Alteraciones conocidas en genes epigenéticos

Muchos síndromes que cursan con DI se asocian a alteraciones en genes implicados en la maquinaria epigenética (tabla 8). A continuación se mencionarán aquellos ejemplos mejor conocidos.

3.1.1. MECP2

El gen MECP2, localizado en el cromosoma X (Xq28), codifica para una proteína de unión a DNA metilado que no es específica de secuencia. MECP2 puede participar tanto en la represión como en la activación transcripcional. Por un lado es capaz de reclutar distintas proteínas, como desacetilasas (HDAC1 y HDAC2) y metiltransferasas (con actividad H3K9me y H3K27me) de histonas, DNA metiltransferasas (DNMT1) y otras proteínas implicadas en la remodelación de la cromatina como SIN3A y ATRX (apartado 3.1.4. de la introducción), formando un complejo represor de la transcripción que regula la expresión de genes implicados en el desarrollo neuronal como BDNF (Kramer y van Bokhoven, 2009; Gos, 2013). Por otro lado, se ha observado que también es capaz de unirse a región promotora no metilada e interaccionar con CREB1, activador transcripcional (figura 15). Además, es una proteína que está sometida a distintas modificaciones post-traduccionales, como la fosforilación, que podrían

modular tanto su capacidad de unión a distintos factores como su diversidad funcional, participando también en procesos como el procesamiento del RNA, la condensación de la cromatina o el silenciamiento de elementos repetitivos (Kramer y van Bokhoven, 2009; Berdasco y Esteller, 2013).

Aunque MECP2 se expresa en todos los tejidos, su expresión en el cerebro es especialmente alta, variando además en función del momento del desarrollo (alta durante el desarrollo embrionario, baja al nacer y aumenta posteriormente). No se observa expresión en neuronas inmaduras, pareciendo más bien específica de la maduración neuronal, pero manteniéndose también en las células maduras. MECP2 es especialmente importante para el mantenimiento y la modulación de las sinapsis y la complejidad dendrítica. Los modelos de ratón que carecen de expresión Mecp2 no muestran cambios significativos en la estructura del cerebro, pero sí un retraso en la maduración neuronal y la sinaptogénesis, encontrándose alteraciones en la morfología y la función de las neuronas (Kishi y Macklis 2005, Gos, 2013).

Figura 15: Representación del papel de MECP2 en la represión y activación transcripcional.

Figura modificada de Kramer y van Bokhoven (2009).

Alteraciones en el gen MECP2 se asocian a distintas patologías y trastornos del neurodesarrollo como el síndrome de Rett (OMIM 312750), la encefalopatía grave neonatal (OMIM 300673), el síndrome de Duplicación de MECP2 (OMIM 300260) o distintas formas de DI y autismo ligadas al cromosoma X (OMIM 300055, 300496). A continuación se describirán dos de estos síndromes.

3.1.1.1. Síndrome de Rett

El síndrome de Rett, que afecta mayoritariamente a mujeres (salvo casos de mosaicismo o copia extra de un cromosoma X en varones), tiene una prevalencia aproximada de 1-2:17000 niñas (Fehr et al., 2011; Sarajlija et al., 2015). Este síndrome se caracteriza por un desarrollo psicomotor aparentemente

Fosforilación y acetilación de H3 Remodelación de la cromatina (ATRX y SIN3A)

Metilación del DNA (DNMTs) Modificación de Histonas

(metilación (EZHs) y desacetilación (HDACs)

normal hasta los 6-18 meses de vida, cuando se produce un retroceso de las habilidades adquiridas y un retraso global importante que incluye DI grave (con dispraxia o ausencia de la marcha y pérdida del habla), rasgos autistas y trastornos del comportamiento, con estereotipias de lavado de manos y pérdida del uso propositivo de éstas, convulsiones y microcefalia adquirida (Christodoulou y Ho, 2012).

Es una de las causas más frecuentes de DI en mujeres, debido en más de un 80 % de los casos a mutaciones, principalmente de novo, en el gen MECP2, aunque también se han descrito casos por deleción. Además, la clínica puede verse modulada por el patrón de inactivación del cromosoma X. Igualmente existen variantes del síndrome llamadas Rett atípico, que implican variaciones en la clínica clásica y puede deberse a alteraciones en MECP2 u otros genes, como CDKL5 que se asocia principalmente a la aparición de crisis epilépticas en los primeros meses de vida (OMIM 300672, variante Hanefeld), o FOXG1 relacionado con un fenotipo severo y de aparición temprana, durante los tres primeros meses de vida (OMIM 613454, variante Rolando o congénita) (Christodoulou y Ho, 2012).

3.1.1.2. Síndrome de duplicación de MECP2

El síndrome de duplicación de MECP2 afecta mayoritariamente a varones, y aunque hoy en día se desconoce su prevalencia, se estima que puede explicar hasta un 1 % de la DI ligada al cromosoma X (Lugtenberg et al., 2009; Van Esch, 2012). Se trata de un trastorno grave del desarrollo neurológico caracterizado por DI de moderada a grave, con retraso motor (retraso en la deambulación con marcha atáxica), lenguaje escaso o ausente, hipotonía infantil de aparición temprana, espasticidad progresiva y convulsiones, con infecciones recurrentes, principalmente respiratorias. Además, también se ha observado disfunción gastrointestinal, alteraciones del comportamiento como rasgos autistas y estereotipias, algunos rasgos dismórficos (como braquicefalia, hipotonía facial, orejas grandes o puente nasal hundido) y anomalías estructurales en el cerebro (Van Esch, 2012; Van Esch, 2014).

Como su propio nombre indica, se debe a duplicaciones que afectan al gen

MECP2, de un tamaño variable que puede ir de 0.3 a más de 4 Mb, aunque

también se han descrito casos con triplicación. La mayoría de estos pacientes han heredado la duplicación de sus madres, asintomáticas, que presentan un patrón sesgado de la inactivación del cromosoma X con un silenciamiento total o casi del 100 % del cromosoma portador de la duplicación.

3.1.2. EHMT1

El gen EHMT1 codifica para una metiltransferasa de histonas que actúa principalmente sobre H3 (H3K9me1/2) participando en la represión transcripcional. La haploinsuficiencia de EHMT1, normalmente de novo, tanto por deleción de la región 9q34.3 (en torno al 85 % de los casos) como por mutación, causa el síndrome de Kleefstra (OMIM 610253). Este síndrome se caracteriza por DI, retraso motor (deambulación sobre los 2-3 años), afectación severa del lenguaje, trastornos del comportamiento, hipotonía, anomalías congénitas (principalmente defectos cardiacos) y rasgos dismórficos característicos (braquicefalia y microcefalia, hipoplasia medio-facial, con cejas de forma inusual y sinofridia, hipertelorismo, narinas antevertidas, labio superior en arco de cupido, macroglosia y prognatismo). También pueden presentar

epilepsia, infecciones respiratorias recurrentes o sobrepeso. (Kramer y van Bokhoven, 2009; Kleefstra et al., 2010; Willemsen et al., 2012).

3.1.3. HDAC4

El gen HDAC4 codifica para una desacetilasa de histonas que participa en la represión transcripcional. Distintos estudios demuestran que HDAC4 es fundamental tanto para el desarrollo de los condrocitos en la osteogénesis, como para la supervivencia neuronal (Vega et al., 2004; Chen y Cepko, 2009). La haploinsuficiencia de HDAC4 se considera responsable de la mayoría de manifestaciones clínicas del síndrome de deleción 2q37 o braquidactilia con DI (OMIM 600430), principalmente por deleción, con un tamaño variable que puede ir de algo más de 1 Mb a deleciones terminales mucho mayores, pero también por mutaciones en este gen (Williams et al., 2010). Este síndrome puede presentarse con un amplio espectro de hallazgos clínicos, con DI leve- moderada y braquidactilia tipo E en más del 50 % de los casos, además de otras características de frecuencia variable como rasgos autistas y problemas de comportamiento, obesidad, talla baja, anomalías congénitas, defectos cardiacos o alteraciones cráneo-faciales características entre otras (Williams et

al., 2010; Doherty y Lacbawan, 2013).

3.1.4. ATRX

El gen ATRX, localizado en el cromosoma X (Xq21.1), codifica para una ATPasa/helicasa de la familia SWI2/SNF2, con actividad remodeladora de la cromatina. Está formada por siete dominios helicasa en la región C-terminal, con actividad ATPasa, y un dominio en la región N-terminal denominado ADD (ATRX- DNMT3-DNMT3L) que contiene un dominio PHD, con una alta especificidad por H3K9 metilado y H3K4 desmetilado. Aunque se han descrito mutaciones distribuidas a lo largo de todo el gen, más del 90 % se localizan en estos dominios, observándose que alteraciones en ATRX conducen a defectos en una gran variedad de procesos celulares como la cohesión de las cromátidas hermanas, el mantenimiento de la integridad telomérica o la metilación del DNA en regiones de heterocromatina. Pese a que no se conocen todos los mecanismos en los que participa ATRX, se está comenzando a aclarar el papel de este gen en alguno de estos procesos, como por ejemplo:

- Se conoce la participación de ATRX en la inserción de la variante H3.3 en regiones de heterocromatina como las secuencias repetitivas teloméricas, pericentroméricas y ribosomales, junto con la chaperona de histonas DAXX; gracias a su dominio ADD, que reconoce modificaciones de histonas de estas regiones (H3K9me3 y H3K4me0), y a su capacidad ATPasa que proporciona la energía necesaria para que se produzca este proceso (Henikoff y Smith 2015).

- También podría regular de forma positiva y negativa la incorporación de distintas variantes de histonas, actuando como activador transcripcional al permitir una conformación activa de la cromatina, con la incorporación de H3.3 y la eliminación de macroH2A en los nucleosomas localizados en determinadas zonas, como en la región subtelomérica del cromosoma 16, donde se localizan los genes de las α-globinas (Ratnakumar y Bernstein, 2013) (figura 16).

Figura 16: Modelo hipotético de intercambio de histonas mediado por ATRX en la

activación transcripcional de genes específicos. Imagen obtenida de Ratnakumar y Bernstein (2013).

- Como se ha comentado ya previamente, la variante macroH2A se encuentra enriquecida en el cromosoma X inactivo. De la Fuente y colaboradores (2011) proponen que ATRX podría participar en el mantenimiento de la inactivación del X, ya que en ratón se ha observado una asociación de ATRX con este cromosoma, aunque el mecanismo se desconoce.

- Por otro lado, los dominios helicasa de ATRX le permiten interaccionar con distintos factores como MECP2 (figura 15). ATRX junto con MECP2 podrían controlar la expresión de determinados genes sometidos a impronta en el cerebro, al intervenir en la modulación de las interacciones intracromosómicas y la estructura a gran escala de la cromatina (Kernohan et al., 2014).

Figura 17: Representación de la participación de ATRX en la estabilización de la estructura

- Además, podría participar en la estabilización de la estructura secundaria del DNA. Regiones ricas en guaninas, como los telómeros, pueden adquirir una estructura secundaria denominada cuádruple G, que interrumpe la replicación y transcripción. Esta estructura se ha predicho en muchas dianas de ATRX, quien podría ser capaz de unirse a ella (Clynes et al., 2013; Clynes y Gibbons, 2013) (figura 17).

Las Alteraciones en este gen se asocian a distintas patologías, como la α- talasemia con síndrome mielodisplásico (OMIM 300448), causada por mutaciones somáticas, o la DI sindrómica con o sin α-talasemia (OMIM 301040 o OMIM 309580 respectivamente), con herencia recesiva ligada al cromosoma X. La α-talasemia con DI ligada al X afecta mayoritariamente a varones, mientras que las mujeres portadoras suelen ser asintomáticas con un patrón de inactivación del cromosoma X sesgado, aunque se han descrito algunos pocos casos de mujeres afectadas (Wada et al., 2005; Badens et al., 2006). Este síndrome, causado principalmente por mutaciones puntuales en ATRX, pero también por deleciones, se caracteriza por un profundo retraso en el desarrollo, siendo algunos de los pacientes afectados incapaces de andar de forma independiente o de desarrollar el lenguaje, con DI de grado variable, mayoritariamente grave-profunda, hipotonía, microcefalia, rasgos dismórficos característicos (como una facies hipotónica, hipertelorismo, nariz pequeña y labio superior en tienda de campaña), anomalías genitales (en un 80 % de los casos) y, como su nombre indica, α-talasemia en alguno de los casos. Además también pueden presentar otros rasgos como alteraciones gastrointestinales (aproximadamente en un 75 % de los casos), talla baja (65-70 %), convulsiones (30-35 %) y distintas alteraciones del comportamiento (Stevenson, 2014).