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El daño en el ADN está vinculado a la muerte neuronal en SCA7

Escrito por Dr. Hannah K Shorrock
Editado por Dr. Celeste Suart
Traducid por Ismael Araujo Aliaga

La acumulación de daño en el ADN sin ser reparado provocaría una cascada de efectos negativos en SCA7, resultando en la desaparición y muerte a nivel neuronal.

¿Por qué las neuronas en el cerebelo se degeneran en la ataxia espinocerebelosa tipo 7? Si los científicos pudieran encontrar la respuesta a esta pregunta e identificar las vías celulares responsables de la muerte neuronal, podrían desarrollar estrategias de tratamiento específicas para restaurar dichas vías. Incluso, potencialmente, podrían evitar el malfuncionamiento de aquellas vías en primer lugar. Ésta era la pregunta que Switonski y sus colegas del laboratorio de La Spada querían resolver: ¿cómo y por qué se produce la degeneración neuronal en SCA7? La respuesta es, al menos hasta cierto punto, el daño en el ADN.

La ataxia espinocerebelosa tipo 7, o SCA7, es causada por una expansión de repeticiones CAG en el gen ATXN7, el cual codifica la proteína ataxina-7. En SCA7, la expansión de repeticiones CAG en el ADN de ATXN7 conduce a una expansión de poliglutamina en la proteína ataxina-7, alterando la función normal de la ataxina-7. Las proteínas se pliegan de maneras muy intrincadas y específicas para que puedan unirse –muy específicamente – a las proteínas y otros componentes celulares con los que deben interactuar para permitir que las proteínas lleven a cabo su función normal. Cuando las proteínas realizan sus funciones normales, las células y las neuronas se mantienen sanas.

La ataxina-7 normal contiene de cuatro a 35 aminoácidos de glutamina seguidos. En SCA7, la ataxina-7 contiene de 37 a más de 400 aminoácidos de glutamina seguidos. No es sorprendente que tener tantos aminoácidos adicionales afecte la forma en que la proteína ataxina-7 se pliega y funciona. Esto, a su vez, puede alterar el equilibrio de la función proteica que mantiene sanas las células y las neuronas. Entonces, ¿qué hace normalmente la ataxina-7?

Encontrando un vínculo entre la ataxina-7 y las vías de daño y reparación del ADN

La ataxina-7 es un miembro crucial de un complejo llamado complejo coactivador STAGA. STAGA está formado por muchas proteínas que trabajan juntas para controlar el panorama a nivel transcripción y de la cromatina en las células. En otras palabras, STAGA se asegura de que las regiones de ADN que necesitan expresarse (o transcribirse) sean accesibles, mientras que las regiones de ADN que no son necesarias estén escondidas en bolas compactas de ADN conocidos como cromatina. Esto está coordinado por las histonas: proteínas que empaquetan el ADN en bolas compactas para su almacenamiento. El complejo STAGA contribuye a controlar la accesibilidad del ADN alterando la cantidad de acetilación de las histonas presentes en regiones específicas del ADN. Si es necesario utilizar el ADN –o salir del almacenamiento–, se hacen trazos en las histonas mediante un proceso llamado acetilación y el ADN se vuelve accesible.

En SCA7, los investigadores encontraron una mayor acetilación de histonas en las regiones promotoras de genes implicados en el daño y vías de reparación del ADN. Los promotores indican al gen adyacente que se convierta en ARNm para que pueda ser transformado en proteína. No es sorprendente entonces que los investigadores descubrieran que los genes con mayor acetilación de histonas en los promotores presenten una mayor expresión. En otras palabras, en SCA7, estas secciones de ADN que deberían estar almacenadas se sacan del almacenamiento y se utilizan más de lo que deberían. Esto sugiere que la ataxina-7 mutante cambia el funcionamiento normal del complejo STAGA, lo que resulta en diferencias en la accesibilidad del ADN y aumenta la expresión de genes implicados en el daño y la reparación del ADN.

Dado que los investigadores observaron un aumento en la expresión de daño en el ADN y genes reparadores relacionados con la alteración del funcionamiento normal de la ataxina-7, se formularon dos preguntas:

¿La mutación de SCA7 es suficiente para inducir daño en el ADN?

¿La mutación de SCA7 conduce a un deterioro de las vías de reparación del ADN?

Los investigadores plantearon la hipótesis de que las alteraciones del daño y la reparación del ADN conducen a una cascada de eventos que resultan en la disfunción y desaparición de las neuronas en SCA7. Para corroborar esta hipótesis y responder a estas preguntas, los investigadores utilizaron una variedad de sistemas modelo que incluyen células precursoras neuronales derivadas de pacientes, neuronas de tipo células granulosas cultivadas a partir de tejido de cerebelo de ratón y sistemas básicos de cultivo celular. Luego, los investigadores introdujeron secciones adicionales de ADN para expresar la proteína ataxina-7 normal o mutante en estas células.

Aumento en el daño, reducción en la reparación

Los investigadores observaron la cantidad de gH2AX en las células para responder a la primera pregunta: ¿la mutación de SCA7 es suficiente para inducir daño en el ADN? gH2AX es un marcador específico para roturas de doble cadena de ADN, un tipo de daño en el ADN. Primero observaron a las células que expresaban ataxina-7 normal o mutante. Encontraron niveles elevados de gH2AX en células que expresan ataxina-7 mutante en comparación con las células que expresan ataxina-7 normal.

Si bien esto sugiere que el daño al ADN aumenta en SCA7, el proceso de introducir ADN adicional en las células provoca cierto estrés celular. Debido a esto, los investigadores observaron a continuación los modelos que expresaban ataxina-7 normal o mutante sin tener que introducir ADN adicional:

Células precursoras neuronales derivadas de controles y de pacientes con SCA7
Neuronas de tipo células granulosas cultivadas a partir de ratones silvestres y con SCA7

En ambos sistemas, los investigadores encontraron niveles elevados de gH2AX. Esto muestra que la mutación SCA7 es suficiente para inducir daño en el ADN en ausencia de estrés celular adicional.

Normalmente cuando se produce daño en el ADN, la célula activa vías que reparan ese daño. Existen distintas vías de reparación del ADN que una célula puede utilizar según el tipo de daño. Para responder a la segunda pregunta: – ¿la mutación de SCA7 conduce a un deterioro de las vías de reparación del ADN? – el grupo utilizó un sistema reportero prueba si cada vía de reparación del ADN funciona individualmente. Si la vía de reparación del ADN que corrige una forma específica de daño en el ADN funciona, la célula expresará la proteína verde fluorescente del reportero.

El grupo descubrió que dos tipos de reparación del ADN no funcionan correctamente en SCA7: la reparación dirigida por homología y la reparación por hibridación de una sola hebra. Juntos, descubrieron que esto conducía a un aumento en la unión o translocación de ADN que contiene exones a otras secciones de ADN cuando las células expresan la ataxina-7 mutante. Siendo los exones las regiones del ADN que codifican proteínas. Esto conduciría a una variedad de efectos sobre el ARN y las proteínas que normalmente se producen a partir de estas secciones de ADN.

¿Qué sucede cuando el daño se acumula?

Si algunas vías de reparación del ADN todavía funcionan, ¿por qué el daño del ADN conduciría a que las neuronas enfermaran y dejaran de funcionar? Para responder a esta pregunta, imaginemos este escenario: si encuentras mucha agua en el piso de su cocina, hay varias personas a las que puedes llamar para que te ayuden, dependiendo de dónde venga el agua: ¿Un agujero en el techo? Llame a un techador; ¿Una fuga debajo de tu fregadero? Llame a un plomero; ¿Se ha roto la tubería de agua e inundó tu calle? Llame a la autoridad local del agua. En cada caso, necesita el conocimiento, las herramientas y, en algunos casos, la autoridad correctos para el trabajo. Si la tubería de agua se rompe, un techador no podría ayudar. Del mismo modo, es poco probable que la autoridad local de agua repare un agujero en su techo.

El daño y la reparación del ADN son muy parecidos. Si se acumula daño en el ADN y las vías de reparación que normalmente corrigen ese tipo de daño no funcionan, el daño en el ADN (o el agua en el piso de su cocina) se acumulará. Con el tiempo, esto provocará una cascada de efectos perjudiciales: después de una inundación, ¿necesitas reemplazar los alimentos y suministros en las gavetas inferiores de su cocina? ¿Es necesario reemplazar su piso? ¿O necesitas reemplazar completamente tu cocina? Lamentablemente, las neuronas no se pueden reemplazar. Pueden mitigar algunos de los efectos perjudiciales durante un tiempo, pero con el tiempo, las neuronas seguirán acumulando daño hasta que dejen de funcionar y eventualmente mueran.

Este trabajo es la culminación de muchos años de investigación que intentan comprender cómo y por qué mueren las neuronas en SCA7. Para empezar a entender esto, primero era necesario entender qué hace la proteína ataxina-7 normal. Con una comprensión de lo que hace la ataxina-7 normal, es posible investigar cómo se altera en SCA7 y cuáles son sus efectos en la célula. Con el tiempo, esta investigación ha identificado vías celulares que se ven afectadas en SCA7. Ahora podemos comenzar a comprender cuál es la mejor manera de corregir el daño a esas vías, prevenir cascadas de efectos perjudiciales y, en última instancia, con suerte, mejorar la supervivencia neuronal.

Palabras clave

Exón: regiones del genoma que están presentes en el ARNm maduro. Las proteínas están codificadas por el material genético ubicado en los exones. No todos los exones codifican proteínas.

Reparación dirigida por homología: una vía de reparación del ADN que repara las roturas del ADN de doble hebra utilizando una pieza de ADN muy similar como plantilla para la reparación. Este proceso generalmente está libre de errores si la plantilla de ADN es idéntica a la secuencia de ADN original que se está reparando.

Reparación por hibridación de una sola hebra: una vía de reparación del ADN que repara las roturas del ADN de doble cadena que se producen entre dos secuencias repetidas. Se forma una sola cadena de ADN en cada lado de la rotura del ADN y debido a que las secuencias repetitivas en cada lado de la rotura coinciden, estas secuencias se adhieren (hibridación). Esto conduce a un acortamiento de la secuencia de ADN porque se pierde la región entre las dos secuencias repetidas.

Declaración de conflicto de interés

El autor y editor declaran que no presentan algún conflicto de interés.

Cita del artículo revisado

Switonski, P. M., J. R. Delaney, L. C. Bartelt, C. Niu, M. Ramos-Zapatero, N. J. Spann, A. Alaghatta, T. Chen, E. N. Griffin, J. Bapat, B. L. Sopher and A. R. La Spada (2021). “Altered H3 histone acetylation impairs high-fidelity DNA repair to promote cerebellar degeneration in spinocerebellar ataxia type 7.” Cell Rep 37(9): 110062.