Examinando la parte oscura del genoma para encontrar las causas del desarrollo de los trastornos faciales

Elizabeth Engle, MD, ha dedicado su carrera a encontrar causas genéticas y de desarrollo para los trastornos de los ojos, los párpados y el movimiento facial. Desde afecciones comunes como el estrabismo hasta trastornos muy raros, estas afecciones pueden afectar la apariencia de una persona y afectar la comunicación social, lo que dificulta mover los ojos hacia arriba, hacia abajo o hacia los lados o ajustar las expresiones faciales.

Cada descubrimiento en el laboratorio de Engle ofrece una respuesta para las familias. También es una ventana al cerebro, específicamente al desarrollo de los nervios y las neuronas motoras que inervan los músculos de los ojos y la cara.

Ahora, después de la mayor parte de una década, el equipo de Engle en el Centro de Neurobiología FM Kirby en el Hospital de Niños de Boston resolvió un misterio previamente impenetrable: la causa genética de una condición llamada paresia facial congénita hereditaria tipo 1 (HCFP1). El estudio se publica en la revista Genética de la Naturaleza.

HCFP1 causa debilidad facial leve que dificulta que los bebés y los niños sonrían alegremente, frunzan los labios, chupen y beban con pajillas. Si bien es leve y muy poco común, la afección ha abierto la puerta a un área poco conocida de la genética: los trastornos causados ​​por mutaciones hereditarias en la «materia oscura» del genoma.

Una categoría rara de enfermedad genética

La mayoría de las causas genéticas conocidas de enfermedades hereditarias provienen de variantes en los genes: el 1-2 % de nuestro genoma, también conocido como exoma, que proporciona el código para fabricar proteínas. Pero dentro del resto del genoma, la materia oscura, se encuentran importantes elementos no codificantes que regulan los genes y pueden influir en la enfermedad.

«Si bien solo tenemos alrededor de 20,000 genes, los elementos reguladores no codificantes brindan mucha información adicional, modulando la expresión génica activando o desactivando genes en tipos de células específicos en momentos específicos», dice Engle.

Los trastornos hereditarios de un solo gen que implican una variación no codificante siguen estando poco explorados en su mayoría, en parte porque aún no sabemos cómo interpretar la mayor parte de la variación dentro del vasto espacio no codificante. El nuevo trabajo proporciona un raro ejemplo que podría informar futuros descubrimientos genéticos para otros trastornos.

Examinando las variantes genéticas de las familias

El equipo comenzó con nueve familias de la base de datos del laboratorio Engle y cinco familias de colaboradores en los Países Bajos. El mapeo de ligamiento en las familias holandesas había identificado el área general en el genoma que parecía ligada a HCFP1. A las familias se les había realizado la secuenciación del exoma completo, pero dado que esto incluye solo las partes codificantes del genoma, quedó vacío.

El equipo de Engle usó la secuenciación del genoma completo, que reveló que cinco familias tenían una gran pieza de ADN duplicada. Los puntos de inicio y finalización de esta pieza variaron, pero en las cinco familias contenía tres elementos reguladores no codificantes. Las otras nueve familias tenían variantes de un solo nucleótido (SNV), cambios de una sola «letra» en el código genético, todo dentro de uno de los tres elementos reguladores.

«Eso es un enigma, porque generalmente pensamos en las duplicaciones de ADN como un aumento de la expresión génica y en las SNV como una disminución de la función genética», dice Engle. «Tuvimos que descubrir el mecanismo por el cual estas duplicaciones y SNV dieron como resultado el mismo fenotipo facial y determinar a qué gen se dirigían estos elementos reguladores».

Descubrieron que los tres reguladores están ubicados cerca de GATA2, un gen conocido por ayudar a especificar la producción de diferentes tipos de células en la sangre y el sistema nervioso. Eso planteó la pregunta: ¿Los tres reguladores actúan sobre GATA2? El equipo de Engle sospechó que sí, y que dos mejoraron y uno silenció la expresión de GATA2.

Seguimiento de los viajes de desarrollo de las células

Ahí es donde entró mucho trabajo de campo. Usando modelos de ratón y herramientas como la secuenciación de ARN de una sola célula y CUT & Tag para perfilar células en diferentes puntos de tiempo, el equipo comenzó a comprender cómo las variantes en los elementos reguladores del ADN conducen a la debilidad facial.

En primer lugar, encontraron que los elementos reguladores están activos durante el desarrollo temprano del cerebro, en un lugar del rombencéfalo donde nacen dos tipos de células: las neuronas motoras faciales y las neuronas eferentes del oído interno (involucradas en el filtrado de sonidos fuertes y ruido de fondo).

«Nuestra hipótesis era que los eferentes del oído interno nacen primero y dependen de que los potenciadores activen GATA2, y que un día más tarde, el silenciador apaga GATA2 y se crean las neuronas motoras faciales», dice Engle. «Pensamos que las duplicaciones de ADN podrían aumentar la actividad potenciadora, mientras que las SNV podrían reducir la actividad silenciadora, lo que conduciría a la producción de más eferentes del oído interno y menos neuronas motoras faciales».

Experimentos meticulosos demostraron que esto era cierto. «La cantidad combinada de células no cambió, pero prolongar la expresión de GATA2 aumentó los eferentes del oído interno a expensas de las neuronas motoras faciales», dice Alan Tenney, Ph.D., uno de los becarios de investigación postdoctoral en el laboratorio de Engle que dirigió el estudio. .

Una explicación para HCFP1

En resumen, el equipo demostró que las mutaciones genéticas impiden que las personas produzcan suficientes neuronas motoras durante el desarrollo para inervar adecuadamente los músculos faciales, dejándolos relativamente débiles.

«Para resolver preguntas como esta, se necesita un equipo de personas con múltiples áreas complementarias de experiencia», dice Engle. «Creemos que nuestro trabajo proporciona un ejemplo de cómo desentrañar la genética y los mecanismos de los trastornos hereditarios que involucran una variación no codificante. La clave es lo que elija abordar: qué variantes no codificantes son lo suficientemente convincentes como para pasar los próximos cinco años de tu vida investigando».