Investigadores de Stanford han identificado un gen crucial para la formación de proteínas tóxicas en la esclerosis lateral amiotrófica, lo que posibilita trabajar en posibles terapias para la enfermedad.
Aaron Gitler y sus colaboradores utilizaron experimentos en levadura, en moscas de la fruta y en células derivadas de personas con ELA para identificar un gen relacionado con la formación de grupos de proteínas tóxicas que son un sello distintivo de la enfermedad.
Dentro del cerebro de los pacientes con esclerosis lateral amiotrófica, una enfermedad neurodegenerativa debilitante, hay un signo revelador que marca casi todos los casos: grupos de proteínas tóxicas.
Ahora, los investigadores de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford y sus colaboradores han identificado un gen clave detrás de la formación de un tipo de estos agregados que dañan las neuronas. También han demostrado cómo inhibir la función del gen frena la producción de la proteína dañina.
"Sabemos que estos agregados ricos en proteínas son un claro sello distintivo de la ELA", dijo Aaron Gitler, PhD, profesor de genética. "Pero este hallazgo nos permite una mirada más profunda sobre cómo se hacen esos agregados y, potencialmente, cómo podemos obstaculizar ese proceso".
El gen, RPS25, codifica una pieza de maquinaria celular necesaria para crear el residuo a base de proteínas que se acumula en algunas formas de ELA y daña las neuronas sanas. Cuando la actividad del gen se agotó experimentalmente, en levaduras, en neuronas derivadas de pacientes con ELA y en moscas de la fruta, Gitler y su equipo vieron que los niveles de la proteína letal disminuyeron en aproximadamente un 50 por ciento en todos los ámbitos.
El equipo también probó la función de RPS25 en células humanas que modelan la enfermedad de Huntington y la ataxia espinocerebelosa, otras dos enfermedades neurodegenerativas que tienen "características" de agregado de proteínas similares a la ELA, dijo Shizuka Yamada, una estudiante graduada en el laboratorio de Gitler. Allí, también, inhibir el gen ayudó a reducir los niveles de proteína defectuosa.
Todavía es temprano, dijo Yamada, pero obstaculizar el gen RPS25 parece ser un objetivo prometedor para reducir las proteínas destructivas que se ven en la ELA e incluso extender la vida útil, como se vio en el modelo de mosca de la fruta de la ELA con bajos niveles de actividad del gen.
Un artículo que detalla los resultados de la investigación fue publicado el 29 de julio en Nature Neuroscience. Gitler, titular de la cátedra de ciencias básicas de Stanford Medicine, es el autor principal.
Una ruta alternativa
También conocida como enfermedad de Lou Gehrig, la ELA es una afección que elimina las neuronas motoras, que son cruciales para todas las tareas físicas, desde cepillarse el cabello hasta respirar. La causa raíz de cada caso no siempre es la misma; Hay una serie de factores genéticos que influyen en la aparición de la ELA. Sin embargo, un gen es a menudo el culpable. La ELA alberga una cadena de ADN que se repite erróneamente.
Son estas repeticiones de ADN las que se transforman en las proteínas dañinas que se acumulan en el cerebro. A medida que las proteínas se acumulan, interfieren con las neuronas sanas, bloqueando la capacidad de las células para funcionar normalmente.
Fuera de sus propiedades tóxicas, lo que es notable sobre los agregados de proteínas es que no están hechos como otras proteínas que se encuentran en el cuerpo, dijo Yamada. "Estas repeticiones en realidad no deberían convertirse en proteínas en absoluto", dijo. "Provienen de ADN que se supone que no codifica nada, y sin embargo, de alguna manera, las proteínas llegan a serlo".
Durante la formación de proteínas de rutina, el ribosoma, una especie de máquina molecular que reside en la célula, procesa el ARN mensajero, que contiene un código genético basado en el ADN, y lo convierte en la materia prima de una proteína. Ese proceso se llama traducción y se inicia mediante un código en el ARNm que muestra al ribosoma dónde comenzar a traducir. Las repeticiones de ADN asociadas con la ELA no tienen ese código de inicio, a diferencia del ARNm normal.
"Así que la traducción regular no funciona con las repeticiones", dijo Yamada. Pero resulta que hay una solución molecular: un proceso de traducción no convencional llamado traducción no AUG asociada a repetición, o traducción RAN, que convierte las repeticiones de ELA en cuerpos proteicos destructivos.
Poner el freno al RPS25
El mecanismo exacto de la traducción RAN y su papel en la biología humana no está claro, pero los científicos saben que aún depende del ribosoma. Para comprender mejor el proceso, Gitler y Yamada recurrieron a la levadura, un organismo simple que todavía tiene las principales proteínas y vías de las células humanas. Los investigadores disminuyeron la función de los genes de levadura individuales y monitorearon la función RAN del hongo.
Cuando se sometieron, varios genes influyeron en la función RAN, pero uno en particular, RPS25, destacó. Con el gen obstaculizado, la producción de la proteína tóxica se redujo en un 50 por ciento.
Los investigadores también vieron un descenso del 50 por ciento en la proteína tóxica cuando probaron cómo las neuronas derivadas de los pacientes con ELA tuvieron éxito sin RPS25.
Siempre es genial cuando la biología de la levadura puede informar directamente a la biología humana.
"Estábamos realmente emocionados de ver la disminución en la repetición de proteínas en las células humanas", dijo Yamada. "Siempre es genial cuando la biología de la levadura puede informar directamente a la biología humana". Debido a que estas células provienen de pacientes que sufren de ELA, la investigación ofreció una visión confiable de cómo las neuronas de las personas con ELA responderían a niveles más bajos de RPS25, dijo. .
“A través de análisis genómicos, pudimos ver que las repeticiones asociadas a ALS todavía estaban allí; las secuencias no habían cambiado ", dijo Yamada. “Lo que estaba cambiando era la salida del ribosoma; las repeticiones no se convirtieron en proteínas tóxicas con la misma frecuencia ".
Cortar una parte de la máquina de producción de proteínas de la célula puede parecer arriesgado, pero resulta que un gen RPS25 desaparecido no estropea la producción normal de proteínas. Sin embargo, los investigadores también mostraron que un gen RPS25 inactivo afecta más que las repeticiones en ELA; el gen disfuncional detuvo de manera similar la producción de proteínas errónea en modelos celulares de la enfermedad de Huntington y la ataxia espinocerebelosa, dos enfermedades neurodegenerativas que tienen agregados proteicos característicos similares a la ELA.
Avanzando hacia más complejidad
Finalmente, los investigadores recurrieron a modelos de ELA de moscas de la fruta para investigar cómo el agotamiento de RPS25 afectó al insecto en general. No solo vieron una disminución similar en los niveles de proteínas tóxicas, sino que también vieron una mayor vida útil en las moscas que carecían de RPS25 completamente funcional. Las moscas que albergaban tanto la mutación de ELA como un gen RPS25 funcional murieron en promedio el día 29, mientras que las que tenían la mutación de ELA y cantidades menores de RPS25 vivieron en promedio durante 38 días. Una mosca de la fruta sana vive en promedio unos 50 días.
Los hallazgos son interesantes, dijo Yamada, pero antes de que los científicos puedan comenzar a perseguir a RPS25 como objetivo farmacológico, el equipo tiene un par de tareas clave a descifrar. El equipo ahora está investigando cómo un modelo animal más complejo, como un ratón, funcionaría sin RPS25.
“Con las moscas de la fruta, manipulamos el gen; no lo eliminamos por completo ", dijo Yamada. "Si un animal puede sobrevivir sin el gen por completo sería un gran avance en nuestros próximos pasos".
Además, dijo Yamada, ella y Gitler todavía buscan una imagen más clara de la traducción RAN en humanos, en general. “¿Solo ocurre en condiciones neurogenerativas? ¿O hay un papel más amplio en las personas sanas? ”, dijo. "Todavía no sabemos la respuesta a esas preguntas, y será crucial averiguarlo antes de buscar RPS25 como objetivo terapéutico".
Otros coautores de Stanford del estudio son los estudiantes graduados Naomi Genuth y Nicholas Kramer; erudito postdoctoral Rosslyn Grosely, PhD; la técnica de investigación Lisa Nakayama; estudiante de secundaria Shirleen Fang; asistente de investigación Tai Dinger; Maria Barna, PhD, profesora asistente de genética y biología del desarrollo; y Joseph Puglisi, PhD, profesor de biología estructural.
Researchers from the Mayo Clinic, the University College London and the University of Southern California also contributed to the research.
Gitler is a member of Stanford Bio-X and the Wu Tsai Neurosciences Institute at Stanford.
The work was funded by the National Institutes of Health (grants R35NS097263, AI099506, AG064690, R35NS097273, P01NS099114, 2T32HG000044 and R01NS097850), the U.S. Department of Defense, the Muscular Dystrophy Association, the European Research Council and Alzheimer’s Research UK.
Stanford’s departments of Genetics, of Biology, of Developmental Biology and of Structural Biology also supported the work.
