Un modelo genético para una forma invalidante de paraplejia sugiere nuevos tratamientos
(Traducción del artículo de David F. Salisbury publicado en la revista EXPLORATION de la Universidad de Vanderbilt) 20 julio 2004
Kendal Brodie observando moscas de la fruta transgénicas (Foto de Neil Brake).
Un nuevo modelo genético para una enfermedad del movimiento que se estima afecta a 10.000 personas en los Estados Unidos, obligándoles a usar andadores o sillas de ruedas, indica que la inestabilidad del andamiaje microscópico de un conjunto clave de células nerviosas es la causa de esta grave discapacidad. El estudio, publicado en el número del 13 de Julio de la revista “Current Biology” proporciona un nuevo y provocador punto de vista sobre la base molecular de la enfermedad llamada paraplegia espástica hereditaria (HSP) y sugiere una nueva forma de tratar esta enfermedad heredada genéticamente.
La HSP — también conocida como paraparesia espástica familiar (PEF) o síndrome de Strumpell-Lorrain — causa el deterioro de las terminaciones nerviosas que controlan la actividad muscular. Estas células nerviosas van desde el cortex cerebral a la médula espinal donde conectan con las células nerviosas «descendentes» que excitan a los músculos para controlar el movimiento coordinado. La HSP causa debilidad, espasmos y pérdida de funcionalidad de los músculos de las piernas.
Se han relacionado más de 20 genes con la HSP. Sin embargo, más del 40 por ciento de los casos se relacionan con un solo gen (SPG4) que produce una enzima llamada Spastin. Estudios anteriores han demostrado que esta enzima interacciona con los microtúbulos, los pequeños tubos de proteína que proporcionan apoyo estructural y vías de transporte entre la mayoría de las células. Los microtúbulos son estructuras dinámicas, que están continuamente creciendo y contrayéndose, y su estabilidad es regulada muy estrechamente por un cierto número de proteínas asociadas. En las células nerviosas, los microtúbulos llevan componentes celulares a las regiones más alejadas de la célula, regulan el crecimiento de ramas celulares y proporcionan un substrato para las importantes interacciones de la proteína. Todas estas funciones son críticamente dependientes de los cambios dinámicos en la estabilidad del microtúbulo.
Investigadores de los laboratorios de Kendal Broadie en la universidad de Vanderbilt y de Andrea Daga en la universidad de Padua, Italia, colaboraron en los primeros estudios del papel que el Spastin juega en la comunicación nerviosa en un organismo vivo. Han descubierto que el Spastin está altamente enriquecido en las células nerviosas, especialmente en las sinapsis — las uniones entre pares de células nerviosas y entre células nerviosas y musculares. Usando métodos avanzados de ingeniería genética para manipular la dosificación del gen, su estudio demostró que tanto el exceso como la escasez de la enzima rompe la estabilidad del microtúbulo, degradando la capacidad de funcionamiento de las células nerviosas. También encontraron que los tratamientos farmacológicos que contrarrestan estos efectos desestabilizadores restauran la función normal del nervio.
«Estos resultados sugieren que la HSP está causada sobre todo por la regulación defectuosa del cito-esqueleto de la célula nerviosa,»dice Broadie, profesor de ciencias biológicas y de farmacología e investigador en el Kennedy Center for Research on Human Development. «El Spastin, así como otros genes ligados a la HSP, parecen mediar en esta función común. Esto hace pensar que el tratamiento de este defecto común puede ser eficaz para muchos pacientes de HSP, quizás para la mayoría de ellos.
El organismo que los investigadores utilizaron en el estudio es la mosca de fruta, Drosophila melanogaster, el «conejo de indias» de la investigación genética. La «Drosophila es el organismo perfecto para estudiar enfermedades genéticas complejas como HSP,» dice el estudiante graduado de Vanderbilt Nick Trotta, que es el primer autor del documento. «Solo necesitamos saber que gen está implicado y podemos cambiar la forma en que el gen se comporta en pocas semanas. Esto nos permite copiar las condiciones asociadas con la enfermedad y así podemos aprender más sobre lo que pasa.». A nivel molecular, hay muy poca diferencia entre una neurona de Drosophila y una neurona humana, dice Trotta. Por ejemplo, las moscas de fruta tienen una proteína llamada D-Spastin que realiza las mismas funciones que el Spastin humano. Las dos enzimas son idénticas al 48 por ciento y similares al 60 por ciento a nivel aminoácidos.
«Puede parecernos sorprendente que una mosca puede ser utilizada para descubrir las bases moleculares de una enfermedad humana, pero se ha visto muchas veces a lo largo de las últimas décadas que las puntos de vista obtenidos de estudios de la Drosophila dan un punto de vista inmediato del problema en el hombre. Hay una larga historia de investigaciones de la Drosophila que han abierto importantes caminos en nuestra comprensión de problemas biológicos fundamentales,»dice Broadie. Para estudiar cómo funciona el Spastin en neuronas vivas, los investigadores diseñaron moscas transgénicas con cantidades alteradas de proteína de D-Spastin en sus neuronas y analizaron los efectos.
Los animales con niveles más bajos de D-Spastin eran débiles, tenían defectos de coordinación y murieron prematuramente. A nivel celular, los investigadores encontraron que la reducción de D-Spastin hizo que las sinapsis se llenaran de microtúbulos ultra-estables. Por consiguiente, las sinapsis quedaron estructuralmente reducidas en tamaño y mostraron características de comunicación profundamente alteradas.
Tambien las moscas con los niveles aumentados de D-Spastin estaban enfermas. Niveles altos de sobre-expresión causaron la muerte de los embriones. Niveles más bajos causaron la muerte de las células nerviosas (neurodegeneración.) Incluso los niveles muy bajos de la sobre-expresión hicieron que los adultos fuesen lentos y débiles. Dentro de las células del nervio, los investigadores encontraron que demasiado D-Spastin hacia desaparecer los microtúbulos estables. En las sinapsis, los niveles elevados de Spastin también causaron una gran caida de fuerza de la señal sináptica , deteriorando la comunicación nerviosa.
Estos estudios demostraron que el Spastin se concentra en las sinapsis, donde actúa localmente desestabilizando los microtúbulos. Por otra parte, los investigadores encontraron que drogas específicas que alteran la estabilidad de los microtúbulos remedian los defectos que ocurren en la función sináptica como resultado de cambios en los niveles de Spastin. Tanto en los casos de “loss and over-expression”, los investigadores vieron que el tratamiento con drogas que corrigen los defectos de estabilidad de los microtúbulos hicieron que la señal sinaptica tomara fuerza volviendo a niveles normales. Este resultado indica que las drogas que estabilizan la actividad de los microtúbulos pueden proporcionar un nuevo acercamiento para el tratamiento de la HSP.
Los investigadores de Vanderbilt fueron financiados por el National Institutes of Health y los investigadores italianos por la fundación Telethon de Rome. Otros autores del documento son Genny Orso y Maria Giovanna Rossetto de la universidad de Padua.
Fotomicrografías de las uniones neuromusculares de la Drosofila en tres casos: Niveles de D-Spastin normal, reforzado y reducido. La fila superior muestra la membrana de la célula nerviosa en rojo. La segunda fila muestra el D-Spastin en verde. La tercera muestra la superposición de las dos anteriores, y la cuarta muestra los cambios de comportamiento de los microtubulos (amarillo)
Los gráficos finales ilustran como la actividad eléctrica de las células nerviosas varía con los cambios en niveles de D-Spastin, y las curvas de colores (azul y rojo) muestran como el tratamiento con drogas estabilizadoras de microtúbulos puede restablecer la actividad a niveles normales.
