Genética 201

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Genética 201

Para comprender los fundamentos básicos de la genética del Síndrome de Angelman (SA), comienza aquí

El Síndrome de Angelman (SA) es causado por la falta de función de un gen específico, llamado UBE3A. Para entender esto, primero tenemos que comprender la estructura y función básicas de los cromosomas, los genes y las proteínas. 

En general, los seres humanos tienen 46 cromosomas, que se presentan en 23 pares. Estos cromosomas están dentro de la mayoría de las células de su cuerpo, excepto en el óvulo o el espermatozoide, que sólo llevan una copia, no un par, y por lo tanto cada uno tiene 23 cromosomas. Heredamos una copia de cada cromosoma del óvulo (copia materna) y una copia del espermatozoide (copia paterna). Los cromosomas están formados por una cadena de ADN, que a su vez se clasifica en grupos separados o genes, los cuales trabajan cada uno de forma independiente para producir proteínas, que constituyen la maquinaria que hace que todas las células de nuestro cuerpo funcionen correctamente. (Vea el gráfico a continuación).

La cadena de ADN dentro de cada gen crea un manual de instrucciones compuesto por una larga serie de 4 letras o pares de bases, A (adenina), C (citosina), G (guanina) y T (timina), todas ellas en un orden diferente según el gen específico. Esto crea -o codifica- una historia, que son los bloques de construcción específicos de las proteínas, llamados aminoácidos. Por lo general, este manual de instrucciones debe leerse con precisión, sin errores tipográficos, faltas de ortografía, deleciones o  duplicaciones de letras  para que el producto final, una proteína, se comprenda correctamente.

Esto se consigue mediante varios pasos. Uno de ellos es que el ADN, que forma cada gen, codifica un mensaje que es más fácilmente comprendido por la célula, llamado ARN mensajero (ARNm). A continuación, este mensaje se transporta a las fábricas de proteínas que codifican la proteína que cada célula necesita para funcionar correctamente. El gen afectado en el SA, conocido como UBE3A, contiene aproximadamente 2700 pares de bases de ADN, que codifican una proteína que contiene aproximadamente 875 aminoácidos.  

Este es un cariotipo, o mapa, de los cromosomas humanos.

En este cariotipo, se puede ver cada par de cromosomas emparejados de mayor (cromosoma 1) a menor (cromosoma 22), y luego los 2 cromosomas sexuales, en este caso en un varón (XY) o en una mujer serían (XX). Dentro de un par de cromosomas, tendrás dos copias de un gen que se diferencian entre sí en pequeños aspectos porque una proviene del lado materno y la otra del lado paterno, que no son idénticas. Estas diferencias se denominan variantes genéticas o “alelos”, a los que también nos referimos como “alelo materno” y “alelo paterno”. La mayoría de las veces estas diferencias no alteran la función de las proteínas. Simplemente nos hacen a todos individuos únicos.

Cada cromosoma contiene una cadena diferente de ADN, que está dividida en diferentes genes. Hay más de 20.000 genes en el genoma, lo que significa que si contamos las copias maternas y paternas, hay más de 40.000 genes, ¡muchos de los cuales están duplicados! Vamos a centrarnos en un único gen, que reside en el cromosoma 15, llamado gen UBE3A, que es el gen causante del SA.

El síndrome de Angelman fue descrito por primera vez en 1965 por el Dr. Harry Angelman, basándose en las características comunes de las personas que veía en su práctica clínica. No fue hasta 1987 que se reconoció que esta condición se debía a un defecto en el cromosoma 15. En 1997, se identificó al gen UBE3A como el gen causante del SA, lo que posibilitó el desarrollo de terapias precisas.

En general, el Gen UBE3A está presente en cada copia del cromosoma 15 en el par, tanto en el alelo materno como en el alelo paterno. La gran mayoría de las células del cuerpo producen la proteína UBE3A utilizando las instrucciones de este gen, proporcionadas por ambos alelos. Sin embargo, en las neuronas, esto es diferente. Resulta que en las neuronas, las células del cerebro y la médula espinal, la instrucción para leer UBE3A está silenciada en el alelo paterno y está activa en el alelo materno. Este es un fenómeno único llamado “impronta”, que es una forma de regulación genética mediante el silenciamiento de una copia parental. Este es típicamente el caso en todos los humanos, donde, en las neuronas, se expresa la copia materna de UBE3A pero se silencia la copia paterna de UBE3A, y por lo tanto, solo la copia materna produce la proteína UBE3A necesaria. Todas las demás células del cuerpo tienen ambas copias produciendo esta proteína.
Este mecanismo de silenciamiento se produce debido a la presencia de una cadena de ácidos nucleicos que es el ARN, producida a partir del ADN, del cromosoma paterno. Esta cadena se conoce como “transcrito antisentido” (ATS, por sus siglas en inglés) o UBE3A-ATS. (Ver figura a continuación: Modificado de N. Khatri et al. Front. Mol. Neurosci. 2019). A veces, también la denomina cadena larga de ARN no codificante (Inc-RNA, por sus siglas en inglés). El término “antisentido” se utiliza porque las instrucciones para el UBE3A-ATS se producen a partir de instrucciones de ADN que se leen en la dirección opuesta a las que producirían UBE3A.

Puedes observar que la copia paterna del gen está silenciada por un STOP causado por el UBE3A-ATS, mientras que, al mismo tiempo, en el SA, la copia materna del gen UBE3A generalmente no funciona, o falta.

La producción del UBE3A-ATS impide la lectura del gen UBE3A paterno en el alelo paterno, dejando solo la copia materna activa. Cómo exactamente la producción del UBE3A-ATS bloquea esta lectura del gen UBE3A paterno aún se está estudiando, pero sabemos que podemos manipularloPor lo tanto, si hay un problema con el gen UBE3A en el alelo materno, entonces las neuronas no tienen la capacidad de producir la proteína UBE3A desde ninguna de las dos copias, haciendo que las neuronas sean esencialmente deficientes. Esta deficiencia en la expresión del gen UBE3A materno resulta en la condición del SA.

La producción del UBE3A-ATS impide la lectura del gen UBE3A paterno en el alelo paterno, dejando solo la copia materna activa. Cómo exactamente la producción del UBE3A-ATS bloquea esta lectura del gen UBE3A paterno aún se está estudiando, pero sabemos que podemos manipularloPor lo tanto, si hay un problema con el gen UBE3A en el alelo materno, entonces las neuronas no tienen la capacidad de producir la proteína UBE3A desde ninguna de las dos copias, haciendo que las neuronas sean esencialmente deficientes. Esta deficiencia en la expresión del gen UBE3A materno resulta en la condición del SA.

Existen 5 formas principales en las que la genética puede causar la deficiencia materna de UBE3A, que se muestra en este esquema.

Esta ilustración representa un esquema del cromosoma 15 y los distintos mecanismos, o genotipos, que pueden dar lugar al SA. El alelo “M” o “Materno” representa el cromosoma heredado del óvulo, mientras que el “P” o “Paterno” representa el heredado del espermatozoide. La línea naranja es la región que codifica el gen UBE3A. El primer ejemplo, muestra un par típico con el gen UBE3A paterno silenciado, mientras que la copia de la madre está activa y el gen UBE3A se expresa, haciendo que las instrucciones genéticas en las neuronas sean las adecuadas.

Los ejemplos restantes ilustran los mecanismos conocidos que causa el SA, al hacer que la información genética materna sea inaccesible para las células del cerebro. Por ejemplo, en las deleciones, el gen UBE3A falta por completo, en las mutaciones de UBE3A el gen UBE3A está “mal escrito”, lo que hace que esta copia de UBE3A no sea funcional, y en UPD e ICD se produce un doble silenciamiento de ambos alelos. 

Por último, en raras ocasiones, algunas personas tienen un genotipo mosaico donde algunas células expresan la proteína UBE3A materna y otras no. Además, hay personas que presentan todas o la mayoría de los síntomas del SA, pero todas las pruebas genéticas realizadas resultan normales. 

En muchos de estos casos, es probable que aún no dispongamos de la tecnología y la experiencia necesarias para saber qué tipo de Síndrome de Angelman tienen, ya que es muy raro,  o las pruebas están desactualizadas y nuevas pruebas con secuenciación completa del genoma proporcionarían una respuesta más clara. Esto podría ayudar a estas familias a comprender qué está causando los síntomas en sus seres queridos

Los diferentes “tipos” genéticos que causan el SA se denominan “genotipos” y tenemos 5 genotipos principales.

  • Deleción: La forma más común de que esto ocurra (~65-75%) es cuando todo el gen se elimina, se borra, aleatoriamente (deleción+SA) y no se puede producir ninguna proteína. Es importante señalar que a la mayoría de las personas con deleción les falta aproximadamente 5-6 millones de pares de bases de ADN, lo que resulta en la deleción no sólo de UBE3A, sino de ~10 genes adicionales que rodean al gen UBE3A.
  • Mutación: consiste en un “error de ortografía” en una sola letra de la secuencia de 2700 pares de bases de UBE3A (~10-15%). Como consecuencia, la transcripción del gen hacia el ARNm se detiene abruptamente. En otras palabras, la información genética que se estaba copiando para la síntesis de proteínas se interrumpe debido a la mutación, impidiendo la producción normal de la proteína asociada al gen.
  • UPD: La tercera forma más común se llama disomía uniparental (UPD; ~3-5%). En lugar de haber 1 alelo materno y 1 alelo  paterno en las células del cuerpo, en realidad hay 2 alelos paternos, lo que resulta en un “doble silenciamiento” en las neuronas y en la falta de expresión de ambos genes UBE3A.
  • ICD: La cuarta forma más común se denomina defecto del centro de impronta (ICD; ~3-4%). Se debe a un defecto en el centro de impronta materno, que no debería estar silenciado, pero se silencia por error, como el alelo paterno. Como consecuencia no se expresa UBE3A en las neuronas.
  • Mosaico: La quinta forma, que es la menos común, se llama mosaicismo (~1%), donde el error no ocurre antes de la fertilización, como ocurre en la mayoría de los otros genotipos, sino que ocurre después de la fertilización durante la embriogénesis. Por lo tanto, la pérdida de la expresión materna de UBE3A, a menudo a partir de un fenómeno de tipo ICD, ocurre solo en cierta proporción de células un poco más tarde en el desarrollo. Esto ocurre generalmente en la mayoría de las células, pero no en todas. Algunas neuronas (estimadas en un 1-40%) del cerebro tienen una expresión materna normal de UBE3A y otras no expresan UBE3A en absoluto.

Para obtener información sobre las pruebas para detectarlos, consulta aquí.

La mayoría de los casos de SA son el resultado de eventos aleatorios que ocurren durante el desarrollo del óvulo en el ovario en desarrollo y no son el resultado de algo que la madre hizo durante el embarazo del niño con SA. Este evento sucedió antes de quedar embarazada, de hecho, ocurrió antes de que la madre naciera. En el caso de UPD, el óvulo fecundado puede reconocer que solo tiene un cromosoma 15 y no un par. Esto sería fatal para el embrión, así que el óvulo copia el cromosoma 15 presente para formar un par e intentar reparar el defecto. Si el cromosoma copiado es el cromosoma paterno, resulta en SA porque ninguno de los cromosomas transcribirá UBE3A, ya que ambos alelos se reconocen como paternos. Nuevamente, esto no ocurre debido a algo que la madre hizo o experimentó durante el embarazo, sino que ocurrió en el momento de la fertilización en la etapa de una sola célula.

Entonces, en general, independientemente de la genética que subyace al SA, todas las personas que viven con el síndrome de Angelman tienen en común que carecen de la expresión de la proteína UBE3A en las neuronas, comúnmente debido a un evento aleatorio. Independientemente de la causa subyacente, la pérdida de la expresión neuronal de UBE3A resulta en una gran variedad de síntomas porque la proteína UBE3A es increíblemente importante en la función neurológica. A pesar del genotipo específico o del tipo de síndrome de Angelman, los síntomas son relativamente consistentes en todos ellos.

La proteína UBE3A tiene múltiples funciones, muchas de las cuales aún no se comprenden completamente. Puedes pensar en las proteínas como “máquinas” que tienen un trabajo específico que hacer.

La función principal de la proteína UBE3A es participar de un proceso denominado ubiquitinación. UBE3A actúa en conjunto con otras proteínas para mantener el equilibrio tanto dentro como fuera de la neurona. Esto se debe a su capacidad para “etiquetar” otras proteínas en la célula, para que sean eliminadas para su degradación y reciclaje o para ser protegidas y mantenerse por un poco más de tiempo.La etiqueta en sí es una pequeña proteína llamada ubiquitina (llamada así por su abundancia en las células). Dado que UBE3A agrega, o liga, ubiquitina a las proteínas, la máquina UBE3A se denomina enzima ligasa de ubiquitina. Por lo tanto, en las neuronas que carecen de UBE3A, distintas proteínas pueden acumularse a niveles altos o volverse inestables a niveles bajos, ambos casos tienen un efecto negativo en la función y coordinación neuronal, lo que resulta en un exceso de excitación y una cantidad limitada de inhibición, o calma. A menudo nos referimos a esta calma como “inhibición tónica”, y es algo que nuestros cerebros necesitan para coordinar el movimiento, la actividad cerebral, el sueño y la mayoría de las demás funciones. La inhibición tónica se ve afectada en el síndrome de Angelman.

La proteína UBE3A también tiene otras funciones que conocemos. Añadir ubiquitina a una proteína también puede regular su funcionamiento, en lugar de dirigirla para su reciclaje. Entonces, UBE3A puede etiquetar otras proteínas y hacerlas potencialmente más o menos efectivas en sus funciones, dependiendo de las necesidades de la célula.También sabemos que la UBE3A puede trabajar con otras proteínas para controlar la expresión de otros genes en otros cromosomas, independiente de su trabajo con la ubiquitina. En última instancia, comprender las funciones críticas de UBE3A nos ayudará a entender por qué las neuronas funcionan mal en ausencia de UBE3A, que es la causa última del SA. Científicos y médicos están trabajando para correlacionar la función de la proteína con los síntomas del SA.

Todos sabemos que UBE3A es vital para el desarrollo del cerebro y el control del habla, el movimiento y el aprendizaje. El gran impacto que tiene UBE3A en las neuronas, así como en conexión entre neuronas (sinapsis), explica por qué las personas que viven con Síndrome de Angelman tienen dificultades para coordinar sus músculos, controlar el habla, la coordinación de la marcha y la concentración prolongada. Las neuronas son hiperactivas, lo que dificulta el sueño y predispone a nuestros seres queridos a sufrir convulsiones. 

Al comprender la genética y la fisiología del síndrome de Angelman, es más fácil entender cuán importantes pueden ser las diversas estrategias para desarrollar terapias que tengan el potencial de ser profundamente beneficiosas para quienes viven con el síndrome de Angelman. Para hacerlo, hemos dividido esto en tres pilares terapéuticos principales.

  • Pilar 1: Sustituir el gen o la proteína materna UBE3A ausente en las neuronas o alrededor de ellas: esto puede hacerse mediante terapia de reemplazo genético  (por ejemplo, AAV-GT, HSC-GT) o terapia de reemplazo enzimático (ERT).
  • Pilar 2: Des silenciar la copia paterna de UBE3A. Esto se puede hacer a través de varios mecanismos diferentes, todos con el mismo objetivo (por ejemplo, ASO, CRISPR, factores de transcripción artificiales, shRNA/miRNA; por sus siglas en inglés). 
  • Pilar 3: Mejorar los síntomas del Síndrome de Angelman actuando sobre los efectos secundarios de la pérdida de UBE3A, como la mejora de la coordinación y la comunicación entre neuronas en la sinapsis.