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Antoni Matilla-Dueñas, Investigador "Miguel Servet" en
Neurociencias del Sistema Nacional de Salud, Jefe de la Unidad de
Investigación Básica, Traslacional y Neurogenética en Enfermedades
Neurodegenerativas, Coordinador de Investigación en Enfermedades
Neurodegenerativas, Departamento de Neurociencias y Servicio de
Neurología, Instituto de Investigación en Ciencias de la Salud Germans
Trias i Pujol (IGTP), Universidad Autónoma de Barcelona, Badalona
(Barcelona), España.
Sinopsis
La ataxia espinocerebelosa tipo 1 (SCA1) es una enfermedad
neurodegenerativa hereditaria de inicio tardío que está caracterizada
por unos grados variables de ataxia del cerebelo, oftalmoplegia, y
neuropatía. SCA1 está causada por los efectos tóxicos inducidos por la
expansión del aminoácido glutamina en la proteína ataxina 1 (Atxn1) que
resulta en una neurodegeneración variable y progresiva del cerebelo,
tronco cerebral, y extensiones espinocerebelosas. Los mecanismos
moleculares y celulares por los que la mutación en SCA1 induce muerte
neuronal son todavía poco claros y no existen tratamientos terapéuticos
efectivos completos. Alteraciones en los procesos de neurotransmisión
sináptica, regulación transcripcional, homeostasis de calcio,
excitoxicidad y señalización del glutamato, y degradación proteica son
algunos ejemplos identificados responsables de la patogénesis molecular
de SCA1. Investigaciones recientes sobre las funciones de la ataxina 1 y
su papel en la regulación transcripcional génica están llevando al
desciframiento de nuevas rutas implicadas como son las reguladas por la
fosfatasa 2A (PP2A), Wnt y receptores nucleares de respuesta a hormonas
retinoidea y tiroidea. Estos datos indican que hay efectos, aunque sean
parciales, negativos dominantes y de pérdida de función de Atxn1
causados por la expansión de glutamina, además de los típicos tóxicos de
ganancia de función, durante los procesos neurodegenerativos. Estamos
empezando a comprender cómo estas respuestas que acontecen en las
neuronas afectadas producen los síntomas clínicos. Este conocimiento nos
está conduciendo al diseño y estrategias terapéuticas efectivas, aunque
de momento aborden un número reducido de síntomas clínicos, como son los
extrapiramidales y el nistagmo. Se presentará un resumen de nuestras
contribuciones más recientes en la investigación de la enfermedad SCA1.
Palabras clave: ataxia espinocerebelosa, SCA1, cerebelo, ataxina 1,
poliglutamina, neurodegeneración, terapia.
Aspectos clínicos, electrofisiológicos y neuropatológicos en SCA1
Las ataxias espinocerebelosas dominantes (SCAs) son un grupo muy
heterogéneo de ataxias de herencia dominante caracterizadas por pérdida
de balance y coordinación motora causadas por disfunción del cerebelo y
del tronco cerebral principalmente, además de sus conexiones aferentes y
eferentes. Los procesos moleculares y celulares que llevan a la
neurodegeneración en las SCAs son todavía poco claros y no hay terapias
efectivas disponibles todavía. De entre las ataxias espinocerebelosas
que estamos trabajando, hablaremos a continuación de la ataxia
espinocerebelosa tipo 1 (SCA1).
La ataxia espinocerebelosa tipo 1 (las siglas en inglés: SCA1; OMIM
#164400) es una ataxia dominante caracterizada por ataxia de la marcha y
otros síntomas clínicos variables que incluyen anomalías motoras
oculares, síntomas piramidales y extrapiramidales (de entre éstos el más
frecuente es la distonía), neuropatía periférica y déficits cognitivos.
SCA1 es una de las ataxias espinocerebelosas que se puede incluir en el
tipo I de las ADCA de acuerdo con la clasificación de Harding. La edad
de inicio es variable, típicamente en la tercera década de vida, pero
puede ocurrir tan tempranamente como son los 4 años o tan tardíamente
como son los 74. En la edad de inicio, los síntomas clínicos consisten
de un síndrome atáxico cerebeloso, signos piramidales (que
frecuentemente preceden la ataxia), y la mayoría de pacientes presentan
oftalmoplegia y anomalías motoras oculares, como son el nistagmo evocado
por la mirada y alteraciones del reflejo ocular vestibular, y amplitud
incrementada de sacadas a una velocidad normal. A medida que la
enfermedad progresa aparecen otros signos clínicos como son la disfagia,
disfonía, atrofia de la lengua, pérdida sensorial, y neuropatía axonal
motora periférica, pes cavus, amiotrofia y las fasciculaciones. Algunos
pacientes presentan distonía, que es el síntoma extrapiramidal más
frecuente y raramente la rigidez, el temblor y la corea. Estos síntomas
aparecen en las fases más avanzadas de la enfermedad y en la mayoría de
pacientes responden al tratamiento con levodopa y agonistas
dopaminérgicos. Un número elevado de pacientes presentan alteraciones de
las funciones ejecutivas cognitivas.
Ha habido varios estudios exhaustivos para identificar
características electrofisiológicas distintivas en diferentes subtipos
de SCAs. En SCA1, los potenciales evocados motores (MEP) presentan
frecuentemente afectación subclínica en los tractos espinocerebelosos.
Casi la totalidad de los pacientes con SCA1 presentan tiempos de
conducción motores centrales (CMCT) y periféricos (PCMT) en las
extremidades inferiores y superiores prolongados.
Los síntomas neurológicos en SCA1 se producen por una pérdida progresiva
de neuronas en el cerebelo, como son los núcleos dentados, las células
de Purkinje (estas presentan deformaciones axonales torpedo), las
células grano y los pedúnculos cerebelosos medios. También degeneran
neuronas en el tronco cerebral, principalmente en la protuberancia y las
olivas inferiores, y de los núcleos mesencefálicos para los pares de
nervios craneales tercero y cuarto. Además, se observa una
desmielinización frecuente en las columnas posteriores y los tractos
espinocerebelosos.
La expansión del aminoácido glutamina en la proteína ataxina 1 es
responsable de SCA1
SCA1 está causada por la expansión del aminoácido glutamina en la
proteína ataxina 1 (Atxn1) como consecuencia de la expansión del
triplete CAG (a partir de 40 repeticiones) en la zona codificante del
gen SCA1 que se encuentra localizado en el brazo corto del cromosoma 6.
Las primeras neuronas afectadas son las células de Purkinje de la
corteza cerebelosa cuya pérdida progresiva se manifiesta en forma de
atrofia cerebelosa progresiva que se detecta mediante técnicas de
neuroimagen con resonancia magnética en pacientes con la enfermedad. La
repetición CAG en el gen SCA1 es altamente polimórfica en los individuos
sanos y el número comprende entre 9 y 39. En los pacientes con SCA1, la
repetición se expande a partir de 41 repeticiones. Las expansiones más
largas resultan en una edad de inicio más temprano de la enfermedad y
unas manifestaciones clínicas más severas. La repetición CAG codifica el
aminoácido glutamina, y el fenotipo clínico se produce por las
expansiones de glutamina en la proteína ataxina 1. SCA1 pues se incluye
en el grupo de las poliglutaminopatías como la enfermedad de Huntington,
la atrofia dentatorubropalidoluisiana, la atrofia espinobulbar de
Kennedy, y las ataxias espinocerebelosas 2, 3, 6, 7, y 17. Se sabe que
mecanismos moleculares subyacentes comunes son responsables de la
neurodegeneración en este grupo de enfermedades.
Mecanismos celulares y moleculares que causan neurodegeneración en
SCA1
Los mecanismos celulares y moleculares que causan neurodegeneración en
SCA1 son todavía poco claros. Los estudios genéticos en moscas y ratones
con SCA1 han demostrado que la enfermedad se produce por mecanismos
tóxicos de ganancia de función debido a que los ratones que no presentan
ataxina 1 no desarrollan ataxia ni signos de neurodegeneración. Los
ratones atáxicos con la expansión de glutamina en la ataxina 1 han
mostrado que la enfermedad no es producida por muerte celular per se,
sino por disfunción neuronal y alteraciones morfológicas que ocurren en
unos estadios iniciales anteriores a la aparición de ataxia y pérdida
neuronal. A nivel microscópico, las primeras alteraciones morfológicas
que se observan en las células de Purkinje en pacientes y ratones con
SCA1 son la pérdida de arborizaciones dendríticas. Estas pierden
complejidad por la disminución del número de ramas y espinas proximales.
Estos componentes de las neuronas son imprescindibles para recibir la
información sináptica. Una de las alteraciones microscópicas iniciales
detectadas es la presencia de vacuolas en el cuerpo celular de la
neurona de Purkinje. Estas vacuolas podrían tener un origen autofágico y
presentan restos intracelulares procedentes de las células gliales de
Bergmann adyacentes. A medida que la enfermedad avanza, se observa
gliosis (invasión de células gliales, principalmente de Bergmann) y
pérdida de arborización dendrítica en la capa molecular de la corteza
cerebelosa donde se distribuyen algunas células de Purkinje
heterotópicas. Se detectan también en las neuronas agregados
intranucleares que son inmunoreactivos por la presencia de ataxina 1 y
ubiquitina. Finalmente las neuronas se van perdiendo y en fases más
avanzadas, encontramos pocas células de Purkinje y una clara atrofia
cerebelosa.
Estas observaciones con el microscopio permiten diferenciar
claramente dos fases de progresión de la enfermedad: una fase temprana
durante los 3 primeros meses de vida caracterizada por la ausencia de
ataxia y síntomas neurológicas pero con alteraciones morfológicas
neuronales tempranas importantes en el cerebelo (pérdida de dendritas y
espinas proximales, vacuolización citoplasmática e invaginaciones de la
membrana de la célula de Purkinje) y una fase tardía caracterizada por
ataxia y déficits motores, de balance, y de postura acompañadas por
pérdida significativa del número de neuronas de Purkinje, atrofia
cerebelosa, y presencia de agregados intranucleares. Estos hallazgos
también ocurren en pacientes humanos.
Parece ser que las propiedades electrofisiológicas basales de las
células de Purkinje (PC) en los ratones transgénicos de SCA1 son
similares a las de los ratones control. Esto se presenta a pesar de que
las diferencias moleculares y morfológicas tales como la presencia de
inclusiones intranucleares en las PC enfermas y al hecho de que los
niveles de algunas moléculas regulatorias importantes de las rutas del
calcio y glutamato difieren en los ratones enfermos y sanos. Tampoco se
encontraron diferencias electrofisiológicas de transmisión sináptica
entre las PC y las fibras paralelas de las células grano ni en las
sinapsis de las PC y las fibras trepadoras. Por el contrario, las
propiedades electrofisiológicas en las neuronas piramidales del
hipocampo están alteradas en los ratones atáxicos. Estas podrían
explicar algunos déficits cognitivos en SCA1.
La mutación en la proteína ataxina 1 produce un cambio de conformación y
plegamiento en la proteína nativa, cambio que induce una exposición de
los aminoácidos hidrofóbicos y la formación de agregados insolubles en
el núcleo compuestos por además de la proteína mutada, chaperonas y
componentes del proteasoma, todas ellas produciendo alteraciones
celulares estresantes que producen disfunción neuronal y a la larga
muerte celular. Parece ser que la acumulación nuclear de la proteína
mutada es crucial en estos procesos neurodegenerativos, probablemente a
través del secuestro de factores importantes mediante interacciones
proteicas aberrantes impidiendo que realicen sus funciones normales
biológicas. Algunos de estos factores secuestrados por la proteína
mutada como es Anp32a/Lanp presenta una expresión espacial y temporal
restringida a las células que degeneran en SCA1, como son principalmente
las células de Purkinje del cerebelo, células de la protuberancia y del
tronco cerebral y neuronas de la corteza. Esta selectividad en el
sistema nervioso central explicaría la especificidad celular de los
procesos neurodegenerativos. La expansión de poliglutamina también
estabiliza la proteína mutada en comparación con la forma salvaje que
produce su acumulación y fibrilación.
Las funciones biológicas de la ataxina 1
La proteína ataxina 1, que es responsable de causar SCA1, tiene un
tamaño de 90 kilodaltons y presenta una amplia distribución celular. Se
localiza en el núcleo de las neuronas en los tejidos nerviosos y en el
citoplasma en las células de los tejidos periféricos. En las neuronas de
Purkinje presenta una distribución en el núcleo y en el citoplasma. Se
distinguen dos dominios diferenciados en la proteína. En la región amino
terminal se encuentra la secuencia de glutaminas mientras que en la
región opuesta, la carboxilo terminal, se identifica el dominio AXH que
es un dominio que participa en la interacción con proteínas. Muy cerca
de este domino también se identifica un sitio de fosforilación por la
proteína kinasa B, también conocida como proteína kinasa AKT, y un sitio
próximo que localiza a la proteína en el núcleo celular. La deficiencia
de la ataxina 1 en el ratón produce déficits del cerebelo (estructura
nerviosa responsable de coordinación motora) y del hipocampo
característicos e importantes, que demuestra que la proteína es
necesaria para la correcta función de estas dos estructuras nerviosas.
Estudios recientes demuestran que la ataxina 1 es un co-regulador de la
transcripción génica.
La ataxina 1 regula programas genéticos implicados en las funciones
motoras
A nivel molecular, la ataxina 1 juega un papel importante en la
regulación de la transcripción de genes que participan en programas de
control motor en el cerebelo y en otras regiones del cerebro humano.
Entre éstos programas se incluyen los regulados por las rutas de Wnt y
los receptores de hormonas y señalización intracelular. Esto es muy
interesante ya que estos programas genéticos están desregulados en SCA1
y probablemente también en otros tipos de ataxia ya que hay evidencias
que rutas moleculares comunes están afectadas en la mayoría de las
ataxias hereditarias, tanto de aquellas que se heredan con un patrón
recesivo así como dominante. En concreto, los datos científicos indican
que la ataxina 1 ejerce de co-regulador de la transcripción de genes que
son diana de las hormonas retinoidea y tiroidea en el cerebro. Estas
hormonas tienen un papel muy importante en los mecanismos de desarrollo
y diferenciación de ciertos tipos de neuronas y partes del cerebro,
incluido el cerebelo, y creemos que defectos en estos mecanismos de
regulación neuronal podrían inducir disfunciones tempranas en las
neuronas donde la ataxina 1 actúa: principalmente en el cerebelo, en el
tronco cerebral, en el mesencéfalo y los ganglios basales. Sabemos que
estas regiones nerviosas son imprescindibles para el control de las
funciones motoras en vertebrados superiores. En particular, hay una
desregulación del sistema de neurotransmisión dopaminérgica en SCA1 ya
que deficiencias en la función de la ataxina 1 producen reducciones
severas del receptor de la dopamina tipo 2, que es el receptor
dopaminérgico que tiene más afinidad por el neurotransmisor dopamina.
Deficiencias en el sistema dopaminérgico son responsables de los
síntomas extrapiramidales en las ataxias espinocerebelosas y otras
enfermedades neurodegenerativas motoras como son las enfermedades de
Parkinson y de Huntington. Estos descubrimientos están llevando al
tratamiento con éxito de pacientes con algunas ataxias espinocerebelosas,
en concreto con SCA2, SCA3, SCA6, SCA17 y DRPLA, con levodopa y
agonistas dopaminérgicos para paliar algunos síntomas, como el
parkinsonismo y la distonia. Si identificamos todos los genes cuya
expresión es regulada por ataxina 1 para realizar un cartografiado
exacto de todos los programas genéticos expuestos que podrían producir
ataxia, obtendremos marcadores moleculares para cada tipo de ataxia que
podrán ser dianas y objetivos terapéuticos.
Hacia terapias efectivas para SCA1
Aunque no hay todavía fármacos ni tratamientos efectivos para SCA1 u
otras ataxias espinocerebelosas dominantes se han realizado algunas
aproximaciones de intervenciones terapéuticas en algunas SCAs que
podrían ser de utilidad para SCA1. De entre ellas la más prometedora es
la que se está realizando con litio. Los resultados obtenidos tras
administrar litio en los ratones SCA1 son muy esperanzadores y
prometedores para la mejora de los síntomas atáxicos en pacientes con
SCA1 y otras ataxias siempre cuando se alivien los problemas de
toxicidad asociados que conlleva. El resto de intevenciones realizadas
si bien no palian todos los síntomas neurológicos si que alevian algunos
de ellos.
El uso de levodopa y agonistas dopaminérgicos se está empleando con
éxito para tratar la distonia y otros síntomas extrapiramidales en SCA1
y otras ataxias como SCA2, SCA3, SCA17 y DRPLA. Otras estrategias que
podrían ser aplicadas a la SCA1 por su eficacia probada en algunos
ensayos realizados hasta la fecha se detallan a continuación. El temblor
de intención se podría aliviar con benzodiazepinas, bloqueadores beta, o
mediante estimulación talámica crónica. Los datos preliminares de un
reciente ensayo abierto con gabapentina han mostrado mejora de los
síntomas cerebelosas en pacientes con ataxia mediante el aumento de la
concentración del neurotransmisor GABA en el sistema nervioso central y,
así, estimulando la neurotransmisión GABAérgica, que está claramente
menguada en las células de Purkinje de SCA1. Las chaperonas químicas y
moleculares previenen la toxicidad bloqueando las interacciones
impropias de la proteína, facilitando la degradación de las proteínas
enfermas, o bloqueando eventos de señalización que llevan a la
disfunción neuronal y apoptosis. El congo Red, la tioflavina S,
crisamina G, y el "Direct Fast" han mostrado eficacia suprimiendo la
agregación en estudios de laboratorio. Algunos compuestos moleculares,
como el solvente orgánico dimetilsulfóxido (DMSO) y el osmolito celular
glicerol, el trimetilamina N-óxido y trehalosa, aumentan la estabilidad
de las proteínas en su estructura nativa; pues son conocidos como
chaperonas químicas en base a su influencia en el plegado de la
proteína. La trehalosa fue identificada en una monitorización in vitro
como inhibidor de la agregación polyQ, y su administración reduce la
atrofia del cerebro, mejora la disfunción motora en ratones con
problemas motores. Más recientemente, se ha identificado en ensayos
usando células-libres, una nueva generación de pequeños compuestos
químicos dirigidos directamente a la agregación polyQ sin citotoxicidad
significativa. Por un mecanismo diferente, una pequeña molécula que
actúa como un co-inductor de la respuesta de choque de temperatura
prolongando la actividad de factor de transcripción de HSF1, el
arimoclomol, mejora significativamente los fenotipos de comportamiento,
previene la pérdida neuronal, prolonga la supervivencia y ralentiza la
progresión de la enfermedad, en un modelo del ratón con. Similarmente,
la activación de la respuesta de choque de temperatura con geldanamicina
inhibe la agregación y previene la muerte celular en ensayos de
laboratorio. Esto sugiere que la activación farmacológica de la
respuesta cellular de choque de temperatura puede, por consiguiente ser
un acercamiento terapéutico eficaz para tratar las enfermedades
neurodegenerativas. Los compuestos dirigidos a modular la función
mitocondrial como la coenzima Q10, creatina y el ácido
taurousodeoxicólico (TUDCA), o a la autofagia, como el inhibidor mTor
rapamicina y su varios, están mostrando eficacia en la reducción de la
toxicidad celular en modelos animales, y actualmente está probándose en
ensayos clínicos. La activación de caspasa, la cual normalmente precede
a la muerte neuronal y celular puede ser objetivo con inhibidores de
caspasa, como zVAD-fmk, CrmA, cistamina, FADD DN, y minociclina. Éstos
se han mostrado eficaces para prevenir la progresión de la enfermedad,
retrasar el inicio de los síntomas, y extender la supervivencia en
varios modelos de ratónes con síntomas neurodegenerativos. Otros agentes
promueven la eliminación de proteínas mutadas en el Sistema Nervioso
Central con bloqueadores de señalización de Ca2+, como los inhibidores
específicos subunidad-NR2B de los receptores N-metil-D-aspartato de
glutamato, y bloqueadores del receptor metabotrópico glutamato mGluR5, y
del inositol 1,4,5-trisfosfato InsP3R1, pueden ser beneficiosos para el
tratamiento de SCA1 y otras ataxias. También podrían ensayarse
acercamientos terapéuticos por la vía ubiquitina-proteasoma, retardando
la agregación de ataxina 1 mutada y reforzando los efectos deletéreos
asociados con la degradación de proteínas tóxicas.
El papel que la ataxina 1 juega en la transcripción génica y, más
importante, la supresión de los efectos citotóxicos mediada por algunos
de sus reguladores co-transcripcionales se podría usar para modular los
efectos patológicos de la ataxinas expandida, abriendo camino para
nuevas estrategias terapéuticas en el tratamiento de SCA1. El reciente
progreso investigador en HDAC ha hecho posible el desarrollo de
inhibidores específicos de la familia de proteínas HDAC, y estos
compuestos podrían ser candidatos eficaces para el tratamiento de la
ataxia espinocerebelosa. Las estrategias neuroprotectoras dirigidas a
los defectos específicos bioenergéticos podrían significar una promesa
particular en el tratamiento de las condiciones espinocerebelosas. La
neuroproteción por el factor de crecimiento insulínico IGF-1 regulando
la vía de señalización PI3K/Akt levanta su posible potencial para
detener la neurodegeneración cerebelosa. Aunque los resultados
preliminaries con IGF-1 en ratones atáxicos son algo decepcionantes, es
prematuro todavía descartarlo para los tratamientos de SCA1 y otros
tipos de ataxia. Otras aproximaciones terapéuticas son los reguladores
de las hormonas tirodeas y retinoideas para prevenir los síntomas
clínicos en ratones atáxicos. Estos estudios son preliminares pero a la
vez muy prometedores.
Las aproximaciones de terapia génica y celular son considerados para el
tratamiento de neurodegeneraciones espinocerebelosas. Estas estrategias
han mostrado su eficacia tratando la neurodegeneración en la enfermedad
de Parkinson y en la esclerosis lateral amiotrófica.
Conclusiones
Estamos avanzado enormemente en el conocimiento de los mecanismos
moleculares que causan la ataxia espinocerebelosa tipo 1 y otro tipos de
ataxias, y ya hemos identificado distintas rutas moleculares que
producen los síntomas clínicos. Los siguientes retos consisten en tratar
simultáneamente varias dianas en diferentes rutas moleculares para
prevenir la neurodegeneración y conservar la función neuronal. También
sabemos que rutas celulares comunes producen diferentes tipos de ataxia,
tanto recesivas como dominantes. Estos avances nos están permitiendo
entender cómo la disregulación de estas vías media en la progresión de
los síntomas atáxicos y nos está llevando a establecer estrategias
terapéuticas eficaces, las cuales serán beneficiosas en el tratamiento
de las ataxias espinocerebelosas a corto plazo.
Agradecimientos
Antoni Matilla Dueñas es Investigador Miguel Servet en Neurociencias del
Sistema Nacional de Salud. Sus líneas de investigación en la ataxia
espinocerebelosa tipo 1 están financiadas actualmente por el Ministerio
de Ciencia e Innovación (MICINN, BFU2008-00527), el Instituto de Salud
Carlos III (CP08/00027), y la Comisión Europea (proyecto EUROSCA, LHSM-CT-2004-503304).
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