Genética del CDKL5

Cómo funcionan los genes

Para entender cómo las mutaciones causan enfermedades como la CDKL5, tendríamos que aprender los conceptos básicos de cómo funcionan los genes. Los genes se encuentran dentro de nuestro ADN.

Un gen es el “patrón” que se usa para fabricar una proteína, y está compuesto de una cadena de bases o pares de bases. En el ADN se usan cuatro bases, Adenina, Citosina, Guanina y Timina. Se le llama pares de bases porque existen en pares en el ADN, la Adenina siempre se empareja con la Timina y la Guanina con la Citosina. Esto ha sido clave para descubrir la estructura del ADN por Watson y Crick en 1953.

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Un gen es una sección específica del ADN que codifica proteína, y las proteínas se componen de cadenas de aminoácidos. Los genes están compuestos por codones, que son agrupaciones de tres pares de bases, y cada codón codifica un aminoácido.

El mecanismo es un poco más complejo, ya que el ADN ha de transformarse previamente en ARN, mediante un proceso denominado transcripción.

Unas estructuras, denominadas ribosomas, leen el ARN y fabrican las proteínas, ensamblando los aminoácidos mediante el proceso denominado traducción. ¡listo! ¡tenemos una proteína!

Al igual que una frase tiene espacios entre las palabras, los genes se componen de exones (palabras) e intrones (espacios). Cuando se lee el código genético y se convierte en proteína, los intrones se eliminan y los exones se unen para  producir el código genético que finalmente se leerá para producir la proteína.

Lo que es interesante, es que los espacios entre palabras (intrones) son, en comparación, más largos que las palabras (exones).

Un                gen             sería               como               esta                frase.

Además, es posible que los intrones contengan información importante de cómo el gen, o cualquier otro gen a lo largo de la cadena de ADN se lee y convierte en proteína.

 

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El gen CDKL5

El gen CDKL5 contiene 24 exones incluyendo el exón 16b, situado entre los exones 16 y 17. Incluyen también los exones 1, 1a y 1b, que parece que no contribuyen directamente a la estructura de la proteína, en la cual no se traducen.

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Los exones del 2 al 11 codifican para el dominio quinasa de la proteína, y aunque no esté del todo claro,  parece que haya indicios de que la mutación en esta parte del gen puede producir fenotipos más graves. Hay otros mecanismos –llamados factores epigenéticos- que potencialmente podrían desempeñar un papel en la gravedad del fenotipo producido.

Investigaciones recientes de Hector et al, han establecido que en el gen CDKL5 hay al menos 5 transcripciones diferentes, y han sugerido una nueva manera de denominarlas.

Y ahora las mutaciones…

El orden de los pares de bases es esencial en la formación de la proteína, una mutación puede corromper este orden y la secuencia de aminoácidos quedaría errónea, por lo que la proteína no se fabricaría correctamente y no funcionaría como es debido. Investigaciones iniciales en niñas con CDKL5, identifican mutaciones definidas como delecciones simples,  que consistirían en la eliminación de una base individual (equivaldría a eliminar una letra dentro de una frase que sería el código genético), así como mutaciones definidas como translocaciones cromosómicas (reordenamiento de las letras dentro de la frase del código genético).

Ejemplo de mutación de delección. La eliminación de la S provoca un desplazamiento en el marco de lectura:

  • La carretera es larga y sinuosa
  • La carretera el argay sinuosa

Ejemplo de mutación de translocación. Reordenamiento de las palabras:

  • Ha sido una noche muy dura y he estado trabajando como un perro
  • Ha sido una perro muy dura y he estado trabajando como un noche

En ambos casos, la mutación ha alterado el orden de la frase (gen), y por lo tanto su significado o función se ha perdido.

En el CDKL5 son comunes las mutaciones de sustituciones:

  • Conduce mi coche
  • Conduce mi noche

Cambio de la pauta de lectura y los codones “stop”

Como vimos en el ejemplo anterior de “la carretera larga y sinuosa”, si una mutación causa la eliminación de un par de bases, toda la secuencia se desplazará, y lo mismo ocurre si hay una inserción. Esto es a lo que se le llama un cambio en la pauta de lectura, que provocará que se lean codones distintos a los correctos y resultando por tanto una secuencia de aminoácidos completamente distinta a la codificación original.

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Un codón “stop” o de parada es un codón que indica que se ha alcanzado el final de la proteína. Hay 3 codones “stop” TAA, TAG y TGA. Debido a un cambio en el patrón de lectura, por una eliminación o inserción de pares de bases (mutaciones), puede que se produzca un nuevo codón “stop”, y esto podría ocurrir en cualquier parte del gen, llevando a la proteína a terminar prematuramente dando lugar a una proteína incompleta.

Tipos de Mutaciones

Mutación de cambio de sentido  (missense)

Este tipo de mutación provoca un cambio en un par de bases del ADN, lo que lleva a la sustitución de un aminoácido por otro en la proteína producida por un gen.

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Mutación sin sentido (nonsense)

Una mutación sin sentido es también un cambio en un par de bases de ADN. En lugar de la sustitución de un aminoácido por otro, la secuencia de ADN alterada da señales a la célula de detener prematuramente la construcción de una proteína. Este tipo de mutación da lugar a una proteína acortada que puede no funcionar o hacerlo de forma incorrecta.

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Inserción

Una inserción cambia el número de bases del ADN en un gen mediante la adición de un trozo de ADN. Como resultado, la proteína producida por el gen no funciona correctamente.

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Deleción

Una deleción cambia el número de bases del ADN mediante la eliminación de una secuencia de ADN. Pequeñas deleciones pueden eliminar uno o unos pocos pares de bases dentro de un gen, mientras que las deleciones más grandes pueden eliminar un gen entero o varios genes vecinos. El ADN eliminado puede alterar la función de la proteína o proteínas resultantes.

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Duplicación

Una duplicación consiste en una secuencia de ADN que se copia anormalmente una o más veces. Este tipo de mutación puede alterar la función de la proteína resultante.

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Mutación de cambio de patrón de lectura

Este tipo de mutación se produce cuando la adición o pérdida de bases en el ADN cambia el patrón de lectura de un gen. Un patrón de lectura consiste en grupos de tres bases que codifican para un aminoácido, por lo que una mutación de este tipo cambia la agrupación de estas bases y por tanto cambia la cadena de aminoácidos. La proteína resultante es generalmente no funcional. Inserciones, deleciones y duplicaciones pueden ser mutaciones de cambio de patrón de lectura.

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Expansión por repetición

Las repeticiones de nucleótidos son pequeñas secuencias de ADN de tres o cuatro pares de bases que se repiten en serie. Por ejemplo, una repetición de trinucleótidos se compone de secuencias de 3 pares de bases, y una repetición de tetranucleótidos se compone de secuencias de 4 pares de bases. Una expansión por repetición es una mutación en la que el número de repeticiones ha aumentado, lo que puede hacer que la proteína final no funcione correctamente.

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Mutaciones descritas en los informes CDKL5

El gen CDKL5 tiene 21 exones que contienen 3.092 pares de base, que a su vez codifican 1.030 aminoácidos, aunque desde hace poco se piensa que la proteína principal del CDKL5 se codifica en los exones 1 al 18.

En líneas generales, en los informes las mutaciones se describen usando dos formatos. Como hemos visto antes, una mutación en un par de bases provocará un cambio en el correspondiente aminoácido, y esto afectará a la estructura de la proteína CDKL5 y por lo tanto a su función. El informe que se recibe, puede referirse a qué base está afectada (en este caso la descripción empezará con “c”), o a qué aminoácido ha sido cambiado, (la descripción empezará con “p”).

Por ejemplo:

c.175C>T significa que la base Citosina en la posición 175 (en el exón 5) se ha reemplazado por Timina. Esto es una sustitución.

c.2047delG esto sería una eliminación o deleción de la base Guanina en la posición 2.047 (en el exón14)

c.865insA significa que la base Adenina se ha insertado en la posición 865 (exón 11) del gen CDKL5.

p.Ala40Val significa que el aminoácido Alanina se ha reemplazado por Valina en la posición 40 de la cadena de la proteína, los aminoácidos también pueden abreviarse con una sola letra, así que esa misma mutación nos la podríamos encontrar escrita como p.A40V

Este cambio de Alanina a Valina se debe a una sustitución de la base en la posición 119 en el exón 4, descrito como c.119C>T.

En el informe puedes encontrarte uno de los dos formatos o ambos.

Una proteína incompleta o truncada –debido a una mutación “sin sentido” o eliminación/inserción que produce un codón “stop”- suele estar representada con una X, por ejemplo, p.R59X que es debido a la sustitución que hemos mencionado c.175C>T que también es una mutación sin sentido.

¿Cómo surgen las mutaciones?

Generalmente, las mutaciones pueden ocurrir de dos maneras, adquiridas o heredadas.

Mutaciones adquiridas

Estas mutaciones ocurren cuando el material genético se daña en algún momento, normalmente durante el ciclo celular, donde el ADN se copia antes de que la célula se divida. Las mutaciones de novo, son las que ocurren por primera vez y no se presentan en los padres de los niños afectados. Se cree que la mayoría de las mutaciones del CDKL5 surgen de novo. Aunque antes se creía que las mutaciones de novo incrementaban con la edad de la madre, hoy día hay algunas evidencias de que es la edad del padre lo que puede resultar más relevante a la hora de desarrollar algún trastorno genético.

Mutaciones heredadas

A los patrones de herencia en condiciones autosómicas (las que implican los cromosomas del 1 al 22) se les conoce típicamente como recesivos o dominantes. Sin embargo, las condiciones ligadas al cromosoma X, como es el caso del CDKL5, es diferente. Es posible que haya varias maneras de que el trastorno CDKL5 se pueda heredar, pero actualmente se cree que la mutación del CDKL5 se puede heredar como resultado del mosaicismo de la línea germinal.

¿Qué es el mosaicismo?

Las células que componen el ser humano se pueden clasificar en dos tipos, las líneas germinales, que son los espermatozoides en los varones y los óvulos en las hembras, y las somáticas que incluyen el resto de las células (las que forman los músculos, huesos, piel, cerebro etc). El mosaicismo se produce cuando una persona tiene dos poblaciones de células, cada una con diferente información genética. Así, una población contiene el material genético “normal” y la otra puede contener una mutación u otra anomalía genética. El mosaicismo puede afectar tanto a las células germinales como a las células somáticas.

Mosaicismo gonadal (germinal)

En el mosaicismo gonadal, la anomalía genética se limita a una proporción de las células de la línea germinal, siendo el resto normal. En esta situación, el individuo no tendrá ninguna evidencia de la enfermedad subyacente, ya que las células somáticas que componen el resto del cuerpo contiene material genético normal. Sin embargo, una persona puede ser portadora de la mutación a través de una de sus células germinales afectadas. Se ha sugerido que esta puede ser una de las causas del CDKL5, quizás en un número de casos muy pequeños.

Mosaicismo somático

Hay un número de trastornos genéticos que presentan mosaicismos somático. Los efectos del mosaicismo somático no se transmiten a la descendencia, ya que las células en las líneas germinales son normales. Sin embargo, en algunos casos, los individuos pueden tener ambos mosaicismos, gonadal y somático, en cuyo caso sí pueden transmitir la anomalía a la descendencia.

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Por último, de manera muy inusual, podría ser posible que la madre tuviera una mutación CDKL5, pero con un patrón de inactivación X extremadamente distorsionado, tanto que la mutación apenas se expresa. La madre relativamente no tendría ningún tipo de afección, pero sería portadora de la mutación. Este mecanismo hereditario sería muy raro y no se tiene conocimiento de que haya ocurrido en el trastorno CDKL5.

Inactivación del cromosoma X

El gen CDKL5 se encuentra en el cromosoma X. Aunque las hembras tienen dos cromosomas X (uno de cada padre), solo se necesita uno para tener una función normal, de hecho, sería perjudicial que ambos cromosomas estuvieran activos a la vez. Por lo tanto, uno de los dos cromosomas se encuentra “desactivado” a través de un proceso llamado inactivación del cromosoma X.

La mutación CDKL5 normalmente se presenta en uno de los cromosomas, por lo tanto, si está en el cromosoma “desactivado”, es posible tener la mutación y no presentar ningún efecto, ya que el cromosoma activo si tiene un gen CDKL5 normal. No obstante, en cada célula del cuerpo no tiene por qué estar inactivo el mismo cromosoma X.

El cuerpo humano puede tener grupos de células donde un cromosoma en particular está inactivo y otros grupos de células donde sea el otro cromosoma el que esté inactivo. Por lo tanto, en el cerebro puede haber áreas donde las células usan el cromosoma X mutado y otras áreas donde las células usan el cromosoma X con el gen CDKL5 normal.

Qué cromosoma en particular está inactivado parece ser al azar, pero obviamente, cuanto mayor proporción de células usen el cromosoma con la mutación, mayor será el daño en el fenotipo. Dicho esto, todavía queda por definir que el grado de inactivación del cromosoma X afecta realmente a la severidad del fenotipo.

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Es decir, que la relación entre la mutación y la severidad del trastorno CDKL5 permanece poco clara.

Curiosamente, un artículo de Francia publicado en 2.011, incluía un resumen de detalles clínicos de 77 casos CDKL5 anteriormente publicados. De estos, los 51 con mejores habilidades motoras están enumerados, de los cuales 21 parecen tener habilidades para caminar.

Observando la capacidad de caminar en relación a la localización de la mutación, según el exón afectado, se observa una tendencia.

El análisis de los datos muestra que solo el 30% de los casos con una mutación que afecta a los exones del 1 al 11 tiene algún tipo de habilidad para andar, mientras que ese porcentaje aumenta al 61% en aquellos que tienen la mutación en los exones del 12 al 21.

Esto obviamente es una mera observación, además no se tiene en cuenta otros factores como el tipo de mutación, el grado de inactivación del cromosoma X y la participación del multi-exón o intrón.

Otros factores clínicos pueden ser relevantes, tales como la cantidad de terapia que haya tenido el individuo, o si tiene otros problemas ortopédicos como problemas de cadera o de columna vertebral. También, algunos niños relativamente jóvenes pueden desarrollar la capacidad de andar mientras que otros que andaban desde más pequeños pueden perder la habilidad, quizás por el pobre control de la epilepsia. Es más, el número de personas implicadas en este estudio es muy pequeño, por lo tanto, para obtener respuestas a estas preguntas, se ha desarrollado una base de datos internacional para el trastorno CDKL5. Cuanta más información de niños con CDKL5 registremos, más respuestas tendremos a nuestro alcance.