El Síndrome X Frágil: captando el "Mensaje"
Paul J Hagerman, M.D., Ph.D.
Department of Biological Chemistry & The M.I.N.D. Institute
University of California, Davis, School of Medicine
One Shields Ave, Davis, CA 95616
pjhagerman@ucdavis.edu
Impreso con la autorización de la revista de la National Fragile X Foundation de EEUU
Investigaciones recientes nos han revelado algunas sorpresas sobre la relación entre la actividad del gen X frágil y la producción de proteína – la historia se ha complicado más. Pero son buenas noticias, ya que la complejidad ofrece más dianas potenciales para su tratamiento.
- El descubrimiento del gen del retraso mental del X frágil 1 (FMR1) en 1991 puso de manifiesto una nueva anormalidad genética: una gran expansión de la repetición CGG, de entre 5 a 50 repeticiones en individuos normales hasta más de 200 repeticiones en aquellos con el síndrome X frágil. En los individuos con más de 200 repeticiones (mutación completa), el gen FMR1 está normalmente desactivado (silenciado), produciendo una falta de la proteína FMR1 (FMRP). La ausencia de FMRP causa el síndrome X frágil.
Esta relación general entre la desactivación del gen y la falta de proteína, es lo que ha fundamentado el modelo más aceptado del síndrome X frágil, en el que el cuadro clínico es siempre el resultado del silenciamiento del gen FMR1. No obstante, este modelo no explica por qué algunos individuos con menos de 200 repeticiones (en los márgenes de la premutación) presentan un cuadro clínico leve y, a veces, un descenso moderado en los niveles de FMRP aunque el gen tenga plena actividad, y por qué algunos individuos entre los márgenes de la mutación completa tienen poco o nada de FMRP, a pesar de la actividad continuada del gen FMR1. Varias observaciones recientes están empezando a aportar pistas sobre este puzzle y apuntan hacia la posibilidad de dianas adicionales para el tratamiento del síndrome X frágil.
Anatomía de un gen
Para poder entender mejor la relación entre la actividad génica del FMR1 y la producción de FMRP, es importante tener una idea de cómo funcionan los genes. La mayoría de los genes se dividen en dos partes básicas: una porción de información, que especifica lo que codifica el gen, y una porción de control que le dice al gen cuándo y en qué tipo de célula se debe activar. En el caso del gen FMR1, la porción de información especifica la proteína, FMRP, y la porción de control le dice al gen qué debe activarse en las células del cerebro y en otros tipos celulares.
Los genes los podemos imaginar como archivos en un ordenador o una cassette magnética, en el que la porción de información es el contenido del archivo (p. Ej. Un documento, una imagen o una canción) y la porción de control (archivo ejecutor) le dice al ordenador cuándo y cómo debe abrirse el archivo. Una característica importante (buena) del gen FMR1 en el síndrome X frágil es que la porción de información es casi siempre perfectamente normal, así como la proteína que se produce, lo único es que no se produce proteína suficiente. Es la porción de control la que se encuentra alterada por los residuos CGG extras.
Una segunda característica importante de los genes es que no producen proteína de forma directa, más bien, producen copias o transcritos que incluyen la porción de información. Estas copias, llamadas RNA mensajero o mensaje, salen del núcleo de la célula para ser traducidos en el producto final, la proteína. Otra vez, utilizando la analogía del ordenador, el archivo se queda en el disco mientras que sus copias se envían a la memoria activa o se les hace llegar a los amigos por el correo electrónico. Si el ordenador se cuelga, todavía queda una copia protegida en el archivo del disco duro (el gen del núcleo celular). También podemos pensar en los genes como si fuesen una copia de seguridad de los planos de una casa (de los que nunca salen del despacho del arquitecto), se realizan copias de estos planos y se envían al solar de la construcción para que se "traduzcan" en una casa.
Este proceso en dos pasos, gen mensaje proteína, resulta ser de suma importancia para entender cómo las repeticiones CGG influencian la función del gen FMR1. Ambos pasos (no tan sólo el primero), parecen estar afectados en el síndrome X frágil.
¿Por qué algunos portadores de la premutación tienen afectación clínica?
Algunos individuos con expansiones de CGG en los márgenes de la premutación, tienen manifestaciones clínicas asociadas, que incluyen problemas emocionales y conductuales, orejas prominentes y articulaciones laxas, o fallo ovárico prematuro en un 15 a 20% aproximado de mujeres. Raramente, también observamos pacientes con la premutación que sufren retraso mental o autismo. O sea, que nos enfrentamos a una paradoja: el modelo estándar de silenciamiento del gen no predice la incidencia clínica en los márgenes de la premutación ya que los genes FMR1 con la expansión de CGG en niveles de premutación nunca se silencian – aunque puedan cursar con síntomas clínicos. La necesidad de resolver esta paradoja, fue una de las razones principales para que nuestro laboratorio se involucrara en la investigación sobre el X frágil.
Al principio, examinamos los niveles de FMRP de varones portadores de la premutación usando un test de tinción con anticuerpos desarrollado por Rob Willemsen en el laboratorio de Ben Oostra. Descubrimos que los niveles de FMRP descendían en los márgenes altos de la premutación (más de 100 repeticiones de CGG) lo que era consistente con el cuadro clínico. Pero el gen nunca esta silenciado en este margen, y así nos preguntamos ¿por qué los niveles de FMRP son más bajos? Esperábamos que los niveles bajos de proteína fuesen debidos a una actividad del gen moderadamente reducida, no obstante, cuando determinamos los niveles del mensaje de FMR1 (una medida de la actividad del gen), los niveles eran, de hecho, muy superiores a los normales – casi diez veces más en los márgenes altos de la mutación que en los normales. De esta forma, llegamos a un nuevo puzzle: mensaje abundante aunque poca proteína.
A continuación, hicimos estas mediciones extensivas a la mutación completa, donde la situación pasó a ser todavía más interesante. No fue sorprendente encontrar que los varones en este margen no tenían, o tenían muy poca, proteína porque su gen FMR1 estaba realmente silenciado (no hay mensaje, entonces, no hay proteína). Pero habían dos excepciones importantes. La primera, un grupo de varones de alto-funcionamiento o "high-functioning" en los que el gen FMR1 se mantenía activo porque no había sido "etiquetado" químicamente para su silenciamiento. Este proceso de etiquetaje, normalmente, incluye la adición de grupos metilo a la región controladora del gen. En ausencia de estos grupos metilo, el gen FMR1 de estos individuos continúa con una producción de menaje superior a la normal, a pesar de los niveles reducidos de proteína.
La presencia de algo de proteína, probablemente, explique el menor grado de severidad de sus manifestaciones clínicas. El segundo grupo, tenía genes FMR1 con un alto nivel de metilación, aunque mantenían por lo menos actividad parcial. Sus niveles de proteína fueron, a pesar de lo dicho, muy bajos o indetectables. Así que según lo dicho, planteamos todavía otro puzzle: ¿Por qué algunos genes FMR1 altamente metilados mantienen su actividad y otros se silencian?
Captando el mensaje
La pista en el primer puzzle nos llegó en forma de una observación temprana, aislada, en 1995 realizada por Yue Feng, que entonces trabajaba en el laboratorio de Steven Warren. Ella observó que para los genes FMR1 en el margen de la mutación completa, la traducción (el segundo paso en la ruta gen mensaje proteína) estaba parcialmente bloqueada. Nuestros datos más recientes, indican que la traducción está afectada, incluso, en los márgenes de la premutación. Creemos que los niveles de proteína están sólo marginalmente reducidos en los márgenes altos de la premutación porque los niveles de mensaje están muy elevados. Para muchos individuos en los márgenes de mutación completa, el gen continúa produciendo, por lo menos, un poco de mensaje, a pesar de los niveles reducidos de proteína.
En otros individuos en quienes el gen FMR1 está realmente silenciado, la búsqueda se encamina hacia la reactivación del gen. El hecho que algunos individuos con alta metilación del gen produzcan mensaje mientras que otros no, sugiere que las pistas de la reactivación pueden estar en los patrones precisos de la metilación, o en cómo las células de individuos diferentes responden a la metilación. La interpretación con éxito de estas pistas sobre el proceso de silenciamiento pueden aportarnos más dianas terapéuticas, por ello podemos decir que la complejidad es buena.
Un IRES en el mensaje
No sabemos por qué los niveles de proteína (FMRP) descienden cuando las repeticiones CGG se expanden por encima de la premutación alta o ya en los márgenes de la mutación completa, a pesar de que los niveles de mensaje sean más altos de lo normal. Sin duda, la propia repetición CGG debe estar jugando un papel, pero ¿cuál es su papel? Para poder entender lo que la repetición CGG pudiera estar haciendo, ayuda el visualizarlo como si fuese una cinta magnética de un vídeo. Estas cintas, normalmente, tienen tres partes. El inicio y el final (ambas suelen ser transparentes) y la parte de en medio (normalmente de color marrón) que contiene la información de la película. Si hiciésemos un nudo en la cinta transparente del inicio, el reproductor no podría escanear la cinta pasado ese nudo, y no llegaría a reproducir la película. La repetición CGG está en la parte del inicio del mensaje, y sospechamos que cuando éste es demasiado largo, impide que la célula lea el mensaje y pueda traducirlo a proteína.
Cuando empezamos a investigar esta posibilidad, descubrimos otro elemento en la secuencia de inicio del mensaje que tenía otra función muy diferente, que de hecho puede estimular la traducción del mensaje en circunstancias muy especiales. Este elemento se denomina IRES (del inglés, Sitio Interno de Entrada del Ribosoma). Estos sitios se describieron en 1988 en el poliovirus. Cuando un poliovirus infecta una célula, le bloquea su capacidad de traducir los mensajes celulares, que, normalmente, empiezan al inicio del mensaje. El poliovirus tiene una señal especial, un IRES, que permite que sus mensajes si puedan ser traducidos, ¡aventajando al polio!
Desde el descubrimiento inicial del IRES del poliovirus, se han descrito, por lo menos, 30 mensajes celulares que contienen IRES. Estos mensajes se transcriben generalmente a partir de genes importantes de regulación, o de genes que están involucrados en el desarrollo y la diferenciación celular. Podríamos decir que quizás la célula ha aprendido el truco del poliovirus, o igual sea al revés, que el poliovirus lo haya aprendido de la célula. Pero, ¿por qué tendrá un IRES el mensaje del gen FMR1?
Una pista sobre la función del IRES del FMR1 nos la dio una reciente observación de Pinksaff y colaboradores, al describir otros cinco mensajes dirigidos hacia las dendritas (las estructuras en forma de ramificaciones que interconectan a las neuronas del cerebro) y todos ellos contenían IRES. La idea es que los IRES podrían permitir que sus mensajes sean traducidos a proteína como respuesta directa a la señalización entre neuronas. El IRES del FMR1 podría jugar un papel similar, una posibilidad que estamos, actualmente, investigando.
¿Y entonces?
¿Por qué es importante que el mensaje esté elevado en algunos individuos, y que entendamos el porqué de esta elevación? ¿Por qué es importante conocer cómo las repeticiones CGG expandidas bloquean la producción de FMRP? ¿Por qué es importante que algunos individuos con genes metilados continúan produciendo mensaje? ¿Porqué nos importa que exista un IRES en le mensaje? Estas observaciones son importantes porque todas apuntan a posibles dianas de intervención terapéutica. Si podemos entender cuáles son las señales intracelulares que aumentan la producción de mensaje, si entendemos cómo la expansión de repeticiones CGG bloquean la producción de FMRP, entonces podremos diseñar la forma de evitar ese bloqueo. Si entendemos por qué algunos individuos cuyos genes están metilados siguen produciendo proteína y otros no, podremos abordar los factores que difieren entre estos dos grupos e intentar convertir a los no-productores en productores de proteína.
Para finalizar, si entendemos el papel que están jugando los IRES podremos abordar también estos elementos, quizás con el objetivo de aumentar la FMRP que se produce en respuesta a la señalización entre neuronas.
El mensaje es una clave importante para entender el síndrome X frágil y como tratarlo. El mensaje es esperanza.
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Quiero agradecer a todas las familias que me han guiado en la investigación del síndrome X frágil, quienes me han seguido animando y apoyando en nuestras investigaciones.
Otras lecturas
Elevated FMR1 message/lowered FMRP in premutation
Tassone F, Hagerman RJ, Loesch DZ, Lachiewicz A, Taylor AK, Hagerman PJ (2000a) Fragile X males with unmethylated, full mutation trinucleotide repeat expansions have elevated levels of FMR1 messenger RNA. Am J Med Genet 94:232-236.
Tassone F, Hagerman RJ, Taylor AK, Gane LW, Godfrey TE, Hagerman PJ (2000b) Elevated levels of FMR1 mRNA in carrier males: a new mechanism of involvement in the fragile-X syndrome. Am J Hum Genet 66:6-15.
Lowered FMRP in full mutation range
Feng Y, Zhang F, Lokey LK, Chastain JL, Lakkis L, Eberhart D, Warren ST (1995) Translational suppression by trinucleotide repeat expansion at FMR1. Science 268, 731-734.
The FMR1 IRES
Chiang, PW, Carpenter, L, and Hagerman, PJ (2001) The 5′ Untranslated Region of the FMR1 Message Facilitates Translation by Internal Ribosome Entry. J Biol Chem. 276:37916-37921.
IRESes in other neuronal genes
Pinkstaff JK, Chappell SA, Mauro VP, Edelman GM, Krushel LA (2001) Internal initiation of translation of five dendritically localized neuronal mRNAs.
Proc Natl Acad Sci U S A. 98, 2770-2775.