Los microRNA del cromosoma 21 - Downciclopedia

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Los microRNA del cromosoma 21

Una nueva perspectiva en la patogenia del síndrome de Down

Redacción de Canal Down21 

 

Introducción

Como es bien sabido, el síndrome de Down se caracteriza  por la presencia de tres cromosomas del par 21, en lugar de dos, en los núcleos de las células del organismo. Por consiguiente, existen tres copias de los genes que están contenidos en el cromosoma humano 21 (HSA21): una copia por cada cromosoma. El resultado consistirá en que habrá una mayor capacidad para ejecutar las acciones que son propias de los genes. Esa mayor capacidad se denomina sobreexpresión: los genes se expresan ―actúan― en exceso. Una gran mayoría de genes tiene como función la síntesis de proteínas: el DNA promueve la síntesis de un RNA mensajero (mRNA), el cual a su vez promoverá la incorporación de un aminoácido para conseguir el ensamblaje de una proteína. Por tanto, la sobreexpresión de un determinado gen terminará por producir un exceso de la proteína propia de ese gen. Cabría pensar, por tanto, que en el síndrome de Down existe un exceso de proteínas: las proteínas que derivan de la acción de los genes del HSA21. Pero eso es así sólo en parte, por diversos motivos: i) hay genes que están presentes pero no funcionan, están silentes; ii) hay proteínas formadas por genes del HSA21 cuya función es bloquear la acción de otros genes y, por tanto, bloquean la producción de otras proteínas. El resultado final es que, en el síndrome de Down, vemos aumento de unas proteínas, disminución de otras, y ningún cambio en otras.

De acuerdo con los datos más recientes, en el HSA21 están almacenados más de 500 genes. Pero 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.

Se ha descubierto recientemente que 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. ¿Es esto posible?

 

La investigación realizada por el grupo del Dr. Elton

El grupo de investigación que dirige el Dr. Terry S. Elton, en la Ohio State University de Estados Unidos, ha prestado particular atención a los 5 miRNAs que existen en el cromosoma 21. En un primer trabajo demostró que los 5 se encuentran sobreexpresados en el corazón y en el hipocampo de fetos con síndrome de Down. Posteriormente el grupo amplió extensamente su investigación, dando lugar a importantes hallazgos en cerebros de personas con síndrome de Down que resumimos a continuación.

Inicialmente comprobaron que los 5 mi-RNAs del HSA21 se encuentran sobreexpresados en la corteza prefrontal de cerebros obtenidos de fetos, niños, adolescentes y adultos con síndrome de Down. Se fijaron después de forma especial en la proteína llamada MeCP2 por varias razones. i) Es una proteína que es diana de algunos de esos miRNAs, concretamente de miR-155 y miR-182; eso quiere decir que estos mi-RNAs actúan negativamente sobre los mRNAs encargados de sintetizar esa proteína y, por tanto, no nos puede extrañar que se piense que la sobreexpresión de los miRNAs se acompañe de una disminución correlativa en la presencia de la proteína MeCP2. ii) Esta proteína se encuentra normalmente en las neuronas y participa en los procesos de formación y desarrollo de las neuronas (neuronogénesis), procesos que se encuentran alterados en el síndrome de Down. Los autores confirmaron por distintos métodos que el miR-155 y miR-182 interactúan con el mRNA de la proteína MeCP2, y que si se introducen artificialmente en las células, éstas reducen su capacidad de producir MeCP2.

Posteriormente demostraron que, efectivamente, en diversas regiones de cerebros de personas con síndrome de Down de distinta edad, hay una disminución tanto del mRNA de la proteína MeCP2 como de esa misma proteína. Y eso hace sugerir que la sobreexpresión debida a la trisomía del HSA21 está reduciendo la formación de MeCP2. Lo confirmaron primero en el estudio de las neuronas como explicamos a continuación.

Se sabe que la proteína MeCP2 actúa como factor de transcripción. Un factor de transcripción es una proteína que tiene la capacidad de regular la actividad de determinados genes, unas veces favoreciéndola y otras veces entorpeciéndola. Pues bien, sabemos que la MeCP2 es capaz de favorecer la actividad del gen CREB1 y de entorpecer la actividad del gen MEF2C; las proteínas derivadas de estos genes tienen muy especial importancia porque participan en diversos procesos de transmisión y plasticidad neuronal. Comprobaron que, en efecto, células que fueron inoculadas con miR-155 y miR-182 tienen valores bajos de la proteína MeCP2, y como ésta favorece la síntesis de CREB1, también había reducción de la cantidad de CREB1; en cambio, como entorpece la síntesis de MEFC2, al haber menos MeCP2 había más MEFC2. En definitiva, sugieren que los microRNAs aumentados en el síndrome de Down, al reducir la proteína MeCP2, alteran el equilibrio de elementos que son muy importantes en la vida y función de las neuronas.

Y posteriormente, esta sugerencia fue, en efecto, confirmada en muestras de cerebro humano con síndrome de Down. Observaron que había menos presencia de CREB1 en las neuronas derivadas de cerebros con síndrome de Down (fetales y adultas), y más presencia de MEFC2. En definitiva, pues, el conjunto de datos apoya la hipótesis de que la sobreexpresión de miRNAs en el cromosoma 21 humano nos lleva a reducir la expresión de la proteína MeCP2, y esta reducción, a su vez, termina por distorsionar la regulación de los genes sobre los cuales actúa normalmente.

En un paso adelante, los autores propusieron analizar todos estos datos a la luz de experimentos realizados en los ratones trisómicos Ts65Dn, un modelo bien conocido de síndrome de Down. Estos ratones son trisómicos para 104 genes ortólogos de genes del HSA21, y para 2 de los 5 miRNAs presentes en el HSA21: precisamente el miR-155 y el miR-802. Al tener 3 copias de cada uno, estarán sobreexpresados. Si su acción fuese comparable a la observada en los tejidos humanos con síndrome de Down, estos ratones deberían mostrar subexpresión de las proteínas MeCP2 y CREB1 y sobreexpresión de la proteína MEF2C. Los resultados así lo confirmaron: aumento de los miRNAs (miR-155 y miR-802), disminución de MeCP2 y CREB1 y aumento de MEF2C.

Finalmente se realizó la prueba definitiva: someter a estos ratones a la acción de unas sustancias capaces de bloquear o silenciar la acción de los miRNAs endógenos. Estas sustancias se llaman “antagomires”. Para ello, se inyectó un antagomir de cada uno estos miRNAs dentro de los ventrículos cerebrales de los ratones. Como los antagomires son sustancias estables, su acción se prolonga durante bastante tiempo. A la semana de la inyección del antagomir-155 se apreció una atenuación de la expresión endógena de miR-155 en el hipocampo de los ratones Ts65Dn, manifestación de que realmente estaba ejerciendo su acción antagonista;  y, más importante todavía, un aumento de las proteínas MeCP2 y CREB1 y una disminución de la proteína MEF2C en el hipocampo de los ratones. Es decir, el antagonismo sobre la acción del miR-55 sobreexpresado en el ratón trisómico normalizaba los efectos de dicho miRNA. Parecidos resultados se obtuvieron con el antagomir R-802.

La conclusión de todo este conjunto de resultados es que la proteína MeCP2 es una diana directa de miR-155 y miR-802 in vivo, y que el silenciamiento de estos miRNAs endógenos cuando están sobreexpresados puede tener un valor terapéutico.

 

Conclusión

En muestras de cerebro obtenidas en individuos con síndrome de Down de diversas edades (desde fetos a edad adulta), los miRNAs (miR-155 y -802) del cromosoma 21 humano y las proteínas MeCP2, CREB1 y MEF2C se encuentran todos ellos expresados de una manera anómala, en cascada: el aumento de la actividad de miRNAs (por tener 3 copias en lugar de 2) inhibe o reduce la formación del factor de transcripción MeCP2; y esto redunda, a su vez, en una disminución de la síntesis de CREB1 y un aumento de la síntesis de MEF2C, lo que puede ser factor de desequilibrio en los procesos de transmisión y función neuronales. Similares resultados se observan en el modelo animal de síndrome de Down, el ratón Ts65Dn, en el que ha sido posible demostrar cómo el antagonismo frenador de la sobreexpresión de los miRNAs restaura el equilibrio en la síntesis y presencia de las proteínas afectadas. Con lo que, en principio, se abre una nueva vía de acción terapéutica en el síndrome de Down.

 

Consideraciones finales

Hemos descrito con cierto detalle la secuencia de experimentos realizados en este estudio, a sabiendas de que su descripción puede resultar ardua para los no iniciados, porque supone un punto de inflexión en la serie de ideas y teorías que tratan de explicar la patogenia del síndrome de Down. Gran parte de las explicaciones se basan en el hecho, bien demostrado, de que el exceso de dosis o carga génica en el cromosoma 21 humano se traduce en un exceso de las proteínas codificadas por los genes de dicho cromosoma. Este estudio demuestra con claridad que hay componentes no DNA en el cromosoma que alteran la síntesis de proteínas y que, por tanto, estas proteínas, en lugar de estar en exceso, están en defecto. Y esto significa un cambio porque obliga a tener en cuenta las consecuencias del defecto.

Ahora se trata de saber cuáles serán las consecuencias. Todos los datos aportados por este estudio consisten en observar cambios producidos en la presencia de diversos productos, dianas directas o indirectas de los miRNAs. Falta por ver ahora la funcionalidad de dichos cambios, es decir, las consecuencias funcionales que se derivan de tales cambios.

El otro aspecto importante de esta investigación es el hecho de haber encontrado una nueva línea de acción terapéutica en el síndrome de Down: la posibilidad de antagonizar con productos específicos la acción de los miRNAs sobreexpresados en el cerebro de personas con síndrome de Down. Y puesto que esto se ha demostrado en modelos animales, la consecuencia inmediata es analizar en estos modelos los efectos de la administración de dichos antagonistas –antagomires– sobre la conducta y otras funciones cerebrales.

 

Trabajos originales

Donald E. Kuhn, Gerard J. Nuovo, Mickey M. Martin, Geraldine E. Malana, Adam P. Pleister, Jinmai Jiang, Thomas D. Schmittgen, Alvin V. Terry Jr., Katheleen Gardiner, Elizabeth Head, David S. Feldman, Terry S. Elton. Human chromosome 21-derived miRNAs are overexpressed in Down syndrome brains and hearts. Biochemical and Biophysical Research Communications 370 (2008) 473–477

Donald E. Kuhn, Gerard J. Nuovo, Alvin V. Terry, Jr., Mickey M. Martin, Geraldine E. Malana, Sarah E. Sansom, Adam P. Pleister, Wayne D. Beck, Elizabeth Head, David S. Feldman, Terry S. Elton. Chromosome 21-derived MicroRNAs Provide an Etiological Basis for Aberrant Protein Expression in Human Down Syndrome Brains. The Journal of Biological Chemistry vol. 285, No. 2, pp. 1529–1543, January 8, 2010.