Mara Dierssen
Centro de Investigación Genómica
Barcelona
El gen DYRK1A: naturaleza y funciones
Sobre la base de los datos obtenidos en estudios experimentales durante los últimos años, se puede proponer que el gen DYRK1A podría desempeñar un papel importante en la patogenia del síndrome de Down, tanto durante la gestación como en la vida adulta, debido a su participación en diversos aspectos estructurales y funcionales del sistema nervioso central (SNC). El gen DYRK1A (Dual specifity Yak1- Related Kinase) es un gen de copia única que se localiza entre las regiones 21q22.13 y 21q22.2 del cromosoma humano 21 (HSA21) enmarcado dentro de la llamada región crítica “síndrome de Down” (DSCR) (Hattori et al. 2000). Es homólogo al gen minibrain (mnb) de Drosophila (Tejedor et al., 1995). Clonado en 1996 por diversos grupos de investigación (Guimera et al. 1996; Shindoh et al. 1996; Song et al. 1996), DYRK1A se extiende a lo largo de 150 kb y está constituido por al menos 14 exones, 11 de los cuales son codificantes (Wang et al. 1998; Guimera et al. 1999). Da lugar a 2 isoformas proteicas de 763 y 754 aminoácidos, ésta última como resultado del procesamiento alternativo del exón 6 (Kentrup et al. 1996; Guimera et al. 1999).
DYRK1A codifica para una enzima llamada serin/treonin quinasa de actividad dual de 90 kDa (Kentrup et al. 1996), que fosforila sustratos exógenos en residuos serina/treonina, pero para ello tiene que autofosforilarse en residuos tirosina (Becker y Joost 1999; Kentrup et al. 1996; Wiechmann et al. 2003; Lochhead et al. 2005). El dominio catalítico está constituido por 11 subdominios (I-XI) que incluyen un motivo de cuatro leucinas que podría formar una estructura de cremallera de leucinas, generalmente implicada en interacciones proteína-proteína o proteína-DNA. Junto al dominio catalítico existe una secuencia altamente conservada en todas las quinasas de la familia DYRK particularmente rica en residuos acídicos (DH box) que junto al dominio catalítico podría ser responsable de la estructura terciaria de la proteína (Becker y Joost 1999; Himpel et al. 2001). En la región carboxi-terminal del dominio catalítico se localiza un dominio PEST rico en serinas y treoninas, posiblemente implicado en la degradación de las proteínas. Las secuencias del dominio catalítico y DH-box se encuentran altamente conservadas en los genes ortólogos de DYRK1A de diferentes especies invertebradas (Mnb en D. melanogaster; Yak1p, en S. cerevisiae; Pomp1 en S. pombe, mbk-1 en C. elegans). Esto significa que esta quinasa realiza una función muy importante que se conserva a lo largo de la evolución evolutivamente conservada en la regulación celular.
DYRK1A presenta a su vez dos señales de localización nuclear (SLN), una en el extremo amino terminal (Becker et al. 1998) y otra entre los dominios catalíticos X-XI (Alvarez et al. 2003) rica en histidinas responsables de su localización subcelular a nivel del núcleo. Esto significa que DYRK1A actúa también a nivel del núcleo celular. La localización nuclear de DYRK1A ha sido demostrada por varios grupos de investigación (Hammerle et al. 2003; Marti et al. 2003; Alvarez et al. 2003), como lo ha sido su capacidad de participar en la regulación de la actividad de diferentes factores de transcripción como STAT3, Gli-1, FORKHEAD, eIF2Be, CREB, 14-3-3, NFAT a través de su fosforilación (Matsuo et al. 2001; Yang et al. 2001; Kim et al. 2004; Woods et al. 2001a; 2001b;Mao et al. 2002; Arron et al. 2006).
El patrón de localización subcelular de DYRK1A con la posibilidad de trasladarse al núcleo y la variedad de sustratos tanto citoplasmáticos como nucleares sobre los que opera esta quinasa, sugieren la participación de DYRK1A en una gran variedad de funciones fisiológicas y, por tanto, posiblemente en diferentes procesos patológicos.
Antes de iniciar el recorrido por los diferentes hallazgos relativos a DYRK1A es necesario considerar para su correcta interpretación los siguientes hechos:
- La mayor parte de los sustratos de fosforilación se han identificado in vitro y para muchos de ellos aún no hay constancia in vivo.
2. DYRK1A participa en el neurodesarrollo, por lo que los efectos de su desregulación en el adulto pueden ser consecuencia de alteraciones del neurodesarrollo no compensadas.
3. Su localización subcelular puede variar posiblemente con consecuencias funcionales lo que dota de una gran flexibilidad funcional a este gen
La razón del que el gen DYRK1A haya sido implicado en la patogenia del síndrome de Down se basa en que: a) se encuentra localizado en la DSCR, b) tiene un característico patrón de expresión en tejidos fetales y adultos (Guimera et al. 1996; 1999; Shindoh et al. 1996; Song et al. 1996), y c) es sobreexpresado tanto en el cerebro de la persona con síndrome de Down como del ratón Ts65Dn (Guimera et al. 1999). Además, datos experimentales que se exponen más adelante han sugerido que es un gen dosis sensible, es decir, que la variación en las copias de gen va acompañada de variación correlativa en sus productos de expresión (RNA, proteína), por lo que su sobrexpresión podría conducir a un importante desajuste de diversos procesos celulares.
Patrón de expresión de DYRK1A en el sistema nervioso central
En el ratón se ha detectado un patrón específico de expresión de Dyrk1A en diversas regiones del cerebro mediante hibridación in situ. En estadíos embrionarios, Dyrk1A se expresa de forma ubicua, aunque con mayor intensidad en retina, bulbo olfatorio y médula espinal, mientras que en el cerebro adulto aparece en corteza cerebral, en el cerebelo, en neuronas piramidales del hipocampo y en diversos núcleos hipotalámicos (Song et al. 1996; Guimera et al. 1996; Rahmani et al. 1998), estructuras que se encuentran afectadas en mayor o menor grado en el síndrome de Down. De manera similar, la expresión proteica de Dyrk1A en ratón se localiza principalmente en el bulbo olfatorio, núcleos motores profundos y cerebelo (Marti et al. 2003). El estudio de expresión de la proteína revela una elevada expresión durante los estadíos embrionarios que disminuye gradualmente en etapas postnatales (Okui et al. 1999), indicando una regulación diferencial entre la transcripción del RNAm y el recambio proteico. Este patrón de expresión tan intenso durante el desarrollo, sugiere un papel relevante en la neurogénesis y en la diferenciación neuronal.
En el cerebro humano adulto, DYRK1A se expresa en regiones afectadas en el síndrome de Down como son las capas superficiales de la neocorteza, en el hipocampo principalmente en CA1, en el núcleo caudado y en el tálamo. El patrón de expresión de DYRK1A en cerebro humano es ligeramente diferente al detectado en cerebro de ratón adulto y no sólo varía entre las diversas regiones del cerebro sino también entre diferentes tipos neuronales dentro de una misma estructura cerebral. A modo de ejemplo, en el cerebelo humano no se observa marcaje frente a esta proteína (Wegiel et al. 2004), mientras que en ratón existe una expresión intensa en la corteza cerebelosa (Marti et al. 2003). Este patrón temporal de expresión más intenso y generalizado durante el desarrollo y más específico y restringido en el adulto sugiere funciones diferenciales para este gen a lo largo de la vida del organismo. Ello tiene claras implicaciones en la interpretación de las alteraciones observadas en el adulto que pueden ser específicas o derivadas de la alteración pre- o postnatal.
Papel de DYRK1A en el neurodesarrollo
Además de su elevada expresión durante el periodo embrionario, otros datos experimentales sugieren la implicación de Dyrk1A en el desarrollo del SNC. Los resultados son muy significativos, tanto si se provoca una pérdida de función del gen como si aumenta la función. En el primer caso, tanto la mosca Drosophila mutante con pérdida de función de mnb (Tejedor et al. 1995) como el ratón con haploinsuficiencia de Dyrk1A (una sola copia del gen: Dyrk1A+/-) (Fotaki et al. 2002) presentan una reducción del tamaño cerebral, con mayor afectación de ciertas áreas. En el segundo caso, en cambio, en modelos murinos que sobreexpresan Dyrk1A se han detectado cambios de tamaño cerebral si bien éstos son dispares. Así, el ratón con trisomía parcial que contiene tres copias del gen (Ts65Dn) presenta una reducción, mientras que el ratón YAC527Fe muestra un incremento comparado con sus respectivos controles. Estos cambios en el volumen cerebral parecen ser debidos a cambios en el número de células generadas durante el proceso proliferativo del desarrollo postembrionario, involucrando a DYRK1A en la neurogénesis. De hecho, Dyrk1A se expresa transitoriamente en células neurales progenitoras durante la transición desde las divisiones proliferantes hacia las neurogénicas (Hammerle et al. 2002).
Por otro lado, existe una onda de expresión de la proteína Dyrk1A durante la embriogénesis tardía, concretamente en poblaciones neuronales que inician la diferenciación (Hammerle et al. 2003). En ese momento se produce un incremento de su expresión a nivel nuclear que posteriormente se desplaza al cono de crecimiento dendrítico donde se co-localiza con dinamina, una molécula implicada en el reciclaje de vesículas sinápticas y en la internalización del receptor, para la que se ha descrito una participación en el crecimiento neurítico tanto en Drosophila (Kim y Wu 1987) como en vertebrados. Estos efectos sobre proliferación, que pueden derivar en cambios sustanciales en el tamaño del cerebro, podrían estar directamente relacionados con la reducción del tamaño del cerebro de las personas con síndrome de Down que se ha sugerido que podría ser consecuencia de una hipocelularidad (Becker et al. 1991; Coyle et al. 1986).
Recientemente, se ha involucrado a DYRK1A en las señales de transducción dependientes de Ras necesarias para la promoción y mantenimiento de la diferenciación neuronal (Kelly y Rahmani 2005). Por ello, la sobreexpresión de DYRK1A podría interferir la diferenciación dendrítica, provocando cambios importantes durante el desarrollo, perdurables en la etapa adulta con un marcado impacto sobre la conectividad, que dificultaría el procesamiento correcto de la información y contribuiría de este modo a la patología dendrítica presente en el síndrome de Down.
Papel de DYRK1A en procesos cognitivos
Los cambios acontecidos durante el desarrollo determinarán el funcionamiento del SNC durante la etapa adulta y, por tanto, los efectos derivados de la disregulación de Dyrk1A (por exceso o por defecto) durante etapas embrionarias y fetales condicionarán la eficiencia de los sistemas neurales a largo plazo en la edad adulta. Sin embargo, también se observa expresión de DYRK1A en el adulto en regiones cerebrales implicadas en funciones cognitivas, por lo que no se puede descartar la implicación de esta proteína en aspectos funcionales específicos y propios durante la etapa adulta, y no solamente los derivados de las alteraciones del neurodesarrollo.
El estudio comparativo de expresión de DYRK1A en seres humanos utilizando tejidos procedentes de niños y adultos (Wegiel et al. 2004), indicó que la maduración del cerebro humano aparece asociado a un incremento en el número de neuronas DYRK1A positivas y a la acumulación de esta proteína en el soma neuronal, dendritas y sinapsis (Wegiel et al. 2004). Añadiendo a su localización en la sinapsis el hecho de que Dyrk1A fosforila dinamina (Chen-Hwang et al. 2002), no se puede descartar su posible papel en el ensamblaje del aparato endocítico, implicando esta proteína en la regulación de la transmisión sináptica y los cambios en su eficacia subyacentes a los procesos de memoria y aprendizaje. Asimismo, Dyrk1A es capaz de fosforilar factores de transcripción asociados a procesos cognitivos como CREB (Yang et al. 2001) o NFAT (Arron et al. 2006). Finalmente, el hecho de que los diversos modelos murinos con cambio de dosis de Dyrk1A presenten alteraciones cognitivas relevantes y que en humanos, DYRK1A se sobreexprese en algunas estructuras que se encuentran afectadas en el síndrome de Down y están asociadas al retraso mental, como la neocorteza y el hipocampo, refuerzan la hipótesis de la participación de Dyrk1A en la regulación de los procesos cognitivos.
Papel de DYRK1A en la función motora
La expresión de Dyrk1A en ratón en áreas relacionadas con el control motor como el cerebelo, la médula espinal y núcleos motores relacionados (Marti et al. 2003) apuntan a una posible implicación de este gen en estas funciones. Tanto el ratón Ts65Dn como los modelos murinos de sobreexpresión de Dyrk1A (TgDyrk1A y YAC527Fe) muestran hiperactividad, alteraciones motoras moderadas y retraso en el desarrollo neuromotor (Altafaj et al. 2001; Costa et al. 1999; Hyde et al. 2001; Branchi et al. 2004), mientras que el modelo murino con haploinsuficiencia de Dyrk1A (Dyrk1A+/-) muestra hipoactividad (Fotaki et al. 2002). De manera similar, en Drosophila mutante con reducción de dosis de mnb se han detectado alteraciones en actividad locomotora (Tejedor et al. 1995). Estas observaciones involucran a DYRK1A en un posible desarrollo aberrante del cerebro con consecuencias en la adquisición de las habilidades motoras, pero posiblemente también en la propia funcionalidad de los sistemas motores en el adulto. Por tanto no se puede descartar que su sobreexpresión en el síndrome de Down tuviera consecuencias en la disfunción motora presente en estas personas.
Papel de DYRK1A en procesos neurodegenerativos
En la actualidad, no está bien establecido el papel de DYRK1A en la neurodegeneración, pero existen indicios que sugieren su participación en este proceso. Por un lado, DYRK1A mantiene su expresión en el cerebro de personas mayores de 60 años, aunque se observa una disminución de al menos un 15% de las neuronas Dyrk1A positivas en CA1 y corteza cerebral (Wegiel et al. 2004). Además se ha detectado una intensa expresión de la proteína en los cuerpos amiláceos de origen intracelular que se consideran como una respuesta neuronal frente al daño en el envejecimiento y procesos de neurodegeneración (Mrak et al. 1997; Singhrao et al. 1993). Con la edad se observa a su vez un incremento generalizado en el número de astrocitos marcados frente a DYRK1A (Wegiel et al. 2004), lo que no permite descartar la posible implicación de DYRK1A en la astrogliosis observada en el síndrome de Down.
Por otro lado, ensayos in vitro han demostrado que DYRK1A es capaz de fosforilar la proteína asociada a microtúbulos Tau en Thr212, un residuo fosforilado en Tau fetal e hiperfosforilado en la enfermedad de alzheimer y otras “taupatías”, que permite su reconocimiento y fosforilación por la quinasa GSK3 (Woods et al. 2001a). La posibilidad de que DYRK1A pueda actuar sobre Tau in vivo implicaría que su sobreexpresión podría facilitar la hiperfosforilación de Tau causante de la formación de los ovillos neurofibrilares característicos de la enfermedad de Alzheimer y presentes en el síndrome de Down. Por otro lado, al igual que ocurre en la enfermedad de Alzheimer, el ratón Ts65Dn que contiene triplicado el gen Dyrk1A, presenta alteraciones en aprendizaje y memoria asociadas a la degeneración colinérgica. Estos datos sugieren que la sobreexpresión de DYRK1A en los pacientes con síndrome de Down podría estar interviniendo en el envejecimiento prematuro y la instauración temprana de patología similar a la enfermedad de Alzheimer, por lo que resulta necesario e interesante realizar nuevas aproximaciones que esclarezcan esta hipótesis.
Consecuencias de la manipulación in vivo del gen DYRK1A
- a) Por pérdida de función
La anulación completa del gen Dyrk1A resulta letal para el ratón (Fotaki et al. 2002), pero la inactivación de sólo un alelo (ratón heterocigoto Dyrk1A+/-) permite la supervivencia del ratón aunque su viabilidad perinatal está comprometida en cierta medida, y presenta un retraso general del desarrollo. El cerebro del ratón Dyrk1A+/- es significativamente más pequeño que el de sus hermanos de camada control, existiendo una reducción desproporcionada en bulbo olfatorio, mesencéfalo y metencéfalo ventral, si bien la citoarquitectura está conservada en la mayor parte de las regiones cerebrales (Fotaki et al. 2002). Las alteraciones afectan también al tamaño del neuropilo y al aparato dendrítico, como se deduce de las alteraciones observadas en el fenotipo de las células piramidales de la corteza cerebral de estos ratones. Los ratones con reducción de función de Dyrk1A muestran un menor tamaño del árbol dendrítico con disminución muy significativa en el número de sus espinas (Benavides-Piccione et al. 2005), lo que indica que es necesaria la dosis suficiente de Dyrk1A para la correcta maduración neuronal, y que reducciones no muy importantes no pueden ser compensadas.
- b) Por exceso: ratones transgénicos (TgDyrk1A)
En muchos casos, pequeños incrementos de dosis de genes únicos prácticamente no producen fenotipo. Sin embargo, los ratones TgDyrk1A presentan un retraso significativo en el desarrollo neuromotor, alteraciones del aprendizaje y un patrón locomotor hiperactivo en el adulto (Altafaj et al. 2001). Ello estaría en concordancia con el patrón de expresión del gen, que es ubicuo durante el neurodesarrollo, y en el adulto se concentra en regiones motoras, olfatorias y en algunas estructuras cerebrales relacionadas con procesos de memoria y aprendizaje. En tareas de aprendizaje, los ratones TgDyrk1A muestran alteraciones en el aprendizaje visuoespacial y en la flexibilidad cognitiva, lo que sugiere que hay alteraciones subyacentes en hipocampo y en corteza cerebral. Si bien más leves, cualitativamente estas alteraciones muestran una similitud clara con las observadas en el modelo Ts65Dn (un modelo de trisomía parcial del cromosoma 16 murino). Y si bien es evidente que Dyrk1A no es el único gen implicado en el defecto de memoria, estos hallazgos apuntan a que podría ser uno de los genes candidatos importantes.
En la corteza cerebral, la sobreexpresión de Dyrk1 A provoca alteraciones en la formación de neuritas, caracterizadas por un retraso en la elongación del axón y una alteración en el número y tamaño de estructuras proliferantes, sugiriendo la implicación de la sobreexpresión de este gen en las alteraciones del aparato dendrítico que se observan en el síndrome de Down.
El enriquecimiento ambiental en el modelo transgénico de sobreexpresión de Dyrk1 A no produjo efectos beneficiosos a nivel conductual en ratones macho, posiblemente debido a un aumento del estrés. A pesar de esta falta de efecto a nivel conductual, el enriquecimiento produjo cambios en la actividad cerebral como revelaron los experimentos de imagen in vivo (micro-PET). En hembras, el tratamiento ambiental fue eficaz en el grupo control pero no en las ratonas transgénicas, sugiriendo una alteración de la neuroplasticidad en nuestro modelo. Este patrón de respuesta es similar al descrito en el ratón Ts65Dn.
Por otro lado, ratones transgénicos de una librería in vivo de YACs (ver arriba) que contiene Dyrk1A (YAC152F7) también muestra alteraciones en aprendizaje e hiperactividad, si bien en este caso la sobreexpresión de Dyrk1A, junto con una triada de genes de la región crítica de SD da lugar a un incremento en el tamaño neuronal. Por otra parte, la sobrexpresión de DYRK1A se asocia en este modelo con un incremento en la fosforilación de una proteína de ciclo celular, ciclina B1 (Branchi et al. 2004). Finalmente, recientemente se ha generado un ratón transgénico con un BAC que contiene una única copia de Dyrk1A simulando así la dosis de este gen presente en síndrome de Down. Estos ratones nuevamente presentan alteraciones en la plasticidad sináptica asociadas a cambios en memoria visuo-espacial.
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos en los ratones con déficit de expresión y con exceso de expresión del gen Dyrk1A.
Conclusión
El gen Dyrk1A, a través de la proteína que codifica, parece desempeñar una función relevante durante el desarrollo neuronal, tanto en procesos de proliferación como de diferenciación, con consecuencias posiblemente sobre procesos cognitivos y conductuales, pero también en procesos neurodegenerativos. La hipótesis del efecto de dosis génica en el síndrome de Down se basa en que el desequilibrio de dosis de genes específicos conduciría a niveles elevados de proteínas concretas con consecuencias fenotípicas. Dyrk1A es uno de esos genes dosis-sensibles que de acuerdo con su patrón de expresión y con los sustratos de fosforilación identificados, podría participar en las alteraciones motoras y cognitivas y en el proceso neuropatológico tipo enfermedad de Alzheimer en personas con síndrome de Down a través de la afectación de la neuritogénesis y la neuroplasticidad.
Quedan por identificar las rutas bioquímicas específicas implicadas en los efectos de Dyrk1A, y es necesario ser cautos ante las posibles implicaciones futuras de estos hallazgos, pese a la clara relación encontrada entre el exceso de copias de este gen y las disfunciones que ocasiona. Sin duda, entre los genes importantes para explicar el retraso mental del síndrome de Down habrá otros genes clave. La identificación de estos genes representa tan sólo un primer paso en el desarrollo de tratamientos que puedan ser eficaces.
