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Correo Científico Médico de Holguín 2003;7(3)
Trabajo de revisión
Departamento
de Genética Molecular
Neuropatología
molecular de enfermedades poliglutamínicas.
Molecular neuropathology of polyglutamine diseases.
Luis Enrique Almaguer Mederos1, Nieves
Santos Falcón2, Yobanis Rodríguez Almira3, Yanetza
Zaldívar4.
1, 3 Licenciado en Ciencias Biológicas.
2 Licenciada en Biología.
RESUMEN
Las
enfermedades poliglutamínicas constituyen un creciente grupo de síndromes
neurodegenerativos humanos, causados por la expansión de secuencias de CAG
situadas en regiones codificadoras de genes noveles. Las proteínas poliglutamínicas
resultantes de estos genes tienen una expresión ubicua y, sin embargo, son
tóxicas solamente para poblaciones neuronales específicas. Estudios recientes han contribuido a esclarecer
los mecanismos moleculares que subyacen al proceso patogénico, aunque aun
no se cuenta con una terapia curativa efectiva en ninguno de los casos. Aquí
revisamos los resultados de investigaciones desarrolladas sobre la neuropatología
molecular de estas afecciones.
Palabras
clave: enfermedades poliglutamínicas, neuropatología, chaperonas moleculares,
sistema ubiquitín-proteasoma.
ABSTRACT
Polyglutamine diseases constitute
a growing group of human neurodegeneratives illnesses, caused by CAG repeat
expansions located in the coding regions of novel genes. The resulting proteins
have an ubiquitous expression; however, they are toxic only for
specific neuronal populations. Recent
studies have contributed to clarify the molecular mechanisms that underlie
the pathogenic process, however, not yet it is had an effective healing therapy
in none of the cases. Here we reviewed the results of recent investigations
on the molecular neuropathology of these affections.
Key words: polyglutamine
diseases, neuropathology, molecular chaperones, ubiquitin- proteasome
system.
DESARROLLO
Breve
descripción de las enfermedades poliglutamínicas.
Las enfermedades poliglutamínicas constituyen un grupo heterogéneo de afecciones
neurodegenerativas causadas por la expansión
de una secuencia de CAG en regiones codificadoras de genes noveles 1,2.
Este grupo actualmente incluye a 10 afecciones: la Enfermedad de Huntington
(HD), la Atrofia Muscular Espinobulbar (SBMA), la Atrofia Dentado-Rubro-Pálido
Luysiana (DRPLA), y las Ataxias Espinocerebelosas (SCA) tipo 1, 2, 3, 6, 7,
12, y 17 (Tabla 1).
Enfermedad
de Huntington (HD).
La enfermedad de Huntington
es un síndrome neurodegenerativo y progresivo, típicamente asociado con pérdida
neuronal en el estriato y la corteza. Está asociada a movimientos involuntarios
de tipo coreico, además de trastornos en el control emocional y alteraciones
cognitivas; muestra un patrón de herencia autosómico dominante. Aunque la
edad de inicio media de la enfermedad es de aproximadamente unos 40 años,
varía en un amplio rango que va desde los 2 hasta los 80 años de edad, según
lo observado hasta la fecha. Aproximadamente
el 10% de las personas con la HD desarrollan síntomas antes de los 20 años
de edad, y otro 10% los manifiesta después de los 60 años 3. La
HD fue mapeada inicialmente en la región telomérica del cromosoma 4 en 1983,
y diez años más tarde fue identificado el gen causal 4, 5.
Atrofia Dentatorubral- Pálidoluysiana (DRPLA).
La Atrofia Dentatorubral- Pálidoluysiana es una enfermedad
autosómico dominante caracterizada clínicamente por mioclonus, epilepsia,
ataxia cerebelosa, coreoatetosis y demencia. Las características neuropatológicas
cardinales de esta afección son la degeneración combinada de los sistemas
dentatorubral y pálidoluysiano. Existe una clara asociación entre la edad
de inicio y las características clínicas 6. El inicio antes de
los 20 años se manifiesta como epilepsia mioclónica progresiva con demencia
o retrazo mental y ataxia. El inicio entre los 40 y 60 años muestra ataxia
cerebelosa, coreoatetosis, demencia y características psiquiátricas a menudo
indistinguibles de la enfermedad de Huntington 7. El inicio entre
los 20 y 40 años resulta en un fenotipo intermedio, con epilepsia mioclónica
no progresiva, coreoatetosis, ataxia y demencia.
Ataxias Espinocerebelosas (SCA).
Las SCA constituyen un grupo de enfermedades neurodegenerativas
progresivas que comparten las características clínicas primarias de ataxia
de la marcha, disartria, disfagia, y dismetría de las extremidades. Esto resulta
de alteraciones en el cerebelo y en sus vías aferentes y eferentes, aunque
también puede haber cambios adicionales en otras estructuras del tallo cerebral
o de la médula espinal, así como en la retina y el nervio óptico. La edad
en que aparecen los primeros síntomas varía
ampliamente entre la primera y séptima décadas, aunque como promedio ocurre
en la tercera década de la vida. Hasta el momento han sido identificadas 22
formas moleculares diferentes (SCA1,…, SCA22), y 7 de estas son causadas por
proteínas poliglutamínicas 8.
Atrofia Muscular Espinobulbar (SBMA).
La SBMA muestra un patrón de
herencia ligado al sexo, tiene un inicio tardío y se caracteriza clínicamente
por fasciculaciones periorales que usualmente incluyen a la lengua, y por
presencia de ginecomastia; las contracturas musculares o “cramps” pueden llegar
a ser prominentes 9. En 1991 fue mapeada la enfermedad en el cromosoma
Xq12, y el mismo año fue identificada una secuencia de CAG expandida en el
gen del receptor de andrógeno en pacientes enfermos 9, 10. Constituye la primera de las enfermedades poliglutamínicas
en que fuera identificada la expansión de una secuencia de CAG como mecanismo
mutacional.
Neuropatología
molecular de enfermedades poliglutamínicas. Principales descubrimientos y
mecanismos propuestos.
El proceso patogénico en afecciones neurodegenerativas
causadas por expansiones en tractos
de CAG, son mediadas por las proteínas poliglutamínicas resultantes 11.
A pesar de que las proteínas patogénicas no comparten homología estructural
fuera del dominio poliglutamínico, todas estas afecciones muestran varias
características comunes: ocurren una vez expandido el segmento de CAG por
encima de cierto valor umbral, cada una muestra un patrón de neurodegeneración específico aunque las proteínas implicadas
están ampliamente expresadas, poseen inclusiones nucleares, perinucleares o citoplasmáticas como característica patológica
unificadora, y son eminentemente neurológicas. Una clave para explicar la exclusividad neurológica
de estas enfermedades ha surgido de un trabajo publicado por Richt, et al. 12. Ellos demostraron que las inclusiones
nucleares se dispersan durante la mitosis en células en división, reduciendo
la carga de agregados nucleares. Esto sugiere que la acumulación específica
de inclusiones nucleares en células terminalmente diferenciadas, como las
neuronas, es consecuencia directa de su incapacidad para dividirse. Por otra
parte, un estudio de Yoshizawa, et al. 13
sugirió que la ataxina-3 expandida debe conferir una mayor susceptibilidad
a la muerte en células que se encuentren en la fase G(0)/G(1).
Las similitudes
identificadas entre las enfermedades poliglutamínicas permiten establecer
una hipótesis general acerca de un mecanismo neuropatológico
común, según el cual, la toxicidad neuronal puede ser una consecuencia de
la expansión poliglutamínica per se, con la selectividad
regional de degeneración conferida por las secuencias de aminoácidos adyacentes
al dominio de poliglutaminas. De hecho, ya ha sido
comprobado que la poliglutamina expandida es capaz, por sí misma, de inducir
la muerte celular 14. Las propiedades únicas de la poliglutamina
expandida podrían conducir a interacciones proteína-proteína alteradas, incluyendo
la agregación. Una hipótesis alternativa es que la poliglutamina expandida
constituye un sustrato para las transglutaminasas.
De la interacción entre ambas resultaría la unión covalente de las poliglutaminas a otras proteínas o a sí mismas 15.
Ha sido comprobado en estudios realizados con la atrofina
1, producto del gen DRPLA, que inhibidores de las transglutaminasas
como la cistamina y la monodacil
cadaverina (MDC), suprimen parcialmente la formación de agregados nucleares
y la muerte celular apoptótica, características
de estas enfermedades. Como los efectos de estos dos inhibidores de las transglutaminasas fueron parciales, se plantea que la reacción
cruzada con transglutaminasas pudiera no ser el
único mecanismo que provoque la formación de agregados en el núcleo de las
neuronas afectadas 16.
Existen evidencias de que la generación de proteínas
truncadas que contengan el dominio poliglutamínico podría ser el paso inicial
en la patogénesis de estas enfermedades. En este sentido ha sido encontrado
que las proteínas patológicas son truncadas por
caspasas, una familia de cisteín-proteasas que son activadas a medida que la célula inicia
la muerte celular programada (PCD). Sobre esta base ha sido propuesta una hipótesis que sugiere que la actividad basal
de las caspasas podría ser suficiente para generar
pequeñas cantidades del producto truncado. Si este producto truncado fuera
realmente tóxico a las neuronas, entonces la acumulación de estos fragmentos
tóxicos podría generar un mayor estrés a la célula, lo que resultaría en una
activación adicional de las caspasas y la eventual
muerte celular 11,13.
Tomando en consideración que las diferentes proteínas
solo comparten homología de secuencia en su dominio poliglutamínico, las deficiencias
que producen estas enfermedades no implicarían una pérdida de las funciones
normales de estas proteínas (que pudieran ser muy diferentes entre ellas),
sino la ganancia de una nueva función común y aberrante. Pero, ¿cuál sería
esta nueva función? Hasta el momento, solo es conocida la función normal del
receptor del andrógeno (AR) (codificada por el gen SBMA), de la ataxina 6
o subunidad
a1A formadora
de poros de los
canales de calcio dependientes de voltaje (codificada por el gen SCA6, o CACNA1A),
y de la ataxina 17 o proteína de unión a la caja TATA (TBP). El AR actúa como
factor transcripcional, al igual que la proteína
Sp1, mientras que la TBP es la subunidad de unión
a ADN del factor transcripcional D de la ARN polimerasa II 8,9,17.
Estas proteínas realizan la transactivación mediada
por el dominio poliglutamínico. Según Gerber 18,
la gran mayoría de las proteínas con un dominio poliglutamínico grande están
relacionadas con la regulación de la transcripción. Sin embargo, la localización
preferencialmente citoplasmática de la
mayoría de las proteínas involucradas en este tipo de enfermedades, con la
excepción de las ataxinas-1, –7 y -17, no concuerda
con esta hipótesis. Por otra parte, se ha observado la ocurrencia de un incremento
brusco y fugaz en la expresión del gen SCA1 en el cerebelo murino en el día decimocuarto de su desarrollo embrionario.
Esto coincide con el período de activación funcional de la corteza
cerebelosa en ratones, lo que sugiere un
rol específico para el gen SCA1 en el desarrollo del cerebelo 19.
Sin embargo, esto no es específico del cerebelo, sino que también ha sido
observado en los discos intervertebrales de la médula espinal. Además, los
ratones que carecen de ataxina-1 no muestran déficit cerebeloso. En lugar
de esto, tienen deficiencias en el aprendizaje y facilitación disminuida en
los pulsos del hipocampo, sugiriendo un rol para SCA1 en las funciones de
este último 20.
Independientemente de la función normal de estas proteínas
poliglutamínicas, su efecto patogénico parece ocurrir en el núcleo de las
neuronas implicadas e involucrar la interrupción de la función nuclear normal,
al menos en algunas de estos síndromes. En este sentido, ha sido encontrado
en experimentos de dobles híbridos en levaduras que la ataxina-1 interactúa
con la enzima glicolítica GAPDH y con la proteína ácida nuclear rica en
leucinas (LANP), muy expresada en las células de Purkinje
19. Considerando que la patología de estas células es una característica
prominente de la SCA1, LANP es particularmente intrigante como posible cofactor
patogénico, especialmente porque la interacción es mayor a medida que es más
largo el dominio de poliglutaminas. Además, ha sido
mostrado que la proteína LANP está incluida en los agregados de ataxina-1
en células transfectadas. El secuestro de LANP en
estas inclusiones nucleares debe interferir con su función fisiológica, la
cual aun permanece indefinida 19. También ha sido demostrado en
ratones transgénicos y en cerebros de pacientes
SCA1, que la ataxina-1 expandida causa la represión secuencial de 6 genes
neuronales muy abundantes en las células de Purkinje
y relacionados con la traducción de señales y la homeostasis del calcio. Esto
ocurre antes de cualquier cambio patológico o conductual detectable. El que
todos los genes cuya expresión haya sido alterada temprano en la patogénesis
fueran reprimidos sugiere que quizás esté operando un mecanismo común en los
niveles transcripcional o postranscripcional.
Lin et al. 21 sugieren que la ataxina-1
podría interactuar directamente con ciertos factores transcripcionales
o cofactores, interfiriendo específicamente con la transcripción de sus genes
diana.
Por otra parte, ha sido observado que la localización
nuclear de la ataxina-1 varía con la longitud del dominio poliglutamínico
22. La ataxina-1 normal se encuentra formando
varias estructuras nucleares de ~ 0.5mm, mientras
que la proteína expandida forma una única estructura de ~2mm, antes del comienzo
de la enfermedad. Estudios de colocalización muestran
que esta proteína causa la redistribución específica del dominio asociado
a la matriz nuclear portador de la proteína de leucemia promielocítica (PML), mientras que en preparados de matriz
nuclear se ha demostrado que la ataxina-1 se asocia a la matriz nuclear en
células de Purkinje y en células COS 22.
El examen histológico de neuronas de individuos afectados con HD o SCA3, reveló
la existencia de una única inclusión nuclear similar contenedora de huntingtina o ataxina-3 respectivamente 23, 24.
Semejantes inclusiones intranucleares, probablemente debidas al mal plegamiento
de las proteínas patológicas, han sido observadas en ratones transgénicos que expresan un fragmento de la huntingtina con un número expandido de poliglutaminas,
y en cerebros de pacientes con SCA7 25, por lo que ha sido propuesto
que la formación de agregados neuronales constituye el mecanismo neuropatológico común a todas las enfermedades poliglutamínicas.
También han sido observadas inclusiones intranucleares en cerebros de pacientes
con SCA2, pero no en el cerebelo, lo que sugiere discrepancia entre la formación
de inclusiones nucleares y la degeneración en SCA2 26. Además,
ha sido demostrado en ratones transgénicos, al menos
para la SCA1, que aunque la localización nuclear de la proteína mutada es
necesaria, la agregación nuclear de la ataxina-1 no es requerida para iniciar
la patogénesis 11. Estas evidencias han hecho pensar en un posible
rol protectivo de las inclusiones nucleares. Sin embargo, aun no se conoce
realmente si estas forman parte del mecanismo patogénico, si son neuroprotectoras, o si no son más que un efecto colateral
de la acumulación de fragmentos poliglutamínicos
que no dañan ni benefician a las células afectadas. No obstante, el descubrimiento
de estas inclusiones coloca a las enfermedades por poliglutaminas
en el ámbito de otras enfermedades neurodegenerativas que muestran agregación
proteica. Entre estas encontramos a la enfermedad de Alzheimer, las enfermedades
por priones, y la enfermedad de Parkinson. Todas
ellas representan proteinopatías, en las cuales
la acumulación crónica de proteínas agregadas conduce al daño neuronal. Recientemente
se propuso la hipótesis de que, en todas estas enfermedades, las proteínas
patológicas se agregarían formando microagregados, no visibles al microscopio óptico, que interaccionarían
de modo aberrante con otras proteínas celulares siendo así capaces de inducir
la neurodegeneración. Eventualmente, estos microagregados
podrían agregarse aún más, formando inclusiones nucleares no dañinas para
la célula 27.
Las chaperonas moleculares y las enfermedades causadas
por expansiones del trinucleótido CAG.
Las chaperonas moleculares son
proteínas celulares que promueven el plegamiento, el ensamblaje de proteínas
oligoméricas, la translocación y
secreción de polipéptidos recién sintetizados, y que participan en la eliminación
o reparación de proteínas desnaturalizadas. Existen tres familias de chaperoninas,
definidas por su identidad con las HSP (Heat Shock Protein) y llamadas según el peso molecular de la primera
forma descrita en este grupo. Cuando las células están expuestas a factores
estresantes como choques hipertérmicos, radiación,
toxinas, infecciones virales, etc., las HSP son sobreexpresadas;
aunque también son expresadas constitutivamente 28.
Las HSPs
parecen desempeñar un rol importante en la patogénesis de las enfermedades
por poliglutaminas. Cummings, et al.
29, demostraron que la sobreexpresión
de la chaperona HDJ-2/HSDJ en células HeLa disminuyó
la agregación de ataxina-1, sugiriendo que el mal plegamiento proteico podría
subyacer a la formación de agregados. Chai, et al.
30, reportaron la colocalización de Hsp70
y Hsp60 en los agregados intranucleares formados por la ataxina-3 en células
neurales COS7 y PC12 transfectadas
y en cerebros de enfermos con SCA3. Demostraron además que la expresión de
proteínas con poliglutaminas expandidas origina
una respuesta de estrés en las células manifestada por una marcada inducción
de Hsp70. En células transfectadas, la sobreexpresión de las chaperonas HDJ-1 o HDJ-2 suprimen la
agregación de la ataxina-3 mutada íntegra o truncada, y en un modelo neural PC12 de toxicidad por poliglutamina, fue demostrado
que la sobre expresión de HDJ-1 suprime la agregación con una disminución
paralela en la toxicidad. Por su parte,
Warrick et al. 31, usando un modelo de Drosophyla melanogaster
para enfermedades por poliglutaminas, demostraron
que la expresión directa de Hsp70 suprime la neurodegeneración
inducida por poliglutaminas in vivo. En este caso,
la supresión de la neurodegeneración por Hsp70 ocurrió
sin un efecto visible en la formación de inclusiones nucleares, lo que indica
que la toxicidad de las poliglutaminas puede ser
disociada de la formación de agregados. Estos resultados tienen implicaciones
terapéuticas debido a que sugiere que los esfuerzos para incrementar la actividad
chaperona pueden ser beneficiosos en esta clase de enfermedades asociadas
a conformaciones proteicas anormales y toxicidad. Sin embargo, recientemente
fue reportado por Wyttenbach et al. 32,
que la sobreexpresión de HDJ-2/HSDJ incrementó la formación de inclusiones
en células COS-7 transfectadas con parte del exón 1 del gen de la HD, lo que viene a hacer más complejo
nuestro conocimiento sobre los roles de HDJ-2/ HSDJ en el plegamiento proteico
y en la patogénesis de las enfermedades por poliglutaminas.
Papel del sistema proteolítico ubiquitín-proteasoma
en las enfermedades por expansión del trinucleótido
CAG.
El proteasoma 20S
es un complejo proteásico multicatalítico que normalmente se encuentra asociado con
varias proteínas heterogéneas que forman una o dos capuchas de 19S en los
extremos de la estructura de 20S, y que regulan su actividad proteolítica. Este complejo es llamado proteasoma 26S, y se
considera que es el responsable de la
degradación de las proteínas anormales y de corta vida en el citoplasma y
el núcleo 33. La degradación
de las proteínas por el proteasoma usualmente requiere la unión covalente
de una proteína de 8,6 kDa (ubiquitina)
al grupo amino epsilon de un residuo de lisina de
la proteína sustrato. La ubiquitinación es importante
para la degradación de varias proteínas reguladoras importantes como las ciclinas, c-fos, y p-53 34.
Ha sido demostrado que las inclusiones nucleares formadas
por proteínas con el dominio poliglutamínico expandido están poliubiquitinadas, y que secuestran componentes proteasómicos, lo que sugiere que la vía proteolítica
ubiquitín-proteasoma está involucrada en la patogénesis
de estas enfermedades. Chai, et al. 30,
a través de estudios en cerebros de enfermos con SCA3 y en modelos in vitro, demostraron la redistribución del proteasoma 26S en
las inclusiones intranucleares contenedoras de ataxina-3 mutada. Mostraron
además que inhibidores del proteasoma causaron un incremento en la formación
de agregados dependiente del tamaño del segmento
expandido. Por otra parte, Cummings, et al. 35, muestran que mientras que
las ataxinas-1 normal y expandida están igualmente
poliubiquitinadas en neuronas de enfermos con SCA1, la forma
expandida es tres veces más resistente a la degradación proteasómica. La inhibición de esta última promovió la agregación
de la ataxina-1 en células transfectadas, mientras
que en ratones transgénicos que expresaban la ataxina-1
pero no una proteína de unión a la ubiquitina, se
observó una disminución significativa de las inclusiones nucleares. Wyttenbach
et al. 32, mostraron la colocalización
del complejo proteasómico 20S y la ubiquitina en
las inclusiones nucleares formadas por la huntingtina
en células transfectadas, y al utilizar la lactasistina
como inhibidor proteasómico observaron un aumento en la proporción de células
con inclusiones.
Por otra parte, según Zhang,
et al. 36, algunos factores transcripcionales
como NFkB, p53,
receptores nucleares y sus cofactores son regulados por la degradación proteasómica, por lo que Lin, et
al. 21, sugieren que la ataxina-1 podría perturbar la actividad
proteasómica nuclear. Esto conduciría a la represión de ciertos
genes a través del incremento en la degradación de sus activadores, o de la
disminución en la degradación de sus represores, dependiendo de cómo sea modulada
la actividad proteasómica por la ataxina-1.
La acumulación
de conjugados de proteínas ubiquitinadas se ha observado
específicamente en células que exhiben una morfología apoptótica y criterios bioquímicos de apoptosis,
lo que sugiere una posible relación entre la vía ubiquitina
y el proceso apoptótico 37. Por otra
parte, la inhibición de la función proteasómica
puede activar la vía apoptótica 38, lo
que viene a realzar la importancia de este sistema proteolítico
en la patogénesis de las enfermedades causadas por proteínas poliglutamínicas.
Tabla 1. Enfermedades causadas
por proteínas poliglutamínicas.
|
Enfermedad |
Localización genómica |
Normal |
Pre- Mutación |
Mutación |
Patrón de Herencia |
|
HD |
4p16.3 |
6-34 |
- |
36-180 |
AD |
|
DRPLA |
12p13.31 |
7-25 |
- |
49-88 |
AD |
|
SBMA |
Xq11-q12 |
11-24 |
- |
40-62 |
Ligada al sexo |
|
SCA1 |
6p23 |
6-39 |
- |
39-83 |
AD |
|
SCA2 |
12q24.1 |
13-31 |
- |
32-79 |
AD |
|
SCA3 |
14q32.1 |
13-36 |
- |
55-84 |
AD |
|
SCA6 |
19p13 |
4-16 |
- |
21-30 |
AD |
|
SCA7 |
3p14-p21.1 |
4-35 |
28-35 |
34->300 |
AD |
|
SCA12 |
5q31-q33 |
<29 |
- |
66-93 |
AD |
|
SCA17 |
6p27 |
25-44 |
- |
47-55 |
AD |
CONCLUSIONES
Aún existen muchas preguntas
sin ser respondidas vinculadas a los mecanismos moleculares de la neuropatología
de las enfermedades poliglutamínicas. Estas cuestiones no son simplemente
de interés académico, dado que las respuestas podrían sugerir estrategias
terapéuticas para este grupo de enfermedades. Además, puede que otras dolencias
cuya base genética no sea actualmente bien conocida, puedan resultar ser afecciones
causadas por la expansión de secuencias repetitivas de CAG. Por ejemplo, los
genes responsables de más de un tercio de los casos con ataxia espinocerebelosa
aun no se conocen. Por tanto, este grupo de enfermedades puede aumentar en
tamaño y complejidad a medida que son elucidados los fundamentos genéticos
de dolencias adicionales.
BIBLIOGRAFÍA