Reducir la actividad de los genes de reparación de errores de emparejamiento ralentiza el crecimiento de la repetición de Huntington en neuronas humanas

Los científicos utilizaron células de una persona con enfermedad de Huntington (EH) para probar si la reducción de los niveles de genes de reparación del ADN puede ralentizar el crecimiento de la nefasta repetición de CAG. En estas células humanas cultivadas en el laboratorio, la repetición creció más lentamente, lo que sugiere una posible estrategia terapéutica para retrasar el inicio y la progresión de la enfermedad, aunque este trabajo aún se encuentra en una etapa temprana.

Por qué las repeticiones de CAG en expansión son importantes en la EH

La EH es causada por un tramo anormalmente largo de tres letras de ADN, CAG, en el gen de la huntingtina, a menudo abreviado como HTT. Generalmente, el aumento de la longitud de la repetición de CAG expandida se asocia con personas que muestran síntomas de EH antes y una progresión más rápida de la enfermedad.

Ahora sabemos que para las personas con EH, la longitud de CAG que una persona heredó no es fija para toda la vida. En algunas células, especialmente en una región del cerebro situada aproximadamente en el centro de la cabeza, llamada estriado, la repetición de CAG puede alargarse lentamente a lo largo de muchos años. Este proceso se denomina expansión somática: expansión de la repetición de CAG en células “somáticas” o células del cuerpo.

La evidencia de tejido cerebral humano y animales que modelan la EH sugiere que este crecimiento adicional (expansión somática) es un factor significativo de la vulnerabilidad de estas neuronas y un factor importante en la progresión de la enfermedad.

Reparación del ADN: un factor clave de la expansión de CAG

Nuestro ADN se daña constantemente por factores como la exposición a los rayos UV del sol, los contaminantes ambientales y el estrés dentro de nuestras células. Pero las células trabajan siempre para reparar este daño en su ADN. Un sistema crítico responsable de mantener la integridad del material genético se llama Reparación de Errores de Emparejamiento (MMR). Actúa como un corrector molecular, localizando y corrigiendo pequeños errores para mantener la integridad genética.

Sin embargo, la secuencia de CAG altamente repetitiva en el gen HTT es estructuralmente inestable y puede formar formas inusuales, como bucles de ADN. Cuando los componentes del sistema MMR encuentran estas estructuras extrañas, se cree que el proceso de reparación interpreta erróneamente el código de letras del ADN, como si el sistema de corrección aceptara errores tipográficos.

Estos errores de corrección del sistema MMR pueden llevar a la incorporación de repeticiones adicionales. En este contexto, el sistema MMR, que normalmente protege el código genético, se convierte inadvertidamente en un mecanismo principal que impulsa la expansión dañina de la repetición de CAG.

Este papel destructivo del MMR en la contribución a la EH está fuertemente respaldado por investigaciones de larga data. Grandes estudios genéticos, conocidos como Estudios de Asociación del Genoma Completo (GWAS), en personas con EH confirmaron este vínculo al identificar diferencias genéticas naturales (variantes) en varios genes asociados al MMR que modifican la edad a la que comienzan los síntomas.

Estos hallazgos establecieron estrategias terapéuticas convincentes. Si podemos reducir de forma segura la actividad o los niveles de genes MMR específicos, podríamos ralentizar eficazmente este proceso de expansión en su origen.

Estudio de la reparación de errores de emparejamiento en neuronas humanas con EH

La mayoría de las investigaciones anteriores sobre la reparación de errores de emparejamiento y la expansión de CAG utilizaron ratones que modelan la EH o células animales cultivadas en una placa. En un estudio reciente dirigido por la Dra. Sarah Tabrizi del University College London, los investigadores utilizaron un sistema más directamente relevante para los humanos.

Comenzaron con células de la piel donadas por una niña de siete años con EH de inicio juvenil, que portaba una expansión muy grande de más de 125 repeticiones CAG en el gen HTT. Los científicos añadieron moléculas que indujeron a las células de la piel a convertirse en células madre, las cuales son capaces de autorrenovarse y pueden dirigirse para convertirse en varios tipos de células, incluidas las cerebrales.

Utilizando protocolos que añaden diferentes sustancias químicas en distintos momentos, el equipo convirtió las células madre de EH en células cerebrales enriquecidas con neuronas espinosas medianas (MSN) que se encuentran en el estriado, una región cerebral central muy afectada por la EH. Las MSN son células cerebrales específicas que se sabe que son particularmente vulnerables a la degeneración en la EH. Los investigadores midieron consistentemente la longitud de la repetición de CAG tanto en las células madre en división como en estos cultivos de células cerebrales para monitorear cómo cambiaba la longitud de la repetición con el tiempo.

Uso de un interruptor molecular de atenuación

Para probar el papel de la reparación de errores de emparejamiento, utilizaron una potente herramienta genética llamada interferencia CRISPR (CRISPRi). CRISPRi actúa como un sistema molecular para reducir con precisión la actividad génica en genes individuales a la vez. Este sistema es distinto de la edición genética estándar porque no corta el ADN. En cambio, utiliza una molécula que se puede considerar como unas tijeras moleculares, llamada Cas9, que se une a nivel molecular a un interruptor de atenuación que reduce eficazmente los niveles de una proteína objetivo.

El equipo utilizó CRISPRi para reducir la actividad de los genes de reparación de errores de emparejamiento que se identificaron en los estudios genéticos humanos (GWAS). También se dirigieron a los socios de esos genes MMR. Los genes objetivo incluyeron componentes de las familias de complejos multiproteicos, la familia MutS (MSH2, MSH3, MSH6) y la familia MutL (MLH1, PMS1, PMS2, MLH3), junto con la enzima ADN ligasa 1 (LIG1).

El objetivo del estudio era reducir su actividad a niveles factibles de lograr con fármacos terapéuticos, en lugar de eliminar los genes por completo. Este enfoque les permitió imitar de manera más realista lo que podría desarrollarse como tratamiento o imitar aquellas variantes que se encuentran de forma natural en personas con EH que tuvieron un inicio de síntomas más tardío.

A continuación, los investigadores comprobaron que sus experimentos habían tenido éxito, por lo que realizaron otro experimento llamado “ensayo de deficiencia de MMR”. Esto les permitió confirmar que realmente estaban reduciendo la actividad de los genes objetivo de MMR. Para ello, trataron las células con una sustancia química que imita el daño del ADN. En las células que tienen un sistema MMR completamente funcional, esta sustancia química suele desencadenar la muerte celular. Pero si la función de MMR está comprometida, las células pueden sobrevivir.

El experimento confirmó que el sistema MMR en las células modificadas estaba debilitado, mostrando una mayor supervivencia celular en comparación con los controles. Es importante destacar que la función reducida no fue total, lo que se alinea con el objetivo de una reducción parcial y proporciona a los investigadores un sistema en el que pueden atenuar molecularmente los niveles de estos genes para reducirlos en lugar de apagarlos.

El impacto de atenuar los genes MMR en las expansiones de CAG

Finalmente, observaron la tasa a la que se expandía la repetición de CAG tanto en las células madre en división como en las neuronas estriatales especializadas, comparando las tasas de expansión con y sin la actividad reducida de los genes de reparación de errores de emparejamiento.

En las células madre de EH, la repetición de CAG normalmente se alargaba con el tiempo, lo cual era esperado. Pero cuando se redujo la actividad de varios genes de reparación de errores de emparejamiento con CRISPRi, este crecimiento se ralentizó, ¡lo que sugiere que la teoría del equipo era correcta! Los efectos de ralentización más fuertes se observaron cuando el equipo redujo los principales componentes de MutS (MSH2 y MSH3) y el componente central de MutL (MLH1). La reducción de estos genes disminuyó la tasa de expansión en las células madre en división entre un 60% y un 65%, mientras que otros factores de MutL (PMS1, PMS2 y MLH3) redujeron la tasa entre un 25% y un 35%.

Lo más importante es que se observaron patrones similares en los cultivos de células cerebrales obtenidos de las mismas células madre de EH. Los investigadores se centraron estratégicamente en los factores MutL (PMS1, PMS2 y MLH3) en las neuronas, ya que experimentos anteriores con células madre descartaron MSH6 y LIG1, y MSH2 planteaba posibles problemas de seguridad debido al riesgo de cáncer. Tampoco profundizaron en MSH3, ya que se está investigando activamente como objetivo terapéutico en otros lugares.

En las neuronas, con MLH1 atenuado, esta expansión se ralentizó un 69%, y la focalización en PMS1, PMS2 o MLH3 también ralentizó la expansión en más de un 20% en comparación con las células de control. Esto demuestra que la reparación de errores de emparejamiento sigue siendo un factor clave de la expansión somática en las neuronas humanas con EH, no solo en las células madre en división o en ratones. Además, muestra que al ajustar los niveles de estos genes MMR específicos, los investigadores pueden ralentizar significativamente la expansión somática. ¡Una perspectiva muy emocionante!

Lo que encontró el estudio y lo que no muestra

En términos sencillos, el mensaje central de esta investigación es: en neuronas humanas cultivadas en una placa que fueron creadas a partir de alguien con EH, reducir la actividad de los genes de reparación de errores de emparejamiento parece ser suficiente para ralentizar el crecimiento de la dañina repetición de CAG.

Este trabajo es alentador para la idea de las terapias “anti-expansión”. Al mismo tiempo, es importante dejar claro lo que este estudio no muestra. Todo el trabajo se realizó en células en placas, no en cerebros vivos. Solo se utilizó una línea de células madre de EH de inicio juvenil, con una repetición muy larga.

El estudio midió la longitud de la repetición de CAG y su distribución. No probó la supervivencia neuronal, el comportamiento o la función cerebral. Tampoco abordó la seguridad a largo plazo. Los genes de reparación de errores de emparejamiento ayudan a proteger todos los tejidos del cáncer, y cambiar su actividad en las personas conlleva riesgos de causar cáncer, especialmente porque la pérdida de genes como MSH2 y MLH1 se asocia con un riesgo significativamente mayor de cánceres del sistema nervioso, y PMS2 también conlleva cierto riesgo.

Lo que sí proporciona el trabajo es una lista más realista de genes de reparación de errores de emparejamiento que parecen prometedores en un contexto de EH humana, destacando a los miembros de la familia MutL, particularmente PMS1, como posibles objetivos. Apoya la idea de que reducir cuidadosamente la actividad de genes de reparación de errores de emparejamiento seleccionados, probablemente en un grado moderado y posiblemente en combinación, podría ser una forma valiosa de ralentizar la expansión de CAG. Esta información podría ayudar a guiar el diseño y la priorización de futuras terapias que no solo busquen tratar los síntomas, sino también cambiar el ritmo de la enfermedad de Huntington en sí.

Resumen

• La reparación de errores de emparejamiento impulsa la expansión de CAG en neuronas humanas: Utilizando células cerebrales creadas a partir de una persona con EH que se cultivaron en una placa de laboratorio, los investigadores confirmaron que el sistema de reparación de errores de emparejamiento impulsa el crecimiento de la repetición de CAG en neuronas humanas, no solo en ratones o células en división.
• La reducción de la actividad de los genes de reparación ralentizó la expansión: Al reducir parcialmente la actividad de genes específicos de reparación de errores de emparejamiento, el equipo ralentizó el crecimiento de la repetición de CAG hasta en un 69% en las neuronas, con miembros de la familia MutL, particularmente PMS1, emergiendo como posibles objetivos terapéuticos.
• Los hallazgos genéticos ahora cuentan con apoyo experimental en células humanas: Grandes estudios genéticos señalaron previamente a los genes de reparación de errores de emparejamiento como modificadores del inicio de la EH. Este estudio confirma su papel en neuronas humanas cultivadas en una placa de laboratorio y ayuda a priorizar qué genes deben ser el objetivo. El trabajo se realizó en una sola línea celular en una placa, pero es un paso importante hacia terapias que buscan ralentizar la expansión de CAG.