El 4 de diciembre visité la Clínica para Niños Especiales en el corazón de la región holandesa de Pensilvania, donde un diminuto personal atiende a más de 2000 pacientes con diversas enfermedades hereditarias. El post de la semana pasada describía a una familia en la que 5 de sus 6 hijos tienen un trastorno convulsivo que incluye rasgos autistas. La investigación de este síndrome en los últimos 15 años ilustra maravillosamente la evolución de los métodos de descubrimiento de genes antes de que la secuenciación nos catapultara a una nueva era tecnológica. (Advertencia: jerga por delante.)
CONECTANDO EL FENOTIPO CON EL GENOTIPO
Hoy en día, para identificar el gen que está detrás de una afección no diagnosticada en un niño, los investigadores comparan las secuencias del exoma (parte del genoma que codifica proteínas) de los padres y, posiblemente, de los hermanos para identificar las variantes genéticas causantes (alelos). Es rápido.
En la era pregenómica, los investigadores siguieron una trayectoria indirecta para llegar del fenotipo al genotipo:
– Observar que los síntomas «son hereditarios».
– Descubrir que la afección es más común entre gemelos idénticos que fraternos, y entre los hermanos de los pacientes que en la población general.
– Identificar cromosomas anormales en personas con la afección.
– Utilizar estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) para identificar patrones de variación genética (en conjuntos de sitios de una sola base denominados polimorfismos de un solo nucleótido, o SNP) que podrían señalar una variante causante de la enfermedad.
– Identificar el gen y crear un modelo de ratón para probar los tratamientos.
Cuando los amish abandonaron Suiza a principios del siglo XVIII para escapar de la persecución religiosa y se establecieron en Pensilvania, trajeron una muestra de la reserva genética europea. La reproducción entre ellos amplificó las mutaciones y dio lugar a «carreras de autocigosidad» en sus genomas: secciones de cromosomas que tienen las mismas secuencias de ADN en ambas copias. Los tramos de autocigosidad indican que dos parientes heredaron conjuntos de variantes genéticas de un ancestro compartido, como los primos segundos de un bisabuelo. Estos alelos, denominados «idénticos por descendencia» (IDB), constituyen una poderosa herramienta para el descubrimiento de genes si aparecen exclusivamente en personas que padecen la misma enfermedad.
LA CONEXIÓN AMISH
El niño que conocí en la Clínica y 4 de sus 5 hermanos padecen el síndrome de displasia cortical-epilepsia focal (CDFE). Surge de una única base de ADN que falta en un gen llamado CNTNAP2.
Como muchas historias de descubrimiento de genes, el hallazgo de que las mutaciones en CNTNAP2 están detrás de una variedad de condiciones cerebrales – autismo, convulsiones, esquizofrenia, síndrome de Tourette y trastornos del lenguaje – comenzó con diferentes hilos. Centrémonos en la conexión con el autismo.
Incluso las técnicas genéticas más antiguas demuestran un componente hereditario en el autismo. Los gemelos idénticos tienen muchas más probabilidades de padecerlo ambos que los gemelos fraternos; los hermanos de un niño con autismo tienen un riesgo 75 veces superior al de la población general.
En 1998, el Consorcio Internacional de Estudio Genético Molecular del Autismo utilizó GWAS para identificar 6 regiones en el genoma que se relacionaban con las personas que tienen autismo – el principal contendiente estaba en el brazo largo del séptimo cromosoma más grande, o «7q.»
En 1999, los investigadores implicaron a CASPR2, un tipo de proteína llamada neurexina que, cuando es anormal, interrumpe el envío de un impulso nervioso. Las neurexinas se alinean con otras proteínas denominadas neuroliginas para crear las sinapsis que se forman cuando un niño pequeño comienza a explorar el mundo, consolidando la memoria en el aprendizaje.
En 2003 se informó de la existencia de cromosomas reordenados que alteran el gen que codifica la CASPR2, CNTNAP2, en personas con síndrome de Tourette y, en 2007, en personas que tienen discapacidad intelectual, retraso en el desarrollo, alteraciones del habla e hiperactividad, pero no Tourette. Estas diferentes afecciones no son sorprendentes: los efectos varían en función del lugar del cerebro en el que se desequilibran los niveles de neurexina.
En 2006, los investigadores de la Clínica para Niños Especiales y el Instituto de Investigación Genómica Traslacional emparejaron una mutación en CNTNAP2 con el síndrome CDFE en niños amish estrechamente relacionados. Las convulsiones comienzan más o menos a la edad en que suelen aparecer los rasgos autistas: entre los 14 y los 20 meses.
Antes de que comiencen las convulsiones, los síntomas del CDFE son sutiles: retrasos motores menores, reflejos tendinosos profundos deficientes y cabezas ligeramente grandes. Los niños tienen dificultades para concentrarse, imitar a las personas y planificar los movimientos, como gatear, andar y caminar. Las convulsiones son frecuentes y severas, y su aparición anuncia el declive de las habilidades lingüísticas, cognitivas y sociales. Al cabo de varios años, las convulsiones cesan, pero el intelecto sigue estancado en la infancia y el individuo requiere cuidados de por vida.
El Dr. Kevin Strauss, el Dr. Erik Puffenberger y el Dr. Holmes Morton, de la Clínica, y sus colegas, utilizaron dispositivos de microarray de 100.000 SNP para analizar el ADN de cuatro niños con síndrome CDFE de tres familias amish. Encontraron una región autocigótica de 7,1 millones de bases en la zona sospechosa de 7q. (Hoy en día los algoritmos detectan rápidamente la autocigosidad en las secuencias del exoma.)
Los 7,1 millones de bases incluyen 83 genes, pero sólo unos pocos tenían sentido. El equipo secuenció primero un gen llamado CENTG3 conocido por causar otros trastornos cerebrales. Pero los niños enfermos no tenían mutaciones en él.
Entonces el Dr. Puffenberger, el genetista del equipo, encontró un atajo: observó un SNP en el centro de CENTG3 que era heterocigoto en dos niños (dos variantes diferentes), en lugar de homocigoto (la misma variante en ambas copias cromosómicas), lo que marcaba el fin de la región idéntica por descendencia. «Un evento de recombinación en medio del gen permitió a Eric deshacerse de gran parte de él para encontrar la mutación. Es un ejemplo perfecto de ‘el azar favorece a la mente preparada'», me dijo el Dr. Morton. Ese descubrimiento redujo la región de interés en 7q a 3,8 millones de bases.
El segundo gen candidato, CNTNAP2, está a caballo entre la región de interés. A cada niño le faltaba una sola base de ambas copias del cromosoma 7 allí, y cada padre tenía la misma mutación, pero en una sola copia. Son portadores. Era la primera ley de Mendel en funcionamiento.
El equipo había encontrado su gen. Luego buscaron más en la comunidad, y entre 105 amish sanos, cuatro eran portadores. Nueve de los 18 pacientes que sufrían convulsiones parciales pero no tenían un diagnóstico específico, de 7 familias, tenían el síndrome CDFE.
Las convulsiones eran desconcertantes. «Una mutación puede causar diferentes tipos de convulsiones. Cuatro niños de una familia responden de forma diferente. Algunos son muy discapacitados, otros no están muy afectados», dijo el Dr. Morton. Tres niños fueron operados para aliviar las convulsiones, pero el alivio no duró. Sin embargo, las cirugías proporcionaron muestras de tejido cerebral que permitieron a los investigadores describir mejor lo que estaba fallando.
La conectividad en los cerebros propensos a las convulsiones es un desastre. Los límites de la materia gris y la materia blanca se difuminan, y algunas partes de la corteza cerebral están engrosadas. Las propias neuronas no están del todo bien. Son demasiado redondas, demasiado apretadas, con árboles dendríticos desordenados. Los puntos en las neuronas indican que hay demasiados núcleos de glía, las células de apoyo que componen la mayor parte del sistema nervioso. El informe de la investigación de 2006 fue muy poético y describió la amígdala, la sede de las emociones, en los cerebros epilépticos como «islas microscópicas excéntricas de precursores neuronales parcialmente madurados en racimos apretados» cubiertos por una glía desbocada.
El retrato del cerebro epiléptico Amish tiene sentido a la luz del trabajo sobre la proteína neurexina CASPR2 (que significa proteína asociada a la contactina 2). La neurexina forma un andamiaje en los nodos de Ranvier. Los nodos son los lugares expuestos en un axón entre almohadas de mielina, el material aislante que en realidad son las membranas celulares de la glía que envuelven la neurona como una tirita alrededor de un dedo. Los impulsos nerviosos atraviesan los nodos, enviando mensajes lo suficientemente rápido como para mantener la vida.
Las proteínas CASPR2 de los niños Amish están atrofiadas. No atraviesan las membranas de las células neuronales y se sumergen en el citoplasma como deberían, y como resultado los canales de potasio cercanos se colapsan. Estos canales normalmente permiten que los iones de potasio se precipiten fuera de las células nerviosas cuando pasa un impulso, restableciéndolo. Así que sin el andamiaje de la neurexina, la neurona no puede reiniciarse. La transmisión se detiene. Y, de alguna manera, comienzan las convulsiones. No creo que se sepa si las convulsiones inducen los rasgos autistas o surgen directamente – más estudios genéticos deberían indicarlo.
UN MODELO DE RATÓN
Daniel Geschwind, doctor y profesor de neurología en la Facultad de Medicina David Geffen de la UCLA, estaba trabajando en los genes del autismo, y leyó el artículo de 2006 en el New England Journal of Medicine. «Me llamó y me dijo: ‘¡has encontrado mi gen! Comenzó una bonita colaboración y creó un ratón con la mutación Amish», dijo el Dr. Morton. Los ratones tienen el gen CNTNAP2 eliminado y, al igual que las personas, presentan convulsiones y rasgos autistas.
«Un ratón suele correr por la jaula, normalmente social y parlanchín. Estos ratones no eran ninguna de las dos cosas», explicó el Dr. Morton. Los ratones también mostraban comportamientos repetitivos y tenían convulsiones.
Los cerebros de los ratones mutantes mostraban un patrón de conectividad anormal que recordaba el trabajo histológico anterior. «La parte frontal del cerebro habla sobre todo consigo misma. No se comunica tanto con otras partes del cerebro y carece de conexiones de largo alcance con la parte posterior del cerebro», dijo el Dr. Geschwind. El grupo había mostrado anomalías similares en los cerebros de los niños con autismo.
La sorprendente similitud entre los niños amisitanos y los ratones ofrece un campo de pruebas para los fármacos. La risperidona, prescrita para tratar los comportamientos repetitivos en los niños, tuvo el mismo efecto en los ratones, al tiempo que mejoró su capacidad de construcción de nidos. Pero el fármaco no ayuda a los niños a socializar.
Un fármaco candidato obvio para mejorar las habilidades sociales es la «hormona del amor», la oxitocina. Es abundante en las mismas neuronas del cerebro que son ricas en la proteína CASPR2. ¿Podría un exceso de oxitocina causar rasgos autistas? Los resultados de la administración de suplementos de oxitocina son prometedores, tanto en ratones como en niños.
El Dr. Geschwind y sus colaboradores descubrieron que un spray nasal de oxitocina «mejora drásticamente los déficits sociales» en los ratones. Dado que los ratones no autistas no respondieron, la hormona parece compensar el déficit.
Los granjeros amish ya administran oxitocina a las vacas para contraer sus músculos uterinos, y recuerdo haberla obtenido para acelerar un parto estancado. Pero no lo intentes en casa. Hay varios ensayos clínicos en marcha sobre la oxitocina o los fármacos que potencian su actividad en el cerebro para mejorar la socialización en niños con autismo.
Autism Speaks financió el primer ensayo clínico de oxitocina en 2010, y los NIH están patrocinando un ensayo más amplio en curso sobre el spray nasal de oxitocina. Pero por lo que puedo decir, los pacientes fueron inscritos sobre la base de los diagnósticos clínicos de acuerdo con el DSM-IV – no el criterio más específico del genotipo.
Aunque la idea de probar la oxitocina para mejorar los síntomas sociales en el autismo no requería conocer la mutación subyacente, tal información puede añadir precisión a cualquier conclusión teniendo en cuenta el mecanismo – que puede conducir a desarrollar otros tratamientos. En otra entrada analizaré cómo la precisión genética permitió al Dr. Morton desarrollar curas para ciertos errores innatos del metabolismo que son mucho más comunes entre los amish, pero que siguen apareciendo en los análisis de los recién nacidos de todo el mundo.