La ataxia espinocerebelosa tipo 7 (SCA7) es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por ataxia cerebelosa y variables signos de disartria, oftalmoplegia, signos piramidales y extrapiramidales y distrofia macular que produce la pérdida de visión progresiva. Examinación post-mortem de tejidos nerviosos de pacientes SCA7 revela grados variables de degeneración neuronal en la corteza cerebelosa, el tronco cerebral, globo pálido, núcleo rojo, médula espinal y algunas regiones corticales. Una característica única en SCA7 en contraste con el resto de las ataxias espinocerebelosas consiste en la degeneración variable de los fotoreceptores de la retina y de las neuronas ganglionares y bipolares. El defecto molecular en SCA7 consiste en la expansión de una repetición CAG altamente polimórfica que está presente en la zona codificante del gen SCA7. Los individuos sanos presentan dos formas alélicas del gen, una por cromosoma, conteniendo cada una entre 10 y 37 repeticionesCAG. Los individuos que heredan una copia del gen SCA7 con un número más elevado de 40 repeticiones trinucleotídicas CAG presentan una proteína con más de 40 glutaminas. Cuando esto ocurre se activan los procesos de muerte celular en un grupo específico de neuronas, incluyendo las células de Purkinje de la corteza cerebelosa, las neuronas de las olivas inferiores del tronco cerebral y los fotoreceptores de la retina.

SCA7 junto con las ataxias espinocerebelosas tipos 1, 2, 3, 6, 17, el síndrome de Kennedy, la enfermedad de Huntington y la atrofia Dentatorubropalidoluisiana, forman la familia de enfermedades neurodegenerativas causadas por expansiones de la repetición trinucleotídica CAG en los genes correspondientes. Como el triplete CAG codifica el aminoácido glutamina, a este grupo de enfermedades también se las denomina comúnmente enfermedades de poliglutaminas. A pesar de las variaciones fenotípicas, sabemos que la mayoría de estas enfermedades comparten mecanismos moleculares patológicos comunes. De esta manera, aunque los datos que presento aquí son el resultado de mis recientes investigaciones con ataxina-7 y SCA7, muchas hipótesis y datos presentados se pueden asociar con cualquier enfermedad causada por expansiones de glutaminas.

Como la mayoría de las enfermedades producidas por expansiones del triplete CAG en el ADN, SCA7 se caracteriza por la presencia de inclusiones nucleares (IN) que contienen fragmentos amino terminales de las proteínas mutadas. Además, estas inclusiones nucleares son inmunoreactivas con anticuerpos para ubicuitina, hecho que confirma la presencia de conjugados proteicos poliubicuitilados. En SCA7, se detectan inclusiones nucleares en los núcleos de fotoreceptores de la retina, en las olivas inferiores de la médula oblongata y en regiones corticales principalmente. Interesantemente, un detallado examen al microscopio de secciones de dos cerebelos de individuos SCA7 no permitió encontrar una célula de Purkinje conteniendo inclusiones nucleares, a pesar que es una de las principales neuronas diana por ataxina-7 mutada.

Estas observaciones así como otras evidencias experimentales han descartado una correlación directa entre la presencia y el número de estas inclusiones nucleares y los procesos de muerte celular desencadenados. No obstante hay que tener presente que no se han detectado inclusiones nucleares en células de individuos que no presentan proteínas anómalas. Es intrigante por qué se detecta una presencia elevada de inclusiones nucleares en las zonas corticales en SCA7 cuando estas regiones no han estado tradicionalmente implicadas en la enfermedad, aunque si lo están en la enfermedad de Huntington, o por qué algunas neuronas degeneran sin presentar agregados nucleares o por qué la sobreexpresión de determinadas chaperonas, enzimas que participan en los procesos de plegamiento proteico, suprime los síntomas neuropatológicos y mejora la coordinación motora en general de los ratones SCA1 sin producir alteraciones aparentes en la formación de las IN. Una posible explicación es que no todas las células tienen la misma capacidad de respuesta por la presencia de una proteína que contiene una poliglutamina tóxica debido a la selectividad de factores celulares. Evidencias experimentales que apoyan esta teoría se basan en que hay neuronas que son más susceptibles que otras de padecer los procesos de muerte celular y en la alta complejidad y selectividad celular de la regulación que tienen dos procesos celulares de los que voy a discutir a continuación: los procesos que intervienen en el plegamiento proteico regulados por las chaperonas y los procesos de degradación proteica por el sistema de la ubicuitina/proteasoma.

Moléculas de ubicuitina, componentes del complejo proteosómico y otros factores que intervienen en el plegamiento proteico, como HSP70, son presentes en casi todas las inclusiones nucleares analizadas. Estos datos, junto con el hecho que deficiencias funcionales en una enzima implicada en la ubicuitilación proteica resulte en una patología más severa en ratones transgénicos para la ataxia espinocerebelosa tipo 1 apoyan la teoría que anomalías en el plegamiento proteico y en los procesos de degradación por el sistema de la ubicuitina/proteasoma estarían implicadas en la formación de las inclusiones nucleares y en los mecanismos de muerte celular asociados en estas enfermedades.

El producto del gen de la ataxia espinocerebelosa tipo 7, la ataxina-7, es una proteína novel de función desconocida de 892 aminoácidos, con un punto isoeléctrico de 9.87 y un peso molecular aproximado de 95 kiloDaltones. La forma más común de la proteína contiene 10 glutaminas que se encuentran flanqueadas por dos segmentos de alaninas y prolinas en la región amino-terminal. Ataxina-7 presenta una distribución amplia en el sistema nervioso central y en tejidos periféricos.

Utilizando métodos genéticos, bioquímicos y celulares he demostrado que ataxina-7 se encuentra asociada con una proteína, S4, que forma parte del complejo regulatorio 19S del proteasoma. La interacción entre ataxina-7 y S4 está modulada por el número de glutaminas presentes en ataxina-7 de tal manera que cuando ataxina-7 contiene un número elevado de glutaminas presenta una interacción menor con S4. Estudios de inmunofluorescencia han demostrado que endógenamente ataxina-7 se encuentra presente en el interior de unos subdominios nucleares que contienen componentes adicionales del complejo proteasómico.

Interesantemente, en regiones cerebrales afectadas por la enfermedad en cuatro pacientes diagnosticados clínica y molecularmente con SCA7, pude demostrar cómo los niveles de S4 están significativamente disminuidos sin estar alterados los de otras subunidades proteasómicas, incluyendo las otras ATPasas que forman la base del complejo regulatorio. Estos resultados proporcionan por vez primera una relación directa entre el proteasoma y el producto génico asociado con una enfermedad causada por expansiones de glutaminas y, como discutiré más adelante, indican un posible papel de ataxina-7 en la función del proteasoma.

S4 es una de las seis ATPasas que forman la base del complejo regulatorio 19S del proteasoma. El proteasoma 26S (2 MDa) es un complejo multiproteico de más de 40 subunidades formado por tres subcomplejos, el centro catalítico 20S (670 kDa) y dos partículas reguladoras 19S (o PA700) unidas a ambos extremos. A principios de la década de los 80, Ciechanover, Hershko y Varshavsky describieron cómo los organismos eucarióticos han desarrollado un sistema multi-enzimático de eliminación de las proteínas mediante el cual se une covalentemente ubicuitina a una variedad de substratos intracelulares. Estos científicos describieron cómo los conjugados proteicos-ubicuitilados resultantes son reconocidos y degradados por el 26S proteasoma en una reacción que requiere ATP. El proteasoma 26S participa en una multitud de procesos celulares que incluyen los de diferenciación celular, ciclo celular y de respuesta a estrés entre otros. Evidencias recientes muestran que el complejo regulatorio 19S participa en el reconocimiento inicial y anclaje del proteasoma al substrato para su degradación, y también en el desplegamiento y la translocación del sustrato ubicuitilado hacia el centro catalítico 20S. Se cree que S4 participa directamente en el desplegamiento del substrato.

Estos datos junto con la presencia de S4 y la inmunoreactividad de ubicuitina en las inclusiones nucleares de neuronas SCA7 sugieren que anormalidades en el reconocimiento o en la degradación de conjugados de ubicuitina por el complejo proteasómico están implicados en SCA7. Una hipótesis propuesta es que alteraciones en los niveles o en la distribución de S4 podría afectar al asemblaje y la función del complejo 19S. Esto disminuiría la capacidad del complejo regulatorio para translocar substratos ubicuitilados al centro catalítico para su degradación produciendo una acumulación de conjugados de proteína-ubicuitina conjugados en las inclusiones nucleares. Por otra parte, una interacción significativamente menor entre ataxina-7 mutada con S4 podría ser debida por las dificultades que tendría ataxina-7 con un número más elevado de glutaminas para ser desplegada y translocada por S4 al centro catalítico para su degradación por el proteasoma y como consecuencia se produciría una acumulación de ataxina-7 mutada en el núcleo de las neuronas.

Varias líneas de evidencia apoyan la hipótesis que el sistema del proteasoma/ubicuitina está implicado en los procesos de muerte celular en procesos neurodegenerativos. La inhibición del proteasoma causa acumulación de conjugados de proteína-ubicuitina,agregación de proteínas conteniendo segmentos de poliglutaminas y en la mayoría de las circunstancias induce la muerte celular por arresto del ciclo celular. En cultivos neuronales la expresión de la forma mutada de a-sinucleína, el producto génico asociado con la enfermedad de Parkinson, inducen una actividad proteasómica disminuida y una sensividad aumentada a muerte celular en presencia de inhibidores del proteasoma. En ratones gad, defectos en el sistema de la ubicuitina causadas por deleciones intragénicas en el gen que codifica la hidrolasa carboxi-terminal inducen ataxia y neurodegeneración. Además, la pérdida de función de espastina, una ATPasa de la superfamilia AAA, causa neurodegeneración en la paraplegia espástica hereditaria de herencia autosómica dominante. Mutantes de levadura para la ATPasa homóloga de S4, Rpt2, presentan arresto del ciclo celular y muestran acumulación de conjugados de ubicuitina y muerte celular progresiva. Finalmente, es muy frecuente detectar la presencia de S4 y el complejo regulatorio 19S en inclusiones nucleares en SCA7.

La asociación entre ataxina-7 y S4 y su localización en subdominios nucleares que contienen componentes proteasómicos adicionales sugiere que ataxina-7 pueda tener un papel en la función del proteasoma. Ataxina-7 podría transportar S4 al complejo regulatorio o ejercer una función protectora de S4. Una interacción disminuida entre ataxina-7 y S4 debido a la presencia de un segmento expandido de poliglutaminas podría llevar S4 a ser fragmentada o degradada o a una distribución anormal en inclusiones nucleares con una disminución concomitante en la actividad proteasómica. Una interacción entre S4 y ataxina-7 podría ser importante para una incorporación de S4 en el complejo regulatorio 19S o alternativamente, ataxina-7 podría ayudar a localizar S4 dentro del núcleo de las neuronas y a conferir funciones no-proteolíticas al complejo regulatorio 19S. Como he mencionado anteriormente, se cree que el subcomplejo regulatorio del proteasoma está implicado en el reconocimiento de proteínas con un plegamiento anormal y inhibe la agregación de proteínas anormalmente plegadas. S4 junto con las cinco ATPasas adicionales presentes en la base del complejo regulatorio forman una subfamilia dentro de la superfamilia AAA de ATPasas que han sido asociadas con el asemblaje y el desamblaje de complejos proteicos mediante una actividad tipo chaperona. Por lo tanto, la asociación de S4 con ataxina-7 podría conferir funciones tipo chaperona al complejo regulatorio para mediar el asemblaje y desamblaje decomplejos proteicos. Esto es consistente con la presencia de agregación proteica en enfermedades causadas por expansiones de poliglutaminas y con los hallazgos que la agregación proteica está disminuida mediante la sobreexpresión de chaperonas.

En resumen he descubierto que la proteína ataxina-7 se asocia con la subunidad S4 del complejo regulatorio del proteasoma, que ambas proteínas colocalizan en discretos subdominios nucleares en varias células de mamífero que contienen componentes del proteasoma y que los niveles o la distribución de S4 están particularmente alterados en neuronas que degeneran en SCA7. Estos datos aportan la primera evidencia directa entre el proteasoma y el producto génico asociado con una enfermedad neurodegenerativa causada por expansiones de glutaminas y sugieren que en SCA7, un reconocimiento menor de la forma mutada de ataxina-7 por el complejo regulatorio 19S y alteraciones funcionales del proteasoma podrían resultar en una progresiva acumulación de ataxina-7 y de proteínas conjugadas con ubicuitina. Finalmente, estos resultados sugieren que el reestablecimiento de la función proteasómica en células que degeneran podría ser una estrategia terapéutica válida en SCA7 y, por homología, en otras enfermedades neurodegenerativas.

El Dr. Toni Matilla Dueñas es Senior Lecturer y Científico Honorario en el Institute of Child Health de la University College London del Reino Unido.