Modelos de ratón de mutaciones humanas de CNTNAP1: estrategias para rescatar y restaurar funciones
Investigación con el Departamento de Fisiología Celular e Integrativa de UT Health San Antonio, TX
MANZOOR A. BHAT, M.S., PH.D., DEPARTAMENTO DE FISIOLOGÍA CELULAR E INTEGRATIVA, UT HEALTH SAN ANTONIO, TX
La mielinización de los nervios tiene el único propósito de permitir que los axones propaguen impulsos nerviosos a largas distancias de manera saltatoria. Las neuropatías o enfermedades periféricas o centrales que afectan la conducción nerviosa son la principal causa de discapacidad neurológica y neuromuscular no relacionada con lesiones y afectan a más de 2.5 millones de personas en todo el mundo. En individuos sanos, los canales iónicos regulados por voltaje se enriquecen en regiones específicas a lo largo de los axones mielinizados, lo que les permite impulsar la rápida propagación de señales nerviosas para las funciones cognitivas, así como los movimientos motores y musculares. Cualquier alteración en la estructura de los nervios mielinizados que reduzca la conducción nerviosa provoca trastornos devastadores que llevan a la pérdida de las funciones nerviosas y musculares. Actualmente, no hay estrategias terapéuticas disponibles para restaurar la estructura y función de los axones mielinizados. Además, también falta comprender el período terapéutico crítico dentro del cual debe producirse la restauración de las funciones axonales para recuperar la conducción nerviosa y, en última instancia, recuperar la movilidad perdida. Con el deterioro de la función nerviosa, los músculos objetivo finalmente comienzan a atrofiarse, lo que obliga a las personas a depender de una silla de ruedas por el resto de sus vidas, afectando así su calidad de vida e imponiendo una carga emocional y económica a los pacientes y sus familias.
El trabajo de nuestro grupo y de otros durante las últimas dos décadas ha identificado proteínas clave que son fundamentales para la organización de los axones mielinizados en dominios funcionalmente distintos, definidos por la presencia de complejos proteicos específicos que son esenciales para la rápida propagación de los potenciales de acción nerviosos. Una de estas regiones se denomina el "dominio paranodal", que contiene las uniones axogliales (AGJ) establecidas por la proteína 1 asociada a Contactin (Cntnap1) y Contactin desde el lado axonal, y Neurofascin 155 desde el lado de la mielina. Los modelos de ratón que han sido modificados genéticamente para presentar deficiencia de Cntnap1, Contactin o Neurofascin 155 desarrollan parálisis, con una conducción nerviosa gravemente reducida que conduce a atrofia muscular, y mueren entre 3 y 4 semanas después del nacimiento. Estos mutantes de ratón también muestran pérdida del dominio paranodal y desorganización de la estructura y función del axón mielinizado.
Recientemente, se identificaron mutaciones en el gen humano Cntnap1 en varios niños, asociadas con defectos graves de la mielina, lo que destaca aún más la importancia de la proteína Cntnap1 en la estructura y función de los nervios. La mayoría de los niños con mutaciones en Cntnap1 presentan un amplio espectro de discapacidades, desde debilidad muscular extrema hasta debilidad leve, y todos muestran retrasos en el desarrollo. Algunos niños pueden desarrollar fenotipos típicos de la enfermedad de Charcot-MarieTooth, con síntomas de neuropatía periférica. Dada la amplia variedad de mutaciones encontradas a lo largo del gen Cntnap1, queda claro que todas estas mutaciones alteran la función de la proteína Cntnap1, lo que conduce a la desorganización del dominio paranodal y de la estructura del axón mielinizado.
Lamentablemente, no hay tratamientos ni estrategias terapéuticas disponibles que ayuden a los niños afectados a recuperar las funciones nerviosas y restaurar la movilidad para llevar una vida cotidiana normal. Los análisis de ADN genómico de las familias han revelado que, en la mayoría de los casos, uno de los padres porta una mutación que conduce a la pérdida completa de uno de los alelos de Cntnap1, y el otro porta una mutación que provoca un cambio de un solo aminoácido en la proteína Cntnap1. Por lo tanto, los niños solo tienen la proteína Cntnap1 con el cambio de aminoácido que afecta la función de la proteína Cntnap1 en las fibras nerviosas. Para comenzar a abordar cómo se podría ayudar en el futuro cercano a los niños con mutaciones en Cntnap1 a reducir la carga de su enfermedad, hemos generado modelos de ratón con exactamente las mismas mutaciones que algunos de los niños tienen en su gen Cntnap1. Hemos creado las mismas combinaciones de mutantes de ratón en las que falta un alelo del gen del ratón y el otro alelo tiene la mutación del niño. Actualmente se analizan estos ratones para detectar defectos en la conducción nerviosa y en la estructura de las fibras nerviosas, a fin de establecer de forma concluyente el impacto de estos cambios de un solo aminoácido en Cntnap1 sobre su función y las propiedades fisiológicas de las fibras nerviosas. Cada línea de ratón se analiza de manera independiente mediante un conjunto de metodologías fenotípicas. También hemos generado ratones modificados genéticamente que nos permitirán producir proteína Cntnap1 normal en los ratones mutantes que portan mutaciones humanas, para establecer si esta proteína Cntnap1 puede rescatar a los animales mutantes en varios momentos después del nacimiento y restaurar la función nerviosa. Para establecer además un método de administración génica que pueda producir la proteína Cntnap1 normal en los animales mutantes, hemos generado vectores lentivirales que portan el gen Cntnap1 de longitud completa. Los virus recombinantes se inyectarán en los ratones mutantes para determinar la eficacia de la administración del gen Cntnap1 mediante vectores virales y la restauración de las funciones perdidas. En conjunto, los modelos de ratón de mutaciones humanas en Cntnap1 ofrecen la mejor esperanza para probar estrategias de restauración como "prueba de principio" para aplicaciones en seres humanos en el tratamiento o manejo de las mutaciones en Cntnap1, con el fin de restaurar las funciones nerviosas.
Agradecimientos:
El trabajo sobre las mutaciones en Cntnap1 y el desarrollo de estrategias terapéuticas ha sido patrocinado por las familias a través de Hereditary Neuropathy Foundation. Este apoyo es vital para probar estrategias de restauración para estas devastadoras afecciones humanas.