La atrofia muscular espinal o AME es una enfermedad genética de tipo autosómica recesiva que afecta de media a uno de cada 10.000 nacimientos. Sin embargo, la frecuencia de portadores del alelo o alelos causantes es muy elevada y depende del grupo étnico, aunque se estima en aproximadamente 1 de cada 40 personas.
La principal causa de AME es por delecciones homozigotas del gen SMN1. Desde hace tiempo se conoce que un gen muy parecido, SMN2, ayuda a modular la gravedad de la enfermedad, de modo que a mayor número de copias de éste, menor es la gravedad gracias a estos moduladores genéticos.
Pero existen otros moduladores genéticos que llevan a que la enfermedad sea mejor de lo esperado o peor de lo que se esperaría en base solo al número de copias de SMN2. En este artículo hablamos de ellos, y del conocimiento actual sobre esta compleja enfermedad genética.
Los genes SMN: causa y modulación de AME
Ya en 1995 se mapearon los genes SMN1 y SMN2 en la región 5q13. Mientras que el gen SMN1 es telomérico, el SMN2 es centromérico. A pesar del extenso debate, los últimos estudios posibilitados por tecnologías como la secuenciación masiva (NGS) parecen demostrar que se encuentran en la misma orientación, no en sentidos opuestos.
Ambos genes proceden de un fenómeno de duplicación reciente en la evolución y poseen un total de 9 exones (con el exón 2 subdividido en 2a y 2b) siendo prácticamente iguales, salvo por una serie de variantes parálogas (PSVs) que los hace únicos: 15 cambios de nucleótido y 1 indel. En la literatura muchas veces se describen los 5 principales, porque se tienen en cuenta tan solo los de exones 7, intrón 7 y exón 8 (véase figura 1).
Precisamente una variante PSV c.840 C>T en el exón 7 de SMN2 hace que un sitio que era diana de un potenciador (enhancer) de splicing ya no exista, y que en su lugar se genere un sitio de inhibición de splicing, por lo que el exón 7 de SMN2 se salta, no está presente y casi no se genera proteína funcional, aproximadamente un 10-20 % de ésta.
Esto anterior lleva a que una persona afectada con AME con 0 copias de SMN1 pueda tener un fenotipo aliviado por compensación funcional mediante SMN2. Si tiene AME tipo 1 (el más grave) tendrá dos copias en general de SMN2, si es tipo 2, tendrá tres copias SMN2, y si es tipo 3 o 4 tendrá cuatro copias o más de SMN2. Pero esta asociación entre copias y fenotipo no es siempre tan obvia, y está en continua revisión: hay casos que son más o menos graves de lo esperado.
¿Por qué ocurre esta variabilidad entonces? Pues bien, es debida a otros moduladores, que pueden influir junto con las copias de SMN2. Pero antes es importante conocer del origen de esta inestabilidad genómica.
Posible explicación a la inestabilidad del locus SMN
De momento en lo poco que llevamos de artículo ya hemos podido ver que SMN1 se puede perder, y que SMN2 puede tener 2, 3, 4 o más copias. ¿Cómo es posible semejante inestabilidad genómica? Veréis más adelante que no es lo único que ocurre en esa región cromosómica: delecciones parciales de solo unos exones (frecuentes los 7 y 8, tanto en un gen como en otro), genes híbridos con diferentes puntos de unión y no siempre los mismos son algunos ejemplos.
Se ha propuesto, e incluso demostrado en casos particulares, que los elementos Alu son causantes de todas estas pérdidas y ganancias. Los Alu son un tipo de SINES, o secuencias repetidas cortas, que son grandes contribuyentes en la recombinación homóloga no alélica, los CNV (variación del número de copias) y causa de diferentes enfermedades.
De modo muy interesante, un 40% de la extensión de los genes SMN está ocupado en total por unas 60 secuencias Alu, incluido el promotor. En un importante estudio, se llegó a implicar una secuencia Alu del intrón 7 en la delección de exones 7 y 8, una delección que, por cierto, se encuentra en un 20% de población caucásica.
Esta región SMN se presta al estudio, cualquier biólogo molecular está fascinado por ella. Y es que, como se puede ver en la figura 1 anterior, existen otros 2 genes, llamados NAIP1 y NAIP2, uno telomérico junto a SMN1, el otro centromérico junto a SMN2. De momento, deciros que le ocurre algo similar que a SMN1 y 2: ambos NAIP son parálogos y NAIP1 tan solo, de modo similar a como hace su vecino SMN1, retiene el exón 5. Y sí, existe una asociación con la gravedad: La delección de este exón 5 es más común en AME tipo I, el más grave.
SMN2, el modulador genético principal
Ya hemos visto que, a mayor número de copias SMN2 en un paciente AME con 0 copias de SMN1, mejor es el estado. Pero hay variaciones menores, que hacen que el fenotipo sea mejor, o peor de lo esperado (Butchbach et al. 2021):
- La mutación c.859G>C se puede dar en exón 7 de SMN2. Esta crea un nuevo sitio de splicing, y se ha descrito más inclusión del exón 7 en estos transcritos (40-70% más). Tiene además efecto aditivo: a mayor número de copias SMN2 con esta variante, mejor fenotipo todavía.
- Otra mutación es 835-44 A>G, en intrón 6, que se ha visto incrementa en un 20% la inclusión de exón 7. Esta variante hace que la secuencia sea menos afín a un represor de splicing que opera en esa zona.
Una guía reciente recomienda el estudio de ambas mutaciones en casos de pacientes del tipo “mejor de lo esperado” una vez conocido el número de copias SMN2. Por otro lado, otras variantes en SMN2 han sido propuestas como modificadores: c.835-1897 C>T o c.838_840 del en exón 7.
Sin ser el objetivo de este blog, recordar a los lectores la importancia que todos estos estudios han supuesto para algunos tratamientos actuales para la Atrofia Muscular Espinal. Y es que el modo de acción por ejemplo de Nusinersen (Spinraza), se basa en aumentar la inclusión del exón 7 de SMN2, para que sea prácticamente una proteína funcional, de modo similar a como hacen las variantes anteriores.
Otros moduladores de Atrofia Muscular Espinal
De modo muy importante se han descrito más de ochenta variantes patogénicas intragénicas que podrían explicar el diferente efecto de dosis de SMN2. También como comentaba delecciones de exón 5 de NAIP parece que aumentan la severidad de la Atrofia Muscular Espinal.
Junto con lo anterior, se han descrito un gran número de delecciones, que van desde 1 intrón o exón, a varios juntos, como pueden ser 7-8 o 1-6. Es curiosa aquí la variabilidad genética entre etnias: por ejemplo en población africana no solo tienen muchas más duplicaciones y delecciones, sino que más del 50% de la población general tiene 3 copias o más de SMN1.
También se ha encontrado casos de heterozigosis compuesta, con una copia SMN1 y una mutación en diferente alelo, o mutaciones incluso dentro del mismo alelo.
Otros fenómenos que podrían modular no se conocen muy bien, posiblemente relacionado con las técnicas, algunas insuficientes, utilizadas hasta la fecha, lo que pone de relieve la necesidad de suplantación por otras nuevas, entre ellas la secuenciación masiva NGS. Por ejemplo, SMN2 se sabe que puede ser hipermetilado, lo que supondría mediante silenciamiento génico un fenotipo peor de lo esperado. Por otro lado, queda por estudiar la región intronica profunda, una región que podría revelar nuevas variantes moduladoras.
Genes híbridos y modulación
Los genes híbridos se producen como resultado de delecciones en SMN1 y SMN2 que conducen a una fusión de ambos genes en diferentes puntos de unión. Su existencia se conoce desde hace algunos años, pero estudios recientes han relacionado su presencia con la modulación (mejora) de la gravedad de AME, más allá del número de copias de SMN2.
En el estudio de Wadman et al. (2020) utilizaron muestras de 286 pacientes de Holanda con AME y detectaron que 28 pacientes con híbridos tenían una menor severidad que pacientes con el mismo número de copias de SMN2. En el subgrupo específico de AME tipo 2 y tipo 3, con 3-4 copias de SMN2 ninguno necesitó ayuda de respiración, mientras que un 20 % de pacientes con estas mismas características, pero sin gen híbrido, sí que la necesitó.
Esta severidad reducida en pacientes con híbridos se ve apoyada por la demostración de una mayor expresión de SMN2 (secuencia completa), sugiriendo una mayor eficacia de transcripción, aunque el mecanismo exacto se desconoce.
De modo muy interesante, en este estudio encontraron que hasta el 60% de casos de hermanos con igual número de copias tenían fenotipos diversos, lo que supone una comprobación adicional de que hay más factores genéticos que contribuyen a la gravedad, posiblemente muchos de ellos todavía desconocidos (ver siguiente apartado).
En otro artículo de Niba et al. (2020) reunieron muestras de 228 pacientes en Japón y encontraron 24 casos (11%) con la estructura híbrida más común: cuando el exón 8 de SMN1 no queda eliminado con el resto de exones, sino que se retiene, se forma el híbrido desde exón 7 de SMN2 más exón 8 de SMN1. En este sentido, encontraron tres fusiones diferentes, siendo la más abundante solo con exón 8 de SMN1, y las menos abundantes incluyendo más o menos sección del intrón 7 de SMN1 retenido también (ver figura 2).
Lo más interesante de este estudio es de nuevo que tan solo el 12% con híbridos eran AME tipo I, en comparación con el 50% en casos sin híbridos SMN1-SMN2, sugieren un efecto protector de estos genes híbridos. Pero entonces, ¿cómo se produce esta mejora de la gravedad?
Los exones 8 de SMN1 y SMN2 difieren en tan solo un nucleótido (G>A) pero que se encuentra ubicado ya en región 3’ UTR y por tanto no codificante. Es decir, la proteína SMN2 entera o con un exón 8 de SMN1 (híbrido) son en esencia iguales. La única posibilidad pues es que haya más cantidad de proteína híbrida producida. Lamentablemente, durante el estudio no se midieron los niveles de proteína (algo que por otro lado no debe ser sencillo).
Los autores concluyen además que no pueden saber si el tratamiento Spinraza podría verse afectado y en qué extensión por la presencia de este tipo de híbrido. Este asunto desde luego es de vital importancia para los estudios clínicos.
Finalmente, decir que en este último estudio se descubrieron tres tipos diferentes de híbridos, pero la bibliografía describe otros muchos. Los estudios realizados por el grupo del Dr. Eduardo Tizzano del Hospital Vall de Hebron en Barcelona son de gran valor en este sentido, siendo uno de los principales grupos de investigación clínica sobre AME a nivel mundial. Este grupo resume muy bien las diferentes estructuras en la siguiente Figura 3, extraída de su última revisión (Costa-Roger et al. 2021).
Estudios familiares: casos de hermanos discordantes
Es curioso que en algunas familias con dos hijos afectados por AME, uno de ellos presente una forma clínica diferente de la del hermano. De hecho, si tomamos las estadísticas de la base de datos CureSMA, aproximadamente un 15% de hermanos tenía diferente severidad, y estamos hablando de que ambos tendrían el mismo número de copias de SMN2.
¿Qué estudios a este respecto conocemos?
- Estudios transcriptómicos, donde se vio que los niveles de mRNA de PLS3 (Plastina). Se sabe por modelos de enfermedad que este aumento puede llevar un aumento de crecimiento de neuritas en neuronas motoras.
- Combinando análisis de ligamiento y transcriptómica, seguidos de secuenciación dirigida descubrieron delección en promotor del gen NCALD (neurocalcina) lo que llevaría a menores niveles en uno de los hermanos.
- Estudios de WES (exoma) identificaron mutaciones en TLL2 en el hermano con fenotipo más débil. Esta proteína mutada no activa bien a la miostatina, con la que interacciona, por lo que en definitiva se potencia el crecimiento de músculo esquelético. Tan importante es este estudio, que ha llevado a buscar inhibidores de miostatina, actualmente en fase de ensayos clínicos.
- En otro niño con fenotipo aliviado, pero no en su hermano más grave, se observó niveles elevados de expresión de NRN1, o neuritina, proteína que interacciona con SMN para fomentar el crecimiento de las neuritas.
Como se observa en esta última sección de nuestro blog de Rafer sobre Innovación y Laboratorio Clínico, múltiples tecnologías de última generación están permitiendo avanzar en el conocimiento de los moduladores genéticos de Atrofia Muscular Espinal. La técnica MLPA utilizada durante largo tiempo ya no es válida para estos estudios tan detallados, e incluso el propio NGS se ve retado ante una situación nada fácil, la del estudio en paralelo de dos genes parálogos prácticamente iguales, y de las conversiones que se producen entre ellos.
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