MOdeLOS MURinOS de SÍndROMe de dOWn

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3.1. Modelos trisómicos (MMU16)

El ratón Ts16 presenta una trisomía del MMU16 (Gropp, 1975) generado por una translocación robertsoniana espontánea, contiene la región ortóloga de la mayor parte del HSA21 y presenta los fenotipos observados en pacientes con SD. La principal limitación de este modelo es su letalidad embrionaria (mueren hacia el día embrionario 15). Los fetos trisómicos presentan alteraciones cardíacas, anormalidades craneofaciales y una importante afectación a nivel del SNC caracterizado por hipoplasia cerebral, retraso en la córtico-génesis, déficit en la neurogénesis, degeneración de neuronas colinérgicas hipocampales y alteraciones de la conectividad neuronal (Haydar et al. 1996;

Sweeney et al., 1989; Dorsey et al 2002).

El ratón Ts65dn es uno de los modelos trisómicos más estudiados, presenta triplicación de la región comprendida entre el gen App y Znf295 (región sinténica al HSA21 y contiene la DSCR), fue generado tras una translocación no robertsoniana recíproca entre los cromosomas MMU16 y MMU17 (Davisson, 1990; 1993).

Este ratón es viable, aunque un gran número de estos ratones mueren durante el periodo perinatal (Roper, et al. 2006); presenta muchos de los signos patológicos de SD entre los que destacan la infertilidad exclusiva de los machos, la aparición de rasgos dismórficos (Richtsmeier et al., 2000), las alteraciones craneofaciales (Richtsmeier, 2002) y neurales. Las disfunciones cognitivas en memoria espacial (Escorihuela, 1995; Demas, 1996; Reeves, 1995), memoria de trabajo y de referencia (Holtzman et al., 1996; Escorihuela et al., 1998; Sago et al., 2000; Hunter, 2003), memoria reciente (Coussons-Read, 1996; Holtzman, 1996) y discriminación de contexto (Hyde, 2001); estos déficits en memoria y aprendizaje, sugieren una disfunción a nivel de hipocampo y corteza cerebral. En el hipocampo se han hallado numerosas alteraciones como defectos a nivel sináptico relativos al sistema ß-adrenérgico (Dierssen, 1997), cambios en la expresión del receptor p75 (Cooper, 2001), alteraciones morfológicas en las espinas del giro dentado y CA1 (Belichenko, 2004), reducción en LTP y aumento de LTD (Siarey et al., 1997; Siarey et al.,1999; Kleschevnikov et al., 2004; Costa, 2005), reducción de la densidad neuronal en el giro dentado debida a déficits en proliferación celular (Insausti et al., 1998; Rueda et al., 2005), y reducción de la densidad neuronal en CA1 y sináptica en CA1 y CA3 (Kurt et al., 2004). En la corteza cerebral muestran una reducción en las sinapsis excitatorias de la corteza temporal (Kurt, 2000) y una menor complejidad del árbol dendrítico de las neuronas piramidales de la corteza frontal (Dierssen 2003), que comprometería el correcto funcionamiento de la circuitería cerebral con importantes implicaciones conductuales.

Este modelo también presenta alteraciones motoras relevantes caracterizadas por hiperactividad (Coussons-Read, 1996; Escorihuela, 1995), disfunción en la coordinación motora (Costa, 1999), en el patrón de la marcha (Hampton, 2004) y el equilibrio. Algunas de estas alteraciones podrían estar relacionadas con la disfunción cerebelar debida a una reducción en el volumen cerebelar acompañado de una disminución en la densidad de las células granulares (Baxter, 2000; Olson et al., 2004), cuya causa parece ser una reducción del proceso mitogénico sobre los precursores neuronales (Roper et

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al., 2006). Además, el ratón Ts65Dn muestra varios de los rasgos característicos de la enfermedad de Alzheimer (EA) como son la degeneración colinérgica del prosencéfalo basal asociada a la edad (Holtzman, 1996; Granholm, 2000) acompañada de un incremento compensatorio de la actividad colinoacetil transferasa en el hipocampo (Seo, 2005), y de un fallo en el transporte retrógrado de NGF (Cooper, 2001).

El ratón Ts1cje posee un segmento cromosómico extra más corto que el ratón Ts65Dn, extendiéndose desde el gen Sod1 hasta Znf295, pero Sod1 no es funcional (Sago, 1998). Este modelo, muestra una reducción de volumen cerebelar y de células granulares (Olson et al., 2004) y una reducción de LTP en CA1 (Siarey et al., 2005) y en DG (Belichenko et al. 2007), similares al ratón Ts65Dn pero menos severas. Entre los rasgos divergentes se encontrarían la fertilidad masculina, la ausencia de rasgos dismórficos, ausencia de degeneración de las BFCN e hipoactividad (Sago et al., 1998). Recientemente se ha descrito en este modelo una disfunción mitocondrial en el cerebro y la hiperfosforilación de Tau (Shukkur et al., 2006).

El ratón Ms1Ts65 cuyo segmento extra abarca la región comprendida entre Sod1 y App y que se obtuvo a partir de los cruces entre Ts65Dn y Ts1Cje permite determinar la contribución de la región sobreexpresada en Ts65Dn pero no presente en el ratón Ts1Cje. Este modelo presenta alteraciones a nivel cerebelar con una reducción en la densidad de las células granulares (Olson et al., 2004) y déficits en procesos de aprendizaje espacial menos severos que los presentados por los otros dos modelos (Sago et al., 2000).

El ratón Ts1Rhr triplica sólo el 32% de los genes del ratón TS65Dn y contiene únicamente el segmento ortólogo a DSCR. Este ratón no presenta las alteraciones craneofaciales observadas en el resto de los modelos trisómicos (Olson, 2004). Recientemente se ha descrito la presencia de alteraciones del volumen cerebelar al igual que en los otros modelos trisómicos (Aldridge et al., 2007).

El modelo trisómico generado más recientemente es el ratón Tc1, presenta una trisomía casi total, el 92% del cromosoma 21 humano. Originado mediante generación de líneas transcromosómicas de células madre embrionarias que contienen un cromosoma HSA21. Estos ratones presentan alteraciones en la plasticidad sináptica, en el número de neuronas cerebelares, en el desarrollo del corazón, en el tamaño mandibular y un déficit en la tarea de reconocer un objeto nuevo (O’Doherty et al., 2005). Recientemente, se ha descrito que los Tc1 tienen alterada la memoria espacial de trabajo y la memoria a corto plazo, así como la LTP a una 1 h (Morice et al. 2008).

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esquema 1. Representación de los genes presentes en cromosoma HSA21 ortólogos en los cromosomas murinos (MMU 16,17, 10) y de los modelos murinos trisómicos y transgénicos.

(Obtenido de Delabar et al., 2006)

3.2. Modelos transgénicos de YAcs, bAcs y PAcs

Estos modelos se generaron a partir de la triplicación de regiones cromosómicas más cortas permitiendo limitar y acotar el número de genes candidatos en trisomía. A partir de “librerías in vivo” de una región de 2Mb incluida en la DSCR, se crearon cromosomas artificiales de levaduras (YAC, Yeast Artificial Chromosome), de bacteria (BAC, Bacterial Artificial Chromosome) y del bacteriófago P1 (PAC, P1 Bacteriophage Artificial Chromosome) que presentaban en triplicado diferentes fragmentos genómicos contiguos o parcialmente solapados con los otros (Smith, 1995;

Smith, 1997). El estudio comparativo de los modelos mostró que únicamente el ratón YAc152F7 (5 genes) presentaba alteraciones en aprendizaje y memoria e hiperactividad durante el desarrollo, además de un incremento en el volumen cerebral y en el tamaño neuronal (Branchi, 2004; Rachidi and Lopes, 2007), si bien se observaban variaciones fenotípicas en celularidad en el YAc230e8 (9 genes). Por otra parte, la sobrexpresión de DYRK1A en el YAC152F7 se asocia con un incremento en la fosforilación de una proteína de ciclo celular, ciclina B1 (Branchi, 2004). Además de estos modelos, utilizando un cromosoma de bacteria (BAC, Bacterial Artificial Chromosome) que

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incorpora únicamente el gen DYRK1A humano completo con su promotor homólogo, se generó un ratón transgénico que sobreexpresaba DYRK1A, simulando así la dosis de este gen presente en SD. Estos ratones presentan alteraciones en plasticidad sináptica asociadas a modificaciones en LTP y LTD (Ahn, 2006).

esquema 2. Representación de la dScR destallando los 4 YAcs empleados para la generación de los modelos murinos transgénicos. Obtenido de Branchi et al, 2004.

3.3. Modelos transgénicos de gen único

La generación de modelos murinos genéticamente modificados con la sobrexpresión de genes específicos permite identificar si pequeños incrementos de dosis génica producen un fenotipo.

Estos modelos presentan copias extras de genes candidatos del HSA21, o de sus homólogos en ratón o rata. Son utilizados para estudiar los efectos que comporta su sobreexpresión in vivo y la contribución que tienen en el conjunto de fenotipos presentes en el SD. Se ha estudiado un modelo murino con sobrexpresión de Dyrk1A (TgDyrk1A) que sobrexpresa el cDNA de Dyrk1A de rata, bajo el control del promotor heterólogo de la metalotioneína de oveja (pSMT-Ia). Se establecieron distintas líneas de ratones transgénicos observándose una expresión generalizada del transgén en todos aquellos tejidos estudiados (corazón, cerebro, hígado...) (Altafaj et al., 2001). El análisis de las alteraciones conductuales presentes en el modelo TgDyrk1A (Altafaj et al., 2001; Martinez de Lagran et al., 2004) reveló: A) alteraciones en el neurodesarrollo: un retraso de la adquisición de una actividad locomotora madura; B) alteraciones en la coordinación motora durante el neurodesarrollo y en etapas adultas; C) hiperactividad; D) alteraciones del aprendizaje motor y de la organización locomotora; y E) alteraciones de los procesos de memoria y el aprendizaje, especialmente de la

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memoria de referencia y del aprendizaje visuo-espacial. Este conjunto de alteraciones en el fenotipo motor y cognitivo en el ratón TgDyrk1A, puede relacionarse con una disfunción en diferentes áreas cerebrales dónde el gen se sobrexpresa: cerebelo, núcleo estriado, corteza motora, corteza prefrontal e hipocampo.

3.4. Alteraciones cognitivas en modelos murinos de síndrome de down

El empleo de modelos murinos genéticamente modificados ha demostrado ser una herramienta muy útil para esclarecer la influencia de la sobrexpresión de un gen o un conjunto de genes a un determinado fenotipo. A pesar de las diferencias filogenéticas que existen entre ratones y seres humanos, el genoma de ambos guarda una alta homología (Mural, 2002). Dadas las dificultades metodológicas por explorar el cerebro de personas con SD en fases del desarrollo embrionario o postnatal temprano, el uso de modelos murinos es una herramienta muy útil para investigar las características neuroanatómicas y funcionales en estos estadios.

Ratones trisómicos Ts16 (trisomía del MMU16, Gropp, 1975) presentan hipoplasia cerebral, retraso en la corticogénesis, déficit en la neurogénesis, alteraciones en la migración radial y tangencial y alteraciones de la conectividad neuronal (Haydar et al. 1996, 2000; Sweeney et al., 1989; Dorsey et al 2002). El ratón Ts65dn (Davisson, 1990) en estadíos embrionarios presenta un importante retraso en la formación de la neocorteza y el hipocampo, debido al incremento de la duración del ciclo celular y la reducción de la neurogénesis en la zona subventricular (SZ) de los ratones trisómicos; así como una hipocelularidad mantenida hasta el nacimiento (Chakrabarti et al 2008). En estadios postnatales tempranos muestran una reducción de las neuronas granulares (Lorenzi et al. 2006) y de las neuronas proliferantes en el DG (Contestabile et al., 2007); y déficits en sinaptogénesis (Chakrabarti et al 2008). En la etapa adulta las disfunciones cognitivas observadas son alteraciones en memoria espacial (Escorihuela, 1995; Demas, 1996; Reeves, 1995), memoria de trabajo (Hunter, 2003), memoria reciente (Coussons-Read, 1996; Holtzman, 1996), discriminación de contexto (Hyde, 2001) y disrupciones en LTP y LTD (Siarey, 1997; Costa, 2005). Los otros modelos murinos no han sido estudiados en etapas embrionarias, aunque muestran alteraciones en el fenotipo cognitivo adulto: los ratones Ts1cje (Sago, 1998) muestra alteraciones en aprendizaje y memoria; el modelo Tc1 (trisomía del HSA21, O’Doherty et al., 2005) presenta alteraciones en la plasticidad sináptica, de la memoria espacial de trabajo y la memoria a corto plazo, así como la LTP (Morice et al. 2008); y finalmente, los ratones transgénicos generados mediante cromosomas artificiales de levaduras (YACs), YAc152F7 (contienen el gen Dyrk1A triplicado, Branchi, 2004) y mediante cromosomas de bacterias (BACs), dYRK1ABAc (sobrexpresan DYRK1A, Ahn, 2006) presentan alteraciones en aprendizaje y memoria.

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