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El gen C9ORF 72 *

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Durante años, los investigadores omitieron la causa genética más común de la ELA. Ahora están en una ruta acelerada para tratarlo. La familia de Mark Price tenía una larga historia de enfermedades neurológicas. Su hermana y su tío habían muerto de esclerosis lateral amiotrófica (ELA), y su madre y su tía vivían con demencia. Pero no fue hasta que Price mismo comenzó a calumniar sus palabras en 2010, poco después de la boda de su hija Sharon, que se dio cuenta de que podría haber una base genética para el trágico pasado médico de su familia.

 

Dentro de ese año, se le diagnosticó ELA. Sharon se preguntó si ella, o sus futuros hijos, serían los siguientes. "Paré todo y dije: 'No puedo tener un hijo hasta que resolvamos todo esto'", recuerda Sharon, que entonces tenía 26 años. Al principio, los médicos de Price no podían identificar ningún defecto en los genes asociados a ELA que eran conocidos en ese momento. Luego vinieron informes en septiembre de 2011 de que dos equipos de científicos habían encontrado un nuevo gen relacionado con ELA, uno que podría explicar hasta el 40% de los casos familiares de la enfermedad y el 10% de lo que se conoce como casos esporádicos. Además, este gen representó aproximadamente el 30% de los casos hereditarios de una condición conocida como demencia frontotemporal (FTD), proporcionando una razón genética largamente buscada de por qué ese trastorno neurodegenerativo afectó a miembros de familias afectadas por la enfermedad de la neurona motora ELA - familias como Price's.

Mark Price, aquí en una instantánea familiar con sus hijas en 1988, fue diagnosticado con ALS en 2011 y descubrió que tenía un gen defectuoso C9ORF72.

El culpable genético se llama C9ORF72- desde su ubicación en el cromosoma 9 en una región conocida como marco de lectura abierto (ORF) 72. Y tiene un patrón de secuencia de nucleótidos inusual. En algunas personas con ELA o DFT un tramo corto de ADN en una porción no codificante de C9ORF72 se repite cientos o incluso miles de veces; en individuos sanos, la misma secuencia - GGGGCC - se repite menos de dos docenas de veces.

A principios de 2012, Price fue probado para la expansión repetida C9ORF72. La prueba dio positivo y murió un año después. Y mientras Sharon y sus dos hermanas lloraban por su padre, también tenían que lidiar con el hecho de que cada uno de ellos tenía una probabilidad del 50% de tener el defecto genético. Ahora, tenían que decidir: ¿se harían la prueba?

La historia de C9ORF72 comienza con el psiquiatra alemán Anton von Braumühl, quien en 1932 estableció por primera vez el vínculo entre ELA y FTD1. Pero no fue hasta mediados de la década de 2000, cuando se estudió la genética de las grandes familias multigeneracionales afectadas por ambos trastornos, que los investigadores comenzaron a ampliar el brazo corto del cromosoma 9 como portadores del gen de interés. Para 2010, habían reducido la búsqueda a un tramo de 232,000 nucleótidos, diminuto según los estándares genómicos. Pero ninguno de los cuatro genes en esa región contenía mutaciones que alteraran la proteína que pudieran explicar la conexión de la enfermedad.

"Es como si conociéramos la calle, pero no conocíamos la casa exacta", dice Ammar Al-Chalabi, neurólogo y genetista clínico del King's College de Londres.

La carrera fue para encontrar el gen responsable. Al menos cinco equipos de investigación de toda Europa y América del Norte se dedicaron a resolver el problema. Muchos pensaron que sería sencillo. Pero C9ORF72 demostró ser "muy furtivo", dice Ekaterina Rogaeva, genetista molecular de la Universidad de Toronto en Canadá. "Esta región no es fácil de usar".

Un grupo dirigido por Rosa Rademakers, neurogenética de la Clínica Mayo en Jacksonville, Florida, se centró en una familia de tres generaciones en la que diez personas tenían ELA, FTD o ambas. Sin saber qué buscar en los genomas de estos pacientes, "buscamos cualquier cosa que pueda ser sospechosa", dice Rademakers. Eso incluyó la sección de C9ORF72 rica en GGGGCC.

Ella y sus colegas establecieron reacciones en cadena de la polimerasa (PCR) para amplificar esa región y vieron un patrón de herencia inusual: para todos en la familia que tenían una enfermedad neurodegenerativa, la prueba PCR mostró que tenían dos copias idénticas de C9ORF72 cuando deberían haber tenido diferentes variantes.

Era un rasguño de cabeza para Rademakers hasta que se dio cuenta de que el defecto genético era más grande que el límite de tamaño superior que podía leer la PCR. Ella y sus colaboradores recurrieron a una técnica más sensible llamada PCR de cebado repetido y observaron una gran expansión repetitiva, pero solo en los miembros de la familia afectados. Ninguno de sus parientes no afectados lo tenía. Tampoco lo hicieron unos 1,000 controles sanos.

Los investigadores probaron otras 696 personas con ELA o FTD para asegurarse de que esta repetición no fuera exclusiva de la familia que habían estudiado. Efectivamente, encontraron la mutación C9ORF72 en otros 59 individuos no relacionados, incluidos 22 que no tenían antecedentes familiares conocidos de enfermedad neurodegenerativa. Experimentos adicionales mostraron que el estiramiento GGGGCC se repitió al menos 700 veces.

"Wow", recuerda Rademakers pensando. "Esto es algo que es va a tener consecuencias ". Al mismo tiempo, un consorcio internacional dirigido por Bryan Traynor, neurólogo y genetista del Instituto Nacional sobre el Envejecimiento de EE. UU. en Bethesda, Maryland, estaba haciendo el mismo descubrimiento. Traynor fue informado sobre la repetición de la expansión por las deficiencias técnicas de un método de análisis de ADN diferente: la secuenciación de próxima generación.

"Fue un momento increíble sentado frente a esa computadora y sabiendo lo que realmente estaba sucediendo allí", dice. Los dos equipos publicaron sus resultados consecutivamente en septiembre de 2011 en Neuron3,4, superando a otros grupos que todavía estaban en la búsqueda de eso. "Fuimos recogidos", dice Al-Chalabi. "Pero en cierto sentido, nos alegramos de que nos sacaran".

La fertilización in vitro ha permitido a las hijas de Price, Sharon Stone (izquierda) y Jodie Price, evitar transmitir el gen defectuoso a sus hijos. Imagen: Sarah Keayes / The Photo Pitch Tiempos emocionantes

El descubrimiento tuvo un impacto inmediato. La frecuencia del defecto C9ORF72 en pacientes "hizo que todos los que estén seriamente interesados en ELA sientan que deberían trabajar en ello", dice Pamela Shaw, neuróloga de la Universidad de Sheffield, Reino Unido. Brian Dickie, director de desarrollo de investigación en Motor Neurone Disease Association en Northampton, Reino Unido, recuerda haber volado desde Londres a una reunión en los Estados Unidos en septiembre. Pasaron cinco días desde que se publicaron los artículos de Rademakers y Traynor. Varios investigadores y médicos de ELA estaban a bordo y alguien había impreso copias de los manuscritos. "Los estaban pasando por el avión cuando estábamos volando", dice Dickie. "Fue claramente un momento emocionante".

Varios fabricantes de medicamentos se unieron al hallazgo. "Fue difícil ignorar algo como el descubrimiento C9ORF72", dice Brian Zambrowicz, jefe de genómica funcional en Regeneron Pharmaceuticals, una compañía en Tarrytown, Nueva York, que se fundó para combatir las enfermedades neurodegenerativas, pero amplió su estrategia hace 20 años después de su primer candidato a medicamento no pudo ayudar a las personas con ELA. Según Zambrowicz, el descubrimiento de C9ORF72 llevó a la compañía a enfocarse nuevamente en terapias ELA, comenzando con la creación de un modelo de ratón C9orf725. Ionis Pharmaceuticals, que se especializa en terapias antisentido basadas en ARN que pueden desactivar genes causantes de enfermedades, también se movió rápidamente. "Hicimos un plan el día que salieron los periódicos", recuerda Frank Bennett, vicepresidente senior de investigación de Ionis, con sede en Carlsbad, California.

En dos años, Bennett y sus colaboradores académicos habían demostrado que un fármaco antisentido podría reducir los niveles aberrantes de ARNm de C9ORF72 en cultivos celulares. Tenían datos de prueba de concepto en modelos de ratón un poco más de dos años después6. Un candidato a fármaco líder de Ionis está siendo sometido a estudios de toxicología preclínica, y los ensayos en humanos podrían comenzar a principios del próximo año.

Esa velocidad, dice Lucie Bruijn, científica jefe de la Asociación ALS en Washington DC, fue habilitada en parte por la afluencia de investigadores impulsados a deducir el mecanismo por el cual el defecto C9ORF72 causa la enfermedad. La expansión repetida recordó las encontradas en otros trastornos neurodegenerativos, incluida la enfermedad de Huntington, la distrofia miotónica y la ataxia espinocerebelosa. Además, se solapó genéticamente con FTD. Los investigadores que estudian estas enfermedades cerebrales históricamente han trabajado de forma aislada. Después del descubrimiento C9ORF72, se unieron con un propósito común: "De repente, tuvimos un gran número de médicos y científicos interesados en ELA", dice Bruijn. "Eso dio al campo un impulso enorme".

La primera idea acerca de por qué las mutaciones de GGGGCC podrían causar ELA o FTD tuvo menos que ver con la expansión repetida y más con la proteína C9ORF72 normal. Rademakers notó que los niveles de la proteína normal se redujeron en las personas con el defecto del gen. Aunque el papel de la proteína todavía es poco conocido, se cree que está involucrado en el transporte de moléculas dentro de las células. La observación de Rademakers llevó a la sugerencia de que niveles más bajos de C9ORF72 normal podrían estar conduciendo respuestas cerebrales patológicas. Los estudios iniciales parecieron refutar esta hipótesis. Los ratones con poca o ninguna expresión de la proteína C9orf72 en sus neuronas no mostraron comportamientos indicativos de una enfermedad neurodegenerativa, ni sus cerebros tenían los sellos moleculares de ELA o FTD.

Más recientemente, sin embargo, varios equipos han notado defectos inmunes en ratones que carecen de C9orf72 en todos los tejidos. En conjunto, estos resultados indican que los niveles más bajos de C9orf72 en funcionamiento no provocan la degradación de las neuronas, aunque las respuestas inmunes alteradas podrían aumentar la gravedad o la progresión de la enfermedad. "Puede contribuir", dice el neurocientífico Jeroen Pasterkamp en el Centro Médico Universitario de Utrecht en los Países Bajos, "pero junto con otros mecanismos". Sin ganancia, sin dolor. El mecanismo alternativo más obvio es la toxicidad del ARN.

Otras enfermedades causadas por expansiones de repeticiones no codificantes se explican por agregaciones de ARN aberrante en el núcleo que se unen y secuestran proteínas de en otros casos son necesarios para una función celular adecuada. Siguiendo esta hipótesis, el neurocientífico molecular Adrian Isaacs y sus colegas del University College London crearon moscas transgénicas de la fruta para probar si estos agregados causaban enfermedades. Fueron una sorpresa. Las moscas con más de 100 repeticiones de GGGGCC mostraron signos de neurodegeneración mediada por C9ORF72, pero solo cuando el ARN que contenía repetición podía traducirse en una proteína, y no cuando el ARN se intercalaba con señales de detención de la traducción. .

Los agregados de ARN, en otras palabras, no fueron suficientes para causar la enfermedad. Las proteínas pícaras parecían ser los verdaderos impulsores. "Estaba convencido de que las moscas nos dirían que era una toxicidad de ARN", dice Isaacs, "pero cuando vimos los datos, estaba claro que ese no era el caso". Las proteínas que emanan de la expansión de GGGGCC se crean a través de un inusual proceso que no requiere una señal de inicio y puede ocurrir incluso con secuencias repetidas ubicadas en regiones de genes no codificantes.

Laura Ranum, neurogenética de la Facultad de Medicina de la Universidad de Florida en Gainesville, describió por primera vez este fenómeno en 2010, en tejidos de personas con ataxia espinocerebelosa y distrofia miotónica, y en modelos de ratón de estas enfermedades. De acuerdo con Ranum, la comunidad de investigadores inicialmente ignorado en gran medida sus hallazgos. Muchos dudaron de que el mecanismo fuera real. Luego vino el Proteínas vinculantes de ARN en el simposio de Enfermedades neurológicas en noviembre de 2011 en Arlington, Virginia, donde Rademakers y Traynor discutieron C9ORF72 y Ranum habló sobre la forma inusual de traducción de proteínas. Los científicos rápidamente conectaron los puntos. El destructor Edbauer recuerda haberse sentado en la audiencia, escuchando la charla de Ranum y sacando su computadora portátil para ver qué tipo de proteína podría hacer la expansión C9ORF72.

Debido a que la repetición es de seis nucleótidos de largo y la síntesis de proteínas se basa en un código triplete, Edbauer se dio cuenta de que C9ORF72 podría producir un puñado de proteínas diferentes, cada una con dos aminoácidos repetidos una y otra vez. Escribió a máquina cada una de estas proteínas de repetición de dipéptidos potenciales. "Miré a la izquierda y a la derecha para ver si alguien veía lo que hacía", recuerda Edbauer, neurocientífico molecular del Centro Alemán de Enfermedades Neurodegenerativas en Munich. "Pensé que todos debían haber tenido la misma idea, pero aparentemente no".

Quince meses después, en febrero de 2013, Edbauer y sus colegas informaron que estas proteínas se acumulan en el cerebro de personas afectadas por C9ORF729. En cuestión de días, Rademakers y sus colegas de Mayo Clinic, liderados por el neurocientífico molecular Leonard Petrucelli, publicaron hallazgos similares, al igual que la propia Ranum antes de que finalizara el año. Desde entonces, ha aumentado la evidencia de que al menos algunas de estas proteínas repetitivas son "tóxicas uniformemente perversas". ", Dice Paul Taylor, genetista molecular en el Hospital de Investigación de Niños de St. Jude en Memphis, Tennessee. Estas proteínas parecen causar neurodegeneración al gruñir el tráfico de carga molecular entre el núcleo y el citoplasma en las células cerebrales. "El defecto central en C9ORF72 es realmente el transporte nuclear", dice Jeffrey Rothstein, neurólogo de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, Maryland.

Llame a la explicación. Algunos investigadores están ahora dispuestos a echarle la culpa a la enfermedad mediada por C9ORF72 por completo. estas proteínas problemáticas. "No voy a picar las palabras aquí: los poli-dipéptidos tóxicos no contribuyen a la enfermedad, explican la enfermedad", dice Steven McKnight, un bioquímico en el Centro Médico Southwestern de la Universidad de Texas en Dallas. McKnight describe los agregados de ARN y los niveles normales de proteína C9ORF72 como "exhibiciones secundarias". "La evidencia es bastante abrumadora de que es la proteína que es tóxica en estos sistemas modelo simples". Pero la mayoría de los investigadores son más equívocos. "La evidencia es bastante abrumadora de que es la proteína que es tóxica en estos sistemas modelo simples", dice Aaron Gitler, neurocientífico molecular de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford en California. Sin embargo, agrega, "en el contexto de la enfermedad humana podría ser una combinación de factores, y tengo que mantener la mente abierta".

El debate sobre el mecanismo de la enfermedad no es puramente académico: guía el desarrollo de fármacos. Algunas compañías, incluyendo Neurimmune de Zurich, Suiza, y Voyager Therapeutics de Cambridge, Massachusetts, se enfocan solo en bloquear las proteínas repetitivas o prevenir su formación, mientras que otras, como Karyopharm Therapeutics of Newton, Massachusetts, esperan mitigar los defectos en el transporte nuclear sin se dirige directamente a cualquier producto del gen C9ORF72. Pero algunas estrategias terapéuticas, como antisentido, no dependen de lo que realmente sea el mecanismo. Debido a que los medicamentos antisentido pueden interrumpir la producción de ARN y proteínas, no importa cuál es el agente causal en las células cerebrales, dice Paul Bolno, director ejecutivo de Wave Life Sciences en Cambridge, Massachusetts, que está en camino de comenzar las pruebas. una terapia antisentido dirigida a C9ORF72 en pacientes el próximo año.

Un Debido a que puede rastrear los niveles de las proteínas repetidas en el líquido cefalorraquídeo, es sencillo evaluar si el medicamento está funcionando. "Tienes un biomarcador medible", dice Bolno. Dado lo lejos que han llegado los investigadores y las compañías farmacéuticas en tan poco tiempo, es posible que una terapia efectiva para la enfermedad mediada por C9ORF72 esté disponible si más familiares de Mark Price comienzan a tener desarrollar síntomas de neurodegeneración. Haley, su hija más joven, encuentra esa perspectiva alentadora. "Felicitaciones a la comunidad científica", dice ella. Pero le preocupa que los legisladores no estén haciendo lo suficiente para apoyar las medidas preventivas de salud disponibles hoy en día, para ayudar a evitar la enfermedad relacionada con C9ORF72 en primer lugar.

Para propósitos de planificación familiar, Haley y sus hermanas optaron por averiguar su estado C9ORF72 poco después su padre dio positivo. "Desafortunadamente", dice Jodie, la mayor, "fue una mala noticia para todos". Desde entonces, cada hermana ha realizado múltiples rondas de fertilización in vitro con el paso adicional de comprobar que los embriones no tenían el defecto C9ORF72 antes de la implantación. Según ellos, fue una carga emocional, física y financiera para todos, que costó al menos $ 150,000 ($ 120,000). Al final, sin embargo, "fue una confirmación de que la ciencia funcionó, y pudimos deshacernos de la maldición familiar", dice Haley. Jack, el hijo de Sharon, celebró recientemente su tercer cumpleaños, Jodie espera una hija a mediados de noviembre y Haley dos embriones congelados, listos para usar después de su boda el 9 de diciembre DE 2017.

* Elie Dolgin: escritor de ciencia en Somerville, Massachusetts para NATURE Research journal