ATAXIA ESPINOCEREBELOSA AUTOSÓMICA DOMINANTE TIPO 1 (SCA1). Por el Dr. Antoni Matilla, MD, del Instituto de Salud Infantil de la University College de Londres.
Las ataxias hereditarias cerebelosas forman un grupo de enfermedades neurodegenerativas caracterizadas por dificultades motoras, incluyendo pérdidas de equilibrio y de coordinación (1). En estos desórdenes neurológicos la ataxia es producida por la degeneración selectiva de las células de Purkinje de la corteza cerebelosa, una región del cerebro altamente especializada en coordinar la exactitud y la precisión de los movimientos. Debido a la elevada heterogeneidad de la enfermedad y al solapamiento de los síntomas clínicos, la clasificación de las ataxias hereditarias no ha sido fácil. La identificación reciente de los genes asociados con ataxia hereditaria ha facilitado la clasificación de este grupo de enfermedades y entender los mecanismos por los cuales las anormalidades genéticas correspondientes producen la disfunción y degeneración neuronal causando los correspondientes síntomas clínicos. La comprensión de los mecanismos implicados en neurodegeneración en las ataxias hereditarias ha de facilitar el desarrollo y el diseño de estrategias terapéuticas para tratar estas enfermedades. Durante los últimos diez años, me he dedicado a la investigación de las Ataxias Espinocerebelosas para entender sus procesos neurodegenerativos con el fin de encontrar tratamiento.
En 1993, los Dres. Orr y Zoghbi, en USA, identificaron el gen responsable de la ataxia espinocerebelosa tipo 1 (SCA1), el primer gen encontrado responsable de una ataxia espinocerebelosa (2). Los pacientes con SCA1 presentan ataxia y varias señales variables de disartria, dismetria, nistagmo, deterioro muscular, y neuropatía (3). La enfermedad es causada por la pérdida progresiva en el cerebelo de las células de Purkinje y de los núcleos cerebelosos profundos además de degeneración de neuronas en los núcleos olivares inferiores y de neuronas pontinas en el tronco cerebral. La SCA1 es causada por la herencia de una expansión de la repetición trinucleotídica CAG en el gen SCA1. Consecuentemente, los pacientes de SCA1 heredan una copia del gen con un número variable de repeticiones CAG presentando entre 6 y 39, y una segunda copia del gen de SCA1 conteniendo más de 40 repeticiones CAG, que es el umbral patológico (4). Nosotros demostramos que en SCA1, la severidad de la enfermedad y la edad de inicio están correlacionadas con el número de repeticiones del triplete CAG (2, 4, 5). Por consiguiente, un paciente de SCA1 con 80 repeticiones CAG en el gen SCA1 presenta una forma más severa y una edad de inicio de la enfermedad más temprana que un paciente con 45 repeticiones. También demostramos que las expansiones CAG en el gen SCA1 son más inestables cuando se transmiten durante la gametogénesis masculina. El gen SCA1 codifica una proteína de función desconocida denominada ataxina-1, y ya que el triplete nucleotídico CAG codifica el aminoácido glutamina, los pacientes con SCA1 tienen en las células una forma inofensiva de ataxina-1 con un número variable de entre 6 y 39 glutaminas, y una forma patológica de ataxina-1 con más de 40 glutaminas. Por ello, la ataxia espinocerebelosa tipo 1 (SCA1) se incluye dentro del grupo de desórdenes neurodegenerativos causados por expansiones de glutaminas en los productos génicos correspondientes. Actualmente, además de SCA1, el grupo de enfermedades causadas por expansiones de poliglutamina comprende cinco tipos más de ataxia espinocerebelosa, incluyendo SCA2, SCA3 o enfermedad Machado-Joseph, SCA6, SCA7 y SCA17, atrofia molecular bulbar espinal (SBMA) también conocida como enfermedad de Kennedy, la enfermedad de Huntington (HD), y la atrofia dentatorubropalidoluisiana (DRPLA) (6).
Para comprender los mecanismos moleculares neurodegenerativos en la patogénesis de SCA1, generamos ratones transgénicos que expresan una forma mutada de ataxina-1 con 82 glutaminas, que es responsable de las formas juveniles de pacientes con SCA1 (7). La expresión de la proteína se condujo a las células cerebelosas de Purkinje, mediante un promotor génico específico, por ser estas células el objetivo neuropatológico primario en SCA1. La caracterización fenotípica de los ratones SCA1 reveló que a las 5 semanas de edad, los ratones mutados presentan una actitud anómala en la barra rotatoria, un dispositivo diseñado para evaluar el funcionamiento cerebeloso en roedores, sin presentar graves déficits de equilibrio o de coordinación motores, y sin trastornos celulares ni alteraciones morfológicas evidentes en el cerebelo (8). A las 6 semanas de edad, observamos que la ataxina-1 se agrega en los núcleos de las células de Purkinje de los ratones transgénicos, cuyos cerebelos muestran anormalidades neuronales menores, como pérdida sutil de las dendritas de las células de Purkinje. Hacia las 12 semanas de edad, los ratones transgénicos muestran una ataxia evidente que empeora con el tiempo y es acompañada por pérdida neuronal. En las fases más avanzadas de la enfermedad, los cerebelos de los ratones transgénicos revelan pérdida importante de las células de Purkinje y el cerebelo muestra una atrofia severa. Estos resultados indican que el proceso de la enfermedad en los ratones transgénicos SCA1 es muy similar a la observada en humanos, y demuestra que la generación de un modelo animal para SCA1 es muy valiosa para investigar la enfermedad a nivel molecular. El posterior hallazgo de que las expansiones de poliglutamina causan alteraciones en la expresión de genes específicos en las primeras fases de la enfermedad es muy importante, por ser objetivo de tratamientos terapéuticos específicos (9). A medida que la enfermedad progresa, la ataxina-1 mutada, cuya estructura tridimensional se modifica por el efecto de contener expansiones de glutaminas, no se elimina adecuadamente. Se agrega en el núcleo celular y recluta, a través del dominio de poliglutaminas, una variedad de proteínas, incluyendo factores de transcripción, chaperonas (proteínas involucradas en el plegado de proteínas), así como otros componentes de la maquinaria degradatoria del proteasoma. A la larga y progresivamente, quedan comprometidas funciones esenciales celulares, y se activan procesos tóxicos que afectan selectivamente las células de Purkinje.
A partir de estos estudios surgió una pregunta importante. Puesto que la ataxina-1 con expansiones de poliglutamina se detecta en la mayoría de las células y tejidos examinados tanto nerviosos como no, ¿cómo es posible que en SCA1 la neurodegeneración tiene lugar en una subpoblación pequeña de neuronas, entre las que se encuentran las células de Purkinje del cerebelo, las células del tronco cerebral y algunas células corticales? Me propuse encontrar la respuesta buscando proteínas interaccionantes con ataxina-1. Así descubrí que la ataxina-1 está asociada con una proteína nuclear, llamada LANP por proteína nuclear acídica rica en leucinas, cuya expresión está confinada a los objetivos celulares patológicos en SCA1 (10) (Matilla, datos no publicados). La interacción de ataxina-1 con LANP es regulada por el tracto de poliglutamina en ataxina-1, y la asociación es más fuerte cuando la ataxina-1 contiene un número alto de glutaminas. Además, LANP queda secuestrada por la ataxina-1 hacia unos compartimientos subnucleares de la matriz nuclear. Como resultado de estas observaciones, propusimos que la expansión de glutaminas en la ataxina-1 anula la función de LANP en las células de Purkinje. Como LANP parece que media en la regulación de transcripción de genes específicos en las células de Purkinje, la abolición de la función de LANP podría mediar en la pérdida de células selectivas durante la neurodegeneración observada en SCA1. Muy recientemente hemos descubierto que la interacción LANP con ataxina-1 en SCA1 afecta la función de la proteína MAP1B en los microtúbulos del citoesqueleto neuronal, sugiriendo que esta interacción podría ser responsable a principios de la enfermedad de la pérdida dendrítica observada en las células de Purkinje.
Para investigar la función de la ataxina-1 y las bases moleculares de la enfermedad, también generamos ratones knock-out SCA1 (11). Usando técnicas de ingeniería genética en el ratón, eliminamos parte del gen SCA1 con el fin de abolir la expresión de ataxina-1 por el gen SCA1. Estos estudios revelaron que los ratones carentes de ataxina-1 son viables, fértiles, y no muestran evidencias de ataxia o neurodegeneración cerebelosa. No obstante, los ratones knock-out para el gen SCA1 presentan ciertas deficiencias neurológicas, incluyendo una actividad exploratoria disminuida, anomalías de orientación y aprendizaje espacial, y deficiencias motoras. Además, los ratones knock-out SCA1 presentan anomalías electrofisiológicas en el área CA1 del hipocampo, una área del cerebro conocida por estar implicada en procesos de aprendizaje y memoria. Aunque los mecanismos moleculares por los que la falta de ataxina-1 conducen a los déficits exploratorios, de aprendizaje motor y espacial, y electrofisiológicos en los ratones knock-out SCA1 son poco claros, estas observaciones apuntan a un papel de la ataxina-1 en tareas esenciales para las instrucciones motoras, y también indican que la ataxina-1 interviene en la regulación equilibrada homeostática del calcio. Como los ratones knock-out SCA1 presentan, al igual que los animales transgénicos SCA1, deficiencias motoras y neurológicas a la quinta semana de edad sin presentar ninguna alteración morfológica clara en el cerebelo, estas observaciones indican que el deterioro neurológico temprano observado en SCA1 es probablemente causado por la pérdida de función celular de la ataxina-1, y apoyan la hipótesis de que la disfunción de la proteína normal también contribuye a la patología de SCA1.
De estos estudios se desprenden varias conclusiones. La pérdida de función de la proteína normal y procesos de desregulación transcripcional contribuyen a las fases iniciales de la enfermedad. El deterioro neurológico es causado por disfunción neuronal y no directamente por pérdida neuronal. Los síntomas atáxicos y la degeneración neuronal de SCA1 son producidos por la presencia de expansiones de poliglutamina en ataxina-1 que inducen procesos celulares tóxicos de ganancia de función. La pérdida celular selectiva en SCA1 es debida a interacciones de la proteína mutada con proteínas específicas celulares. Finalmente, durante la progresión de la enfermedad se ven comprometidas funciones celulares esenciales, como por ejemplo las del sistema ubiquitina/proteasoma.
Recientes observaciones experimentales realizadas en la enfermedad de Huntington (HD), una enfermedad clínicamente caracterizada por la pérdida de coordinación motora causada por expansiones de poliglutamina en la proteína huntingtina, han revelado que procesos de desregulación de la acetilización de las histonas, unas componentes de la cromatina que están involucradas en procesos de regulación de transcripción génica, están involucradas en los procesos neurodegenerativos de HD (12). Importantemente, la administración de inhibidores de acetilación de histonas, como el ácido butírico o el ácido hydroxámico suberoilanílido (SAHA), detienen, in vivo, la degeneración neuronal inducida por expansiones de poliglutamina. Estos resultados demuestran que la desregulación de la acetilación de histonas, y, por consiguiente, de la transcripción génica están implicadas en la enfermedad de Huntington. Ademas, indican que la manipulación farmacológica de los niveles de acetilación podrían retardar o incluso prevenir la neurodegeneración progresiva. En SCA1, LANP forma parte de un complejo de multiproteínas que regula los niveles de acetilación de histonas (13). Estas observaciones, junto con el hecho que LANP queda localizada erróneamente en compartimientos subnucleares como consecuencia de su interacción con ataxina-1 mutada en SCA1 (10), apoyan la hipótesis de que procesos de desregulación de la acetilación de histonas y desregulación transcripcional podrían estar implicados en los mecanismos patogénicos de SCA1. Si así fuese el caso, podrían aplicarse substancias reguladoras de los niveles del acetilación de histonas, como SAHA, en SCA1 en las fases tempranas de la enfermedad con el fin de prevenir y evitar los síntomas.
Para concluir, sólo añadir que aunque la prognosis de los pacientes con ataxias espinocerebelosas ha mejorado poco durante la última década, hemos dedicado enormes esfuerzos para identificar los genes responsables de las ataxias hereditarias, caracterizar los correspondientes productos génicos, y descifrar las bases moleculares de la neurodegeneración de estas enfermedades. Gracias a estos esfuerzos ahora sabemos que la desregulación de la actividad transcripcional de genes específicos juega un papel importante en las fases tempranas de patogénesis. También sabemos que los procesos de neurodegeneración en las ataxias espinocerebelosas son inducidos por efectos celulares tóxicos por parte de las expansiones de glutaminas que comprometen funciones celulares esenciales. Mediante la investigación de la complejidad involucrada en los procesos neurodegenerativos para descifrar los mecanismos moleculares y celulares subyacentes de la neurodegeneración selectiva, hemos de ser capaces de identificar y comprender los componentes celulares que actúan en fases tempranas de la enfermedad con el objetivo de diseñar aproximaciones racionales terapéuticas.
Referencias:
1-. Harding, A.E. Clinical features and classification of inherited ataxias. In: Inherited ataxias (eds. Harding, A.E. and Deufel, T.), Vol. 61, pp. 1-14, Raven, New York (1993).
2-. Orr, H., Chung, M.-y., Banfi, S., Kwiatkowski Jr, T.J., Servadio, A., Beaudet, A.L., McCall, A.E., Duvick, L.A., Ranum, L.P.W. and Zoghbi, H.Y. Expansion of an unstable trinucleotide (CAG) repeat in spinocerebellar ataxia type 1. Nature Genet. 4, 221-226 (1993).
3-. Zoghbi, H.Y. and Orr, H.T. Spinocerebellar ataxia type 1. Sem. Cell Biol. 6, 29-35 (1995).
4-. Matilla, T., Volpini, V., Genis, D., Rosell, J., Corral, J., Davalos, A., Molins, A. and Estivill, X. Presymptomatic analysis of spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1) via the expansion of the SCA1 CAGrepeat in a large pedigree displaying anticipation and parental male bias. Hum. Molec. Genet. 2, 2123-2128 (1993).
5-. Ranum, L.P.W., Chung, M.-y., Banfi, S., Bryer, A., Schut, L.J., Ramesar, R., Duvick, L.A., McCall, A.E., Subramony, S.H., Goldfarb, L. et al. Molecular and clinical correlations in spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1): evidence for familial effects on the age of onset. Am. J. Hum. Genet. 55, 244-252 (1994).
6-. Wells, R.D. and Warren, S.T. Genetic instabilities and hereditary neurological diseases, pp. 829, Academic Press, San Diego (1998).
7-. Burright, E.N., Clark, H.B., Servadio, A., Matilla, T., Feddersen, R.M., Yunis, W.S., Duvick, L.A., Zoghbi, H.Y. and Orr, H.T. SCA1 transgenic mice: a model for neurodegeneration caused by an expanded CAG trinucleotide repeat. Cell 82, 937-948 (1995).
8-. Clark, H.B., Burright, E.N., Yunis, W.S., Larson, S., Wilcox, C., Hartman, B., Matilla, A., Zoghbi, H.Y. and Orr, H.T. Purkinje cell expression of a mutant SCA1 allele in transgenic mice leads to disparate effects on motor behaviors followed by a progressive cerebellar dysfunction and histological abnormalities. J. Neurosci. 19, 7385-7395 (1997).
9-. Lin, X., Antalffy, B., Kang, D., Orr, H.T. and Zoghbi, H.Y. Polyglutamine expansion down-regulates specific neuronal genes before pathologic changes in SCA1. Nature Neurosc. 3, 157-163 (2000).
10-. Matilla, A., Koshy, B.T., Cummings, C.J., Isobe, T., Orr, H.T. and Zoghbi, H.Y. The cerebellar leucine-rich acidic nuclear protein interacts with ataxin-1. Nature 389, 974-978 (1997).
11-. Matilla, A., Roberson, E.D., Banfi, S., Morales, J., Armstrong, D.L., Burright, E.N., Orr, H.T., Sweatt, J.D., Zoghbi, H.Y. and Matzuk, M.M. Mice lacking ataxin-1 display learning deficits and
decreased hippocampal paired-pulse facilitation. J. Neurosci. 18, 5508-5516 (1998).
12-. Steffan, J.S., Bodai, L., Pallos, J., Poelman, M., McCampbell, A., Apostol, B.L., Kazantsev, A., Schmidt, E., Zhu, Y.Z., Greenwald, M. et al. Histone deacetylase inhibitors arrest polyglutamine-dependent neurodegeneration in Drosophila. Nature 413, 739-743 (2001).
13-. Seo, S.B., McNamara, P., Heo, S., Turner, A., Lane, W.S. and Chakravarti, D. Regulation of histone acetylation and transcription by INHAT, a human cellular complex containing the set oncoprotein. Cell 104, 119-130 (2001).