presencia de 3 copias de los genes propios del cromosoma 21, en lugar de las 2 copias que normalmente existen en la población humana. Por este motivo, la investigación biológica está siguiendo un camino caracterizado por las siguientes etapas:
- Secuenciación del ADN e identificación de los genes propios del cromosoma 21 humano.
- Estudio de la expresión de los genes en los distintos tejidos y órganos del organismo. c) Determinación de la función normal fisiológica que cada gen del cromosoma 21 desempeña en el organismo.
- Estudio de las alteraciones orgánicas y funcionales que provoca la presencia de 3 copias (en lugar de 2) de un determinado gen del cromosoma 21.
Cada una de estas etapas supone la ejecución de múltiples experimentos y la aplicación de técnicas diversas. La primera etapa se encuentra prácticamente concluida en lo que a la secuenciación del ADN se refiere. La identificación de los genes se encuentra en una fase muy avanzada, si bien continúa perfilándose la identificación de algunos genes sobre cuya presencia no existe todavía pleno acuerdo.
En lo que se refiere a la expresión de los genes, a la hora de documentarla han de hacerse varias preguntas:
- ¿En qué tejido(o) y órganos(s) se expresa un determinado gen?
- ¿En qué momento de la vida? ¿antes o después del nacimiento? ¿durante toda la vida? ¿de manera constante o intermitente?
- La expresión de un gen, ¿está sometida a la acción de otros genes del mismo cromosoma 21 o de otros cromosomas?
Por otra parte, si sabemos que el modo en que un gen se expresa es a través de la síntesis de su correspondiente ARN mensajero (ARNm) y éste, a su vez, se expresa a través de su correspondiente proteína, se puede pensar que al haber 3 copias de los genes del cromosoma 21 en lugar de 2 (relación 3 a 2, o sea, un 150% más), habrá también un 150% más de cantidad de esas proteínas cuya síntesis depende de dichos cromosomas. ¿Sucede realmente así?
Todas estas son preguntas complejas en cuya respuesta los investigadores están trabajando intensamente porque entrañan muchas dificultades.
Atlas de expresión de los genes
Uno de los primeros pasos que se han dado es el de establecer con la mayor precisión posible dónde se expresan los genes, es decir, en qué órganos o tejidos producen su ARNm y su proteína. En definitiva, se trata de diseñar un atlas del organismo en el que se pueda visualizar la presencia de los genes del cromosoma 21 humano en los distintos órganos y sistemas a través de su expresión, observando con técnicas especiales el ARNm o la proteína que forman. Varios grupos de investigación se han dedicado a esta tarea, y sus primeros resultados se han publicado recientemente en la revista Nature (Reymond y col., 2002; Gitton y col., 2002). A continuación exponemos y explicamos sus resultados más fundamentales.
El animal en el que se han realizado estos estudios ha sido el ratón. La razón estriba en que conocemos muy bien su genoma y sabemos que un gran número de los genes del cromosoma 21 humano se encuentran ubicados en el cromosoma 16 (la mayor parte), el 10 y el 17 del ratón. Se parte de la base de que, en principio, genes idénticos de especies diversas cumplen funciones parecidas en cada una de ellas y se expresarán, por tanto, en tejidos idénticos. Por supuesto que no va a ocurrir siempre así, pero la hipótesis de partida es lo suficientemente válida como para adoptarla como punto de arranque. Esto significa que si en el ratón determinados genes se expresan en el cerebro, lo más probable es que también lo hagan en la especie humana.
1. El estudio de Reymond y col.
Analizaron la expresión de 161 genes (de un total de 178 genes confirmados), a través de la presencia de su ARNm que fue detectado por dos técnicas diferentes y complementarias:
- la hibridación in situ, realizada en secciones de embriones enteros de ratón a los días 9’5, 10’5 y 14’5 de su desarrollo embrionario, y
- la reacción en cadena de polimerasa con transcriptasa inversa (RT-PCR) efectuada en cuatro etapas del desarrollo y en 12 tejidos ya adultos.
Con estos métodos se consiguió detectar la expresión del 98% de los 161 genes probados. De este modo se perfiló un atlas en el que se observa la presencia de los genes en los distintos órganos del ratón y en sus diversas etapas del desarrollo prenatal y postnatal.
La expresión de los genes en los tejidos y órganos es variable. Así, por ejemplo, de los 161 genes estudiados, el 85% se expresó en el cerebro y en el riñón, el 79% en el ojo, el 75% en el testículo, el 73% en el hígado, el 72% en el timo; el 69% en el estómago, el 68% en la piel, el 67% en el pulmón, el 56% en el corazón, el 51% en el ovario, el 21% en el músculo. Muchos de los genes, como se comprende, se expresaban en tejidos diversos. Y algunos genes se expresan en un sitio en una determinada etapa del desarrollo, y en otro sitio en otra etapa.
En el trabajo publicado se hace una descripción más detallada sobre los genes del cromosoma 21 presentes en el desarrollo de algunos de los órganos que más frecuente o más intensamente muestran alteraciones en el síndrome de Down, y se muestran algunas figuras del atlas. Sirva como ejemplo la que después reproduciremos, que se refiere al tejido del corazón.
- En el Sistema nervioso central: genes Btg3, Pcnt2, Pfkl, Pcp4, Pcbp3, Pdxk.
- En el Corazón: los genes Pwp2h y C21orf1 se expresan abundantemente en las aurículas durante su desarrollo; el gen Pfkl en la pared ventricular y en la aurícula; Los genes Adarb1 y C21orf18 en el saco aórtico que es el precursor de l aorta descendente y la arteria pulmonar; el C21orf18 se expresa también en el bulbus cordis, origen del ventrículo derecho; el Kcnj15 y Adarb1 en la válvula y tronco aórticos, y el Kcnj15 también en el tracto de salida del corazón y en la vena cava superior. Los Atp50 y Sh3bgr se encuentran expresados a todo lo largo del corazón, mientras que el Cldu8 sólo en el ventrículo primitivo. Se expresan también los Col6a1, Col6a2, Col18a1 y Kcne2, en cuyos correspondientes genes humanos se han observado mutaciones causantes de ciertas enfermedades: miopatía de Bethlem, enfermedad de Ullrich, síndrome QT6 largo, y síndrome de Knobloch, respectivamente.
- En los brotes por los que se desarrollan las extremidades: los genes Tiam1, Snf1lk, Erg, Adamts1.
- En el tubo gastrointestinal: genes Atp50, Cldn8, Clic6, Ets2, Tff3, Sod1.
A continuación se expone la figura 3 del trabajo original de Reymond y col., en la que se aprecia la expresión de diversos genes en el corazón en fase de desarrollo (días embrionarios 10’5 y 14’5).
Esta figura es un ejemplo de cómo se obtiene la expresión de genes en el corazón de ratón durante su desarrollo. En la parte superior izquierda de cada imagen aparece el día embrionario del análisis: E10’5 ó E14’5. En la esquina inferior izquierda de cada imagen se indican los genes cuyos ARNm son analizados por la técnica de hibridación in situ: es decir, su expresión.
- La región que se muestra está tomada de un embrión completo, y está esquemáticamente representada en el rectángulo en rojo de la imagen superior izquierda (h, corazón; ba, arco branquial; fl, extremidad superior). En el día E10’5, C21orf18 se expresa en el saco aórtico (flecha roja) y en el bulbus cordis (punta de flecha negra). Kcne2 se expresa en aurículas y ventrículos. C21orf11 y Pwp2h quedan restringidos a la aurícula (flechas negras) y Cldn8 al ventrículo primitivo (flecha negra).
- Sh3bgr y Atp50 se expresan en todo el corazón. Adarb1 se expresa en el saco aórtico (flecha roja) en el día E10’5, y queda restringido a la válvula mitral (punta de flecha negra), válvula aórtica (flecha roja) y endotelio del tronco aórtico en el día E14’5.
- En el día E14’5 Pfkl está expresado en todo el corazón. Kcnj15 en las válvulas aórtica y mitral (flecha roja y punta de flecha negra, respectivamente. Col6A1 en la válvula mitral (punta de flecha negra) y Col18a1 en los vasos del corazón.
2. El estudio de Gitton y col.
Este grupo investigador ha tenido también como objetivo el identificar el papel que los genes del cromosoma 21 humano desempeñan en el diseño y desarrollo de los diversos órganos, con particular referencia al cerebro. Para ello ha utilizado también genes del ratón, en este caso 158, y ha analizado su expresión en el día embrionario E 9’5, y algunos de ellos en etapas posteriores del desarrollo, incluida la fase postnatal (día 2º, P2). Los métodos utilizados para analizar la expresión volvió a ser la hibridación in situ, como en el estudio anterior, y además el estudio in silico de la expresión de fragmentos secuenciados (EST).
De los 158, 111 se encontraron expresados en el día E9’5; y de ellos, 78 se expresaban de un modo muy extenso por el organismo, mientras que 33 lo hacían de forma restringida a algún órgano y 12 lo hacían de forma mixta (general pero con ciertas restricciones) Por su ubicación y presencia, se sugiere cierta relación de algunos genes con determinados rasgos del síndrome de Down. Por ejemplo, los genes Igsf5 y Tff3 con la esterilidad masculina; el gen Sh3bgr con el corazón; los genes Slc19a1, Clic6 y Lss con las anomalías faciales; el Adamts5 con los rasgos faciales y el retraso mental.
De los 28 genes que se vieron expresados en el cerebro y cabeza en el día E9’5, 20 siguieron mostrando una expresión regional en el cerebro en el día postnatal P2. En este día, se comprobó que el 60% de todos los genes analizados tenían expresión en el cerebro; de ellos, en unos casos (42%) lo hacían de forma generalizada y en otros (58%) de manera más circunscrita. En la figura que mostramos a continuación se aprecia la distribución de los ARNm en 11regiones del cerebro de ratón (corte sagital).
En conjunto, hubo abundante expresión de genes en células post-mitóticas, y sólo 19 genes lo hicieron en células que seguían dividiéndose. Como se aprecia en la figura, la mayor fracción de genes se localizó en 3 estructuras del cerebro: el neocórtex (41%), el hipocampo (Hip, 25%) y el cerebelo (Cb, 25%). En el neocórtex son de destacar los genes Dscam, Synj1 y Tiam-1; en el hipocampo el Pttg1p. En las meninges los genes Wrb, Col18a1, Col6A1 y Col6A2.
Puesto que muchos de los genes se expresan en la porción dorsal del cerebro, es posible que su sobreexpresión como consecuencia de la existencia de 3 copias en lugar de 2 contribuya a producir las alteraciones cerebrales que son la causa de la discapacidad intelectual que observamos en el síndrome de Down. Sólo en 16 genes de todos los estudiados no se pudo observar su expresión en el cerebro neonatal.
Conclusión
El presente informe sólo pretende llamar la atención sobre el inicio de la aparición de unos mapas o atlas en los que se expone cómo aquellos genes del cromosoma 21 humano que son homólogos (prácticamente idénticos) a los del ratón, se expresan en los órganos y tejidos de este animal en su fase embrionaria y postnatal inicial. Este informe ofrece una visión general cuyos detalles se pueden leer en los trabajos originales que se citan al final del artículo.
Destaca la enorme cantidad de estos genes que se expresan en el cerebro durante el desarrollo. Y ésta puede ser la causa de la frecuencia con que aparecen signos de discapacidad intelectual en el síndrome de Down, al existir un desequilibrio en el número de copias por causa de la trisomía. Las enormes diferencias interindividuales se deben, como es natural, a la variedad con que los genes se expresan en cada individuo, y por tanto a las alteraciones cerebrales que la sobreexpresión puede ocasionar.
Sin duda, este tipo de análisis ayuda a circunscribir la acción de los genes a territorios concretos del organismo, y es una herramienta más para tratar de correlacionar las alteraciones de los genes con el fenotipo específico.
1. Reymond A, Marigo V, Yaylaoglu MB, y col. Human chromosome 21 gene expression atlas in the mouse. Nature 2002; 420: 582-586.
2. Gitton Y, Dahmane N, Balk D y col. A gene expression map of human chromosome 21 orthologues in the mouse. Nature 2002; 420: 586-590.
Jesús Flórez
Catedrático de Farmacología
Para DownCiclopedia
