Una terapia antisentido desarrollada por Joel D. Richter, PhD, Sneha Shah, PhD y Jonathan K. Watts, PhD, en la Escuela de Medicina UMass Chan y Elizabeth Berry-Kravis, MD, PhD, en el Centro Médico de la Universidad RUSH, restaura la producción del proteína FMRP en muestras de células tomadas de pacientes con síndrome de X frágil. Publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias, este avance fue posible gracias a los nuevos hallazgos, también presentados en el estudio, de que el empalme alternativo anómalo del ARN mensajero (ARNm) juega un papel principal en el síndrome X frágil, la forma más común de discapacidad intelectual hereditaria y la causa más frecuente de autismo de un solo gen.
« Este descubrimiento ofrece una esperanza real de que una terapia para mitigar el síndrome de X frágil sea posible y pueda trasladarse a la clínica antes de lo que pensábamos », dijo el Dr. Richter, presidente de Arthur F. Koskinas en neurociencia y profesor de medicina molecular. « Estos hallazgos son poco convencionales y no eran algo que esperábamos. Si haces una buena ciencia básica, crees en tus datos y sigues a dónde te llevan, los resultados pueden cambiar nuestra comprensión fundamental de la biología y la enfermedad ».
El síndrome de X frágil es una condición genética que resulta de una expansión repetida CGG en la secuencia de ADN del gen X frágil (FMR1). Las personas con X frágil sufren de discapacidad intelectual, así como problemas de comportamiento y aprendizaje. Las discapacidades cognitivas pueden variar de leves a graves y afectan a los niños con más frecuencia que a las niñas. No existe una cura para el síndrome de X frágil, aunque las intervenciones como la educación especial, la terapia del habla, la fisioterapia o la terapia conductual y los medicamentos que brindan alivio sintomático pueden brindar la oportunidad de optimizar una amplia gama de habilidades.
Cuando se observa bajo el microscopio, el gen FMR1 que contiene la expansión repetida se detecta como una banda estrecha que pellizca la punta de un brazo del cromosoma X (identificado como el sitio frágil). La función principal del producto proteico del gen FMR1 (FMRP) es unir hasta 1000 ARNm diferentes e inhibir su traducción. Cuando no hay FMRP, como en el síndrome X frágil, hay un exceso de producción de cientos de proteínas diferentes en el cerebro.. Aunque no se entiende completamente cómo, el control FMRP de la traducción del ARNm juega un papel fundamental en la plasticidad sináptica y la función cerebral superior. Sin FMRP, no se produce un desarrollo neurológico normal.
Normalmente, los humanos tienen entre cinco y 55 repeticiones CGG en el gen FMR1. El síndrome de X frágil ocurre cuando un individuo tiene más de 200 repeticiones CGG en la secuencia del gen FMR1. El modelo convencional de la enfermedad sostiene que una vez que la longitud de una repetición CGG alcanza 200 o más, el gen se metila y se apaga, y no produce ARN FMR1 ni FMRP.
Utilizando muestras de sangre de hombres con X frágil proporcionadas por la Dra. Berry-Kravis, profesora de pediatría, ciencias neurológicas y anatomía y biología celular, los Dres. Richter y Shah encontraron algo inesperado.
« Teníamos motivos para creer que había defectos en una serie de ARNm producidos por pacientes con X frágil », dijo el Dr. Shah, profesor asistente de medicina molecular. « Realizamos los experimentos y comenzamos a observar las diversas lecturas de ARN; sin embargo, nos sorprendió descubrir que las células producían ARNm de X frágil a pesar de que no se estaba produciendo ninguna proteína. No deberían haber producido ningún ARNm de X frágil. Esto no se suponía que estaba sucediendo. Nos hizo repensar cómo estaba ocurriendo la enfermedad en un nivel biológico básico ».
Al observar de cerca el ARNm X frágil portador de la mutación, Shah encontró una isoforma de empalme anormal poco conocida, una variación de secuencia, denominada FMR1-217. Antes de que el ARNm pueda ser traducido por el ribosoma en una proteína funcional, se somete a un proceso llamado empalme. Este proceso intermediario elimina todas las regiones no codificantes del ARN (intrones) y vuelve a empalmar las regiones codificantes de proteínas (exones). Se cree que las variaciones en este mecanismo de empalme, llamado empalme alternativo, permiten que un solo gen cree diferentes isoformas de ARN. Estas isoformas, debido a que cada una contiene diferentes regiones de codificación, permiten que un solo gen produzca múltiples proteínas.
Sin embargo, las repeticiones CGG encontradas en la mutación del gen FMR1 estaban causando un evento de empalme incorrecto que dejó una pieza crucial de un intrón (un pseudoexón) en el ARNm maduro. Este simple error de empalme fue la razón por la que no se hizo el FMRP, no la metilación del gen, como se creía anteriormente. Richter y Shah plantearon la hipótesis de que si este empalme incorrecto pudiera corregirse o evitarse, entonces podría restaurarse la producción normal de proteína X frágil.
Una forma de alterar el empalme del ARN es crear un oligonucleótido antisentido (ASO), un trozo corto de ADN con una secuencia complementaria, que se unirá al ARNm objetivo. Esta unión hace que la maquinaria de empalme omita los sitios de empalme inadecuados en el ARN, lo que da como resultado un empalme normal y una formación de ARNm maduro. También es una técnica que ya se está empleando en la clínica para tratar el trastorno neuromuscular atrofia muscular espinal (AME) y está en ensayos clínicos para otras enfermedades neurológicas.
Para diseñar un ASO dirigido al ARNm X frágil, Richter y sus colegas recurrieron al Dr. Watts, un experto en ASO que también trabaja en enfermedades neurológicas como la enfermedad de Huntington y la ELA. Watts, profesor de terapias de ARN, diseñó 11 ASO tratando de encontrar uno que bloqueara el empalme incorrecto del frágil ARN X y restaurara la producción de FMRP. Una combinación de dos ASO desarrollados por Watts inhibió con éxito el empalme aberrante y rescató el empalme adecuado del ARNm de FMR1 en células derivadas de pacientes. Esto condujo a la producción de niveles normales de FMRP en estas células.
« Nunca hubiéramos encontrado esto usando un modelo de ratón de X frágil », dijo Richter. « El modelo de ratón es una desactivación de genes. Debido a que simplemente no tiene el gen X frágil, no se produce ARNm. El empalme incorrecto del ARNm de FMR1 es un mecanismo de regulación de genes que depende de la expansión de CGG, que puede ser exclusivo de humanos y primates. Solo descubrimos este empalme incorrecto porque estábamos trabajando en células humanas ».
Richter y sus colegas esperan que la traducción de este descubrimiento a la clínica pueda acelerarse porque los tratamientos actuales para la AME se basan en una tecnología similar. La única diferencia entre los dos es la secuencia genética del ASO que se usa para tratar el empalme incorrecto del X frágil.
Los fondos para la investigación fueron proporcionados, en parte, por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Simons para la Investigación del Autismo, la Fundación de Investigación FRAXA y el Fondo UMass Chan BRIDGE. El próximo paso para el equipo de X frágil será asegurar una asociación con una empresa comercial que pueda ayudar a llevar el trabajo de ASO a un eventual ensayo clínico en humanos para tratar el síndrome de X frágil.
« FRAXA financió los laboratorios de Richter y Berry-Kravis para realizar un estudio innovador de eventos de empalme anormales en X frágil con miras a su uso potencial como biomarcador », dijo Michael Tranfaglia, MD, director científico de la Fundación de Investigación FRAXA. « En el curso de esta investigación, estos magníficos científicos descubrieron por casualidad algo verdaderamente transformador que cambió nuestra comprensión fundamental del propio X frágil. Más allá de eso, el potencial terapéutico de este descubrimiento es realmente notable ».
El Dr. Richter y sus colegas también recibieron fondos del Fondo BRIDGE en UMass Chan en 2022 para diseñar y probar el ASO utilizado para restaurar la producción de proteína X frágil.
« Con la ayuda de un premio del Fondo BRIDGE, el laboratorio del Dr. Richter demuestra que los oligonucleótidos antisentido bloquean de manera eficiente el empalme inadecuado de FMR1 y restauran el FMRP a niveles normales », dijo Huseyin Mehmet, PhD, director ejecutivo de Innovación y Desarrollo Comercial de BRIDGE en UMass Chan.
El próximo paso para el equipo de X frágil será asegurar una asociación con una empresa comercial que pueda ayudar a llevar el trabajo de ASO a un eventual ensayo clínico en humanos para tratar el síndrome de X frágil.