Mutaciones Silenciosas

5/16/2018 Mutaciones Silenciosas

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S ILENC IOSASS e p r o d u c e n c a m b io s s u t i l e s e n la s s e c u e n c ia s d e A D N , a n t a i ior e p u t a d o s i r r e l e v a n t e s p a r a la c o d i f i c a c i6 n p r o t e f n ic a , q u e a d q u ie r e nim p o r t a n c ia d e t e r m in a n t e e n la e n f e rm e d a d y e n la e v o lu c i6 nJ . V. C ham ary y laurence D . Hurst

C O NC EP T OS B A SIC O S Duran te m ucho tiem po

se ha da do p or sen ta doq ue la s m uta cio ne s d elAD N que no a lte raban lap ro te in a c od ifica da p or e lg e n e r an " si le n ci os a s" ,

M is te rio sa s e xc ep cio ne sa es ta re gia , e n la s quel os c am b io s s il en c io s osp ar ec en e je rc er u n e fe ctod ete rm in an te s ob re la sp ro te in as , h an p ue stod e m an ifie sto q ue e sta sm u ta cio n es s up u es tam e n-te inocuas a fe ctan a las a Iu d a tra ve s d e d iv ers osmecan ismos .

Com prender la su tild inamica y e vo lu ci6 n d elo s g en es p ue de d es cu brirn ue vo s a sp e ct os r ela cio -n ad os c on la e tio lo gia y late ra p ia d e e n fe rm e d ad e s.

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D urante largo tiernpo, los biologos hancreido comprender el modo en quelas mutaciones genericas provocabanenfermedades. Pero la invesrigacion acaba dedar un brusco giro ala situacion: ha reveladola existencia de mecanismos sorprendenres,que viol an la intuicion, mediante los cualeslas alteraciones del ADN pueden hacernosenfermar. La nocion clasica adrnitia que lasmutaciones "silenciosas" eran irrelevantes parala salud, porque ese tipo de cambios en lasecuencia de ADN no alteraba la composi-cion de las proreinas codificadas por los genes.Las proteinas intervienen en los procesos quetienen lugar en las celulas, desde la catalisisde reacciones bioquimicas hasta el reconoci-rniento de invasores foraneos, Si el aspecrofinal de una proteina, se razonaba, terminasiendo el correcto, cualquier pequeno falloen su proceso de fabricacion resultara inocuopara el organismo.

Sin embargo, los estudios etiologicos con-dudan en ocasiones hacia una muracion silen-ciosa, pese a que los investigadores pardan dela base de que no podia ser la culpable. A otrosresultados igualmente misteriosos se arribo en

el curso de la invesrigacion sobre la evoluciondel genoma: las pautas de cambio observadasen el ADN de varias especies indicaban quepersisdan, a 1 0 largo del tiempo, numerosasrnuraciones silenciosas, prueba de su utili dadpara el organismo porrador. En multiples es-pecies, esos cambios facilitaban una sfnresiseficaz de protelnas, No asi en el hombre.

Se estan empezando a desentranar loselectos de las mutaciones silenciosas sobre lasalud y la enfermedad humanas. Los descu-brimientos abren nuevas vias para el disenode genes utiles para la rerapia y la ingenieriageneticas.Sinenirnos y distintosSi analizamos el mecanisme por el que lascelulas fabrican las proteinas, entenderemospar que una mutacion genica no componaefectos sobre una proreina. La formula basi-ca es sencilla: una cadena de nucleoridos deADN da lugar a una secuencia pracricamenteidenrica de nucleotidos de ARN que, a suvez, se traduce en una cadena de arninoaci-dos que se pliega sabre si misma para formaruna proteina. Las letras del alfabeto de los

, T , C1P":C1A. azosto. 2009


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1. E l S IN DR OM E D E M AR FA Nc au sa a la rg am ie nto s e n c ie rta sp arte s d el o rg an is mo . Q uie ne s1 0 s ufre n p orta n d os m uta cio ne ss ilenc iosa s que a lte ran e l co rte yem pa lm e de l ARN en las celulas.

S IL E N C IO R O T OS e h a d em o stra do q ue a lre de do rde 50 e nfe rm e da de s s on c au sa da stota l 0 p arc ia lm e nte p or m u ta -c io n es s il en ci os a s. E n e s t as ele cc i6 n. la s m u ta cio ne s d anc om o re su lta do u na e dic i6 na lte ra da d el A RN q ue a fe ctaa la s in te sis d e p ro te in as .S i n d rome de i n sen s i bi li d adandroqenicaAtax ia te lang iectas iaEn fe rmedad po r a lmacenam ien tode esteres de co l es t e ro lEn fe rmedad g r anu l oma to sa c r 6 n icaPo l ip o s is a denoma to sa fam i li a rCance r co l or re c t a l h e r ed i ta r ion o po li p cs icoEn fe rmedad de H i rschp rungS i nd rome d e Ma r fa nEn fe rme d a d d e McA r dl eFeni lcetonur iaS i nd rome d e S e c k elH i dr oc e fa li a l ig a d a a l c romo soma X

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acidos nucleicos difieren en razon de sus basesquimicas: adenina (A), citosina (e), guanina(G) y timina (T) en el ADN; en el ARN, eluracilo (U) susti tuye a la timina.

Dicho de otro modo, las instrucciones co-dificadas en los acid os nucleicos deb en tras-ladarse al lenguaje de los aminoacidos paraque pueda expresarse su "rnensaje" (una pro-teina funcional). Cuando un gen "se expresa"de esa forma, las hebras de la doble helicedel ADN se separan y la maquinaria celulartranscribe en una copia de ARN la secuenciade nucleotidos de una de las hebras sencillas.A conrinuacion, el transcrito de ARN men-sajero (ARNm) debe modificarse para con-verrirse en una version mas breve, antes detraducirse en una proteina por medio de losribosomas y unos ARN de menor tamaiio,los ARN de transferencia (ARN t).

A medida que los ribosomas recorren elARN m, van lIegando los ARN t para surninis-trar los aminoacidos codificados. Cada ARNtlIeva consigo un arninoacido especlfico: lamayo ria de ellos reconocen una secuenciaconcreta de tres nucleotidos de la hebra deARNm. Cuando un ARNt encuentra en elARNm la secuencia correspondiente, el ribo-soma afiade a la creciente cadena aminoacidicael arninoacido que transporta el ARNt.

Por tanto, el codigo que utilizan las celulaspara traducir el lenguaje del ADN y el ARNal de las proteinas (el codigo generico) corres-ponde al conjunto de reglas que esrablecenque arninoacido transporta cada ARNt. Esrecodigo tiene una caracteristica fundamental:es redundante. Todos los genes y sus ARNmestan organizados en "palabras" de tres lerras,los codones.A partir del alfabeto forrnado por los cua-

tro nucleotidos se pueden construir sesentay cuatro codones de tres letras. Tres de ellosconstiruyen una serial de paro en la rraduccion

del ARN; ello deja aun 61 codones posiblespara especificar un alfabeto proteinico queconsta de 20 arninoacidos, de modo que casitodos los aminoacidos estan especificados pormas de un codon. Por ejernplo, todos los co-dones que empiezan por GG (GGA, GGC,GGG, GGU) se traducen en el aminoacidoglicina, 1 0 que convierte a esos codones ensinonirnos.

Por tanto, los cambios en una sola letradel ADN (rnuracion puntual) pueden cam-biar un codon por otro que especifica unarninoacido incorrecto (rnutacion con senti doequivocado) 0 por una seiial de paro (rnuta-cion sin senrido): ambos casos resultan enuna proteina truncada. Cuando el cambio deuna base altera un codon de paro para hacerque codifique un arninoacido (rnutacion consenrido), se obtiene una proteina mas larga.Por ultimo, cabe otro tipo de carnbio en elque una mutacion altera un nucleotide paragenerar un codon sinonimo, esta seria unamutacion "silenciosa",PreferenciasAbundan las mutaciones puntuales, de los tresprimeros tip os, que repercuten en la saludhumana. Tres mutaciones puntuales en losgenes que codifican las proteinas que formanla hemoglobina de los hematies son responsa-bles de orras rantas enfermedades graves. Enla anemia falciforme, una mutacion con sen-tido equivocado intercambia un aminoaci-do hidrofflico (con afinidad por el agua) porotro hidrofobico (que evita el agua); la proreinase aglutina y da lugar a las celulas sanguineascon forma de hoz. En la policirernia, unarnuracion sin sentido trunca una de las protei-nas de la hemoglobina; la sangre se hace masespesa. Por fin, en la talasernia, una mutacioncon sentido cambia un codon de paro (TAA)por el codon correspondiente a la glutamina(eAA); la proteina originada, mucho mas lar-ga, no sirve para la rnision asignada.

Hasta el decenio de los ochenta del siglopasado los expertos no se percataron de quelas mutaciones silenciosas podian tambien re-percutir en la sintesis de proteinas, al menosen bacterias y levaduras. Se realize en aquellaepoca un descubrimiemo clave: los genes deesos organismos no utilizaban los codones si-nonirnos en la misma proporcion. Cuando labacteria E sc he ri ch ia c oli especifica el arninoa-cido asparagina, el codon AAe aparece ensu ADN con mayor frecuencia que el codonAAT. No tarde en vislumbrarse la razon de eseuso preferencial: las celulas utilizaban deter-minados codones de forma preference porquede ese modo incrementa ban la velocidad 0 laprecision de la sinresis de proteinas.

C""(~\CI(V' C'r'\CI\ ['0


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E I c6 dig o q en etico , q ue d ir ig e la tra du cci6 n, v ia A RN , d e la s in stru ccio -n es d el A DN e n p ro te ina s fu ncio na le s, m ue stra u na p ro pie da d a tfp ic a:es redundante . Los genes "escritos" en los nucle6 tidos de l ARN de le-tre an la se cu en cia d e a min oa cid os d e u na p ro te in a co dific ad a m ed ia ntepa labras de tres le tras (codones) que se corresponden con uno de los

20 arninoacidos (tabla). C on un a lfabe to basado en las cuatro basesd e los n ucle 6tid os p ue de n fo rm ars e 6 4 trip le te s 0 c od on es , p or 10 qu eh ab ra va rio s c od on es q ue e sp ecifiq ue n e l m ism o a min oa cid o, Po r ta nto ,en te rrninos pro te icos, una m utaci6n en e l ADN que cam bie uno de esoscodones por su s in6n im o deberfa ser "s ilenciosa" .

... T R A NS C RIP C lO N Y E DIC IO NE n e l in te rio r d el n uc le o c elu la r, la d ob le h elic e d e A DN s e d e se nr olla p ar aq ue p ue da s in te tiz ar se la c op ia d e u n g en e n fo rm a d e A RN . A c on tin ua cio n,s e p od a e l t ra ns cr ito r es ult an te p ar a e lim in ar lo s s egm en to s q ue n o c od ific ana rn inoac idos , c on 1 0 q ue s e g e n er a u na v er sio n m a s c o rt a d el A R N me ns aje ro( AR Nm) . E I em p ar eja m ie nt o d e la s b a s es d e lo s n ud eo tid os d el A R N h ac eq ue la m o le cu le d e A RNm a do pt e u na e st ru ct ur a p le ga da .

... E L C O D I G O C O D O N A M IN O A C ID OP ue st o q u e la s c u a tr o b as es d el A RN ( A, C, G , U ) d a n lu ga r a 6 4 c om b in ac io ne sd e tr es le tr as ( tr ip le te s) , u n am in oa cid o v ie ne e sp ec ific ad o p or m a s d e u n c od on .C o n f re c ue n ci a, l os c o do n es s in c nimos d if ie r en 5 6 1 0 e n e l n u c le ot id e q ue o cu pal a t e rc e ra pos ic ion .

~~~N uc le 6tid o q ue o cu pa la s eg un da p os ic i6 nc As s= : ~'~' ,~, rennalenina UCU Serina TIrosina CisteinaF e n i l a l a n i n a UCC S e rin a T i r o s i n aNtic leo f&~ ' ~1 r : : : : Leucina U C A S er in a0'o Leucina U C G S er in aJ~~4}r 'Vi01 , c.

~ ADN ~~W= ~ Leucina CCU Pro lina CAU H is tid in a CGU A r gin in aO J Leucina CCC Prol ina CAC H is tid in a CGC A r gin in aE c~~~~

c Leucina CCA Pro lina C A A G lu ta m in a CGA A r gin in ac._ ! 1 ? Leucina CCG Pro lina CAG G l ut am i na CGG Arginina'".::J Isoleucina A C U T re on in a A AU A sp ar ag in a AG U0 Iso le ucin a A CC T re on in a AAC A s pa ra g in a A GC S er in aJA::J Isoleucina A C A T re on in a AM Lis ina AG A Argininar0 A UG Me tio nin a A CG T re on na A AG L is in a AGG A r gin in a0'';:;'0O J G UU V alin a GCU Alanina G AU A . asp artico G GU G lic in a::J GUC V a lin a GCC Alanina G AC A . asp srtico G GC G lic in aZG GUA Valina GCA A lan ina GAA Aqlutarnico GGA G lic in aGUG Valina GCG Alan ina GAG A.q lu tam ico GGG G lic in a

< 4 T RA DU CC IO N E N P RO T EIN AE ne l c it op la sma c e lu la r, l os r ib o soma s d e s-p lie ga n y le en e l A R Nm p ar a fa br ic ar la c ad en ad e a rn in oa cid os c od if ic ad a c on la a yu da d e la smo le c ule s d e ARN de t ra n sf er en c ia ( ARN t) .C a da A RNt e ntr eg a u n a rn in oa cid o a l r ib os o-r na , q ue s e u n e a l c od on c or re sp on die nte d elA R Nm p ar a c on fir m ar q ue s e a f ia de e l a m in oa -c id o c o rr ec to . C u a nd o a u n s e e s ta f orma nd o ,l a c a de n a n a ci en te d e a rn in o ac id o s emp ie z aa p le g ar se p a ra a d op ta r l a f o rma t rid ime n sio -n a l d e la p ro te in a .

Resulto que, por regia general, los ARNtcorrespondientes a tales codones sinonimos noabundaban igual en el interior de la celula. Portanto -y esto es 1 0 mas importante-, un genque contenga un nurnero mayor de los codo-nes que se corresponden con los ARNt masabundantes se traducira con mayor prontitud,ya que la mayor concentracion de esos ARNthara que sea mas probable que esten presenrescuando se les necesite. En otros casos, ciertavaried ad de ARN t se une a varios codonessinonirnos pera se une con mas facilidad aun codon determinado, de modo que el usodel codon en cuestion maximiza la precision

de la traduccion. En consecuencia, una cclulatiene buenas razones para no utilizar todos loscodones por igual.

Como era de esperar, en bacterias y levadu-ras, los genes que codifican proteinas abundan-tes muestran el mayor uso preferencial de loscodones: los codones favoritos son los que secorresponden con los ARN t mas abundanreso con los ARNt a los que se unen mejor.Observaciones posreriores en otros organism os,incluidos plantas, moscas y gusanos, pusierande manifiesto unas preferencias similares.

A la vista de tan variado surtido de espe-cies que se valen de la estrategia para mejorar

IN VE ST IG AC IO N Y C IE NC IA , a go sto , 200g 31


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ARNm_lIHmm~nwE xo n 1 2 incluido

Los codones s in6nim os pueden especifica r e l m ism o am inoaddo, pero unamutac i6n que camb ie un cod6n po r su s in6nim o puede a lterar e l m ensajecodificado por un gen si in te rfie re con la ed ic i6n ce lu la r de l ARNm . Ese tipo

de e rrores son causa de numerosas enferm edades. Un gen im p !icado en !afib ros is qu is tica ilu s tra e l m odo en que las m utac iones "s ilenc iosas" puedena lte ra r e l m e ns aje p ro te in ic o c od i ic ad o en un gen (abajo).

A RN tr an sc rito a p ar tir d el g enilln n n m 8 1 1 1 ! ! ii!1 f t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 n o n I I I 1 D n o n ij A I D nExon lntron

la eficacia de la sintesis de proreinas, paredaprobable que los mamfferos rambien la usaran.De hecho, el anal isis de genes de mamfferorevelo una rendencia a favorecer dererrninadoscodones. Sin embargo, ramana sernejanza en-rre organismos sencillos y mamiferos resulrolimirarse a la superficie.Por razones que ignoramos, los genomasde mamiferos estan organizados en grandesbloques, cada uno con un conrenido de nu-cleoridos sesgado de forma caracterlsrica. Enunas regiones predominan las bases G y C;en otras, abundan A y T. En consecuencia,los genes que residen en una region del ge-noma rica en G y C rienden a tener muchoscodones que conrienen esas bases. A si pues,nuesrros genes rnuesrran preferencia por uti-lizar dererminados codones pero, a diferenciade 1 0 que ocurre en organismos mas senci-1 1 0 5 , el patron que siguen no sugiere que el

SALTARSE UN EXON(am bios s inonirnos de un nudeo tido en un ex6np ue de n h ac er q ue la s s ec ue nc ia s p ote nc ia do ra sd el c or te y e mp alm e s e v ue lv an in vis ib le s p ara lam aq uin aria c elu la r d e e dic i6 n, c on 1 0 qu e un exo ne nte ro q ue da e xc lu id o d el A RN m fin al.

Mutaoor.snoo ......a

I I '" f 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ~ ~ IIES ELuga r de p rocesam ien to ) Lugar de procesam iento" " " '" " 1 1 1 1 1 " _ _ /

lntroduccion de mu t ac iones smonlmas-_ !!lIlUm

E xo n 1 2 excluido

ED IC ION NORMAL DEL ARNE I tra ns crito p rim ario d e u n g en c on tie ne s eg me nto sq u e c o di fi ca n aminoacidos (exones) y largoss eg me nto s n o c od ific an te s (in tro ne s), q ue n o d eb enestar prese ntes en el A RN m fina l. En cad a exon,secue ncia s cortas de nu cle6 tidos op eran a m od o dep ote nc ia do re s d el c or te y e mp alm e ( ES E, d e " ex on ics plic in g e nh an ce r"), q ue in dic an a la m aq uin ariac elu la r d e e dic io n d on de s e h alla n lo s e xtre mo sde l exon , La un ion de la s pro te ina s qu e reg ula n laedicion a lo s lu ga re s in te ns ific ad ore s h ac e q ue la sp ro te in as d e lo s s om ite s c ir uja no s ( "s plic eo so me ")se dirijan hac ia lo s do s extrem os de l lntron y! oesc in dan del tra nscrito an te s de em palm ar lo se xtre mo s d e lo s e xo ne s.

A lTERAC ION DE LA PROTEINALas m utac io ne s en el ge n rece ptor qu e reg ula la con -d uc ta nc ia tra ns me mb ra na e n la fib ro sis q uis tic a( (F TR ), in ac tiv ad or as d e la p ro te in a r ec ep to ra , estanr ela cio na da s c on esta y o tra s e nfe rm ed ad es s im i la -res. En un exp erim ento d isefiad o pa ra com proba r s ila s m uta cio ne s s ile nc io sa s p od ria n a fe cta r ta rn bie nala prote ina (FT R, se in tro dujeron m utac ione s deu n s olo nucleotide, una a una, pa ra crea r en elexon 12 d e ( FT R c od on es s in on ir no s: s e a na liz ar onlu eg o la s p ro te in as r es ulta nte s. L as s eis m uta cio ne ss in on im as m os tra da s h ic ie ro n q ue e l e xo n 12 f ueseign orad o dura nte la ed ic io n de l A RN m, da ndo lu gara una vers io n tru nca da de la pro te ina (FTR .

S e cu en c ia p a rc ia l d e l exon 12 de C F T RA AA GAT GCT GAT TIG TAT T IA TIA GA C T(T Cc"

morivo sea la optirnizacion de la sinresis deproreinas.

Duranre arios, esa serie de hallazgos pa-recia apoyar la resis de la irrelevancia de lasmutaciones silenciosas para el funcionamienrodel organismo humano. Sin embargo, en losalbores del siglo XXI, al estudiar en especiesdistintas el mismo gen, ernpezo a sospecharseque se andaba errado.

Mediante la cornparacion de las posicionesen las que se han producido cambios en losnucleoridos y en las que se han mamenidocoristantes, puede medirse la velocidad a laque han divergido las secuencias genicas dedos especies. En principio, cualquier muracionque no afecre a un organismo resulra invisiblepara las fuerzas de la seleccion natural, queconserva los cambios beneficiosos. SegllIl sepensaba antafio, las regiones genicas invisiblesa la seleccion incluirfan los sitios en donde se

IN VFST IGAC ION C lENC IA . agosto, 200g


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producen muraciones silenciosas y el ADN nocodificanre (el 98 por cienro del genoma, queno especifica ninguna proteina).

Mas, cuando se rniro si los lugares en dondese producian rnuraciones silenciosas evolucio-naban a la misma velocidad que las regionesno codificanres, se hallaron diferencias ines-peradas, serial de que, despues de rodo, lasmuraciones silenciosas podrfan repercutir enla fisiologfa.Romper e l s ile nc ioAI principio no se comprendia el modo enque ese tipo de muraciones podia alterar enmamiferos la sintesis de proteinas. Mas tarde,las invesrigaciones sobre enfermedades burna-nas han aporrado no uno, sino muchos rneca-nismos. Las muraciones silenciosas pat6genasinrerfieren en varias erapas de la slntesis pro-reinica, desde la transcripcion del ADN hastala traduccion del ARNm en proreinas.

Por boron de rnuestra, veamos las mura-ciones silenciosas que alteran la edici6n delrranscriro de un gen. Poco despues de latranscripcion de un gen en una rnolecula deARN, el rranscrito es sornerido a una podaque elimina las regiones no codificantes (intro-nes). Igual que en el montaje de una pelfculase van desechando las escenas sobran tes, lamaquinaria celular de edicion necesita en-contrar los fragmenros buenos que codificanaminoacidos (exones), para luego cortarlos yempalmarlos (splicing) hasta alcanzar la versionfinal del ARNm del gen. Los genes humanosabundan en inrrones (cada gen conriene unamedia de ocho largos inrrones), de modo quela maquinaria celular necesita reconocer dondecomienza y donde termina un exon,

Las investigaciones realizadas en los ulrirnosafios han puesro de manifiesro que los exo-nes no solo especifican aminoacidos, sino quetam bien conrienen, en su secuencia, informa-cion clave para la eliminacion de los intrones.Destacan por su imporrancia los motivos queintensifican el corte y empalme de los exones.Nos referimos a los motivos ESE (de "exonicsplicing enhancer"): secuencias corras, de entretres y ocho nucleotidos, que se alojan cercade los extrernos de los exones y senalan a lamaquinaria de corte y empalme donde hay unexon, La presencia necesaria de estos rnotivosexplica que haya en los genes humanos prefe-rencia hacia cierros nucleoridos.

Aunque los codones GGA y GGG, quecodifican la glicina, pueden ambos hallarsepresenres en los ESE, el primero rnuesrra unaaccion inrensificadora mas potente, con 1 0 quesu edicion es mas eficaz, De ahi que GGA seencuenrre con mayor frecuencia cerca de losextrernos de los exones.

INVESTIGACION Y CIENCIA, agosto, 2009

Una investigacion que realizamos connuestra anrigua colaboradora de la Uni-versidad de Barh, Joanna L. Parmley,avala la imporrancia de conservar lassecuencias de los codones en los po-tenciadores del corre y empalme. Segunnuesrros resultados, los motives presenresen los exones que, en apariencia, ope-ran a modo de intensificadores del cortey ernpalme muesrran una evolucion en suscodones sinonirnos mas lenta que la de lassecuencias vecinas que no parricipan en elcorre y empalme.

La lenra evolucion de marras indica quela seleccion natural apenas ha cambiado losmotivos potenciadores, porque sus secuen-cias espedficas revisten surna imporrancia.Las alteraciones silenciosas de los codonesque conrienen esos potenciadores, aunqueno cambian un arninoacido, si provocan unefecro dererrninanre sobre una proteina; lisa yllanamenre, desbaratan la correcta eliminacionde los inrrones.

Cuando William Fairbrother y su grupocompararon los exrrernos de los exones, des-cubrieron que las personas nos parecemosbasrante. Esas regiones asociadas al corre yempalme del ARN apenas varian, ni siquieraen los lugares donde una rnuracion resulra-ria silenciosa. No es que no se produzcanmutaciones en los extremes de los exones,sino que, cuando se producen, resultan tan

2 . ESTASCABRASTRANS -G EN IC AS so n p ortad oras d eg en es q ue c od ific an la p ro te in ab uti lc oli ne ste ra sa h um a n a;est a se ex trae d e su lechep ara fa bric ar u n m e dic am e ntoc on tra u na to x in a. L a in ge nie riagen etica se ben efic iara d e lo sc on oc im i en to s a dq uirid os so breq ue m u ta cio ne s sin6 nim as so nr ea l men te s il en c io s as y cualespo drian afectar ala pro teinaresultante 0a la eficacia c onq ue s e f ab ri ca .

o .. , . . ... ,., .t ..... o

It .... .t. . . '033


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S e h a d es cu bie rto q ue u na m uta cio n s in on im a a fe cta a la se ns ib ilid ada l d olo r p orq ue a lte ra la ca ntid ad p ro du cid a d e cie rta e nz im a c ru cia l. S eprod ucen en la fo rm a d el A RN m ca mbio s que afe ctan a la fa cilid ad con qu e

lo s r ib os om a s d es en ro lla n la h eb ra y la le en . E sa fo rm a p le ga da m o dificre su lta d el e mp are ja mie nto d e lo s n ud eo tid os d el A RN m. U na m uta cio nsin on im a p ue de , p or ta nto , a lte ra r e l e mp are ja mie nto d e lo s n ud eo tid os

ExonVA RIA N TE S D El G EN COMTT re s v ersio ne s fre cu en te s d el g en q ue ca di fica lac ate co l-O -m e tilt ra ns fe ra sa ( (O M T) e st an r ela cio -nadas can una sensib ilidad hacia e l do lo r ba ja (L PS ,de "low pa in sens itiv ity "), no rm al (A PS ) a e levada(H PS ). L as d ife re nc ia s e ntre la s ec ue ncia m asfr ec ue nte (A P S) y la s o tra s v aria nte s se p ro du ce n e ntre s p os ic io ne s d e lo s e xo ne s d el g en ; sin e mb arg o,s 610 u no d e lo s c am bio s (morado) a lt era e l a mi no a-c ido cod ificado . E n u n princ ip ia , se pensaba que esaera la m utac i6n que exp licaba las d ife renc ias en las en sib il id ad a l d olo r o bs er va da s e nt re in div id uo s;ahara b ien , los su je tos can L PS y 10 m ism o los ques ufria n H PS p re se nta ba n id en tico n uc le 6tid o (G ) e nd ic ha p os ic i6 n; n o p od ia s er, p ues , la u nica ra z6 n.S e d es cu bri6 q ue u na d e la s m utac io ne s s in 6n im as(azul) daba cuen ta de l s ie te par c ien to de la va ria -c i6 n e n la se ns ib ilid ad a l d olo r.

Ba jasensibil idada l d ol or ( LPS )

lntron~~Uij~ij~~~~~ijijijijijijijlijij~Hijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijijij~TG

Mutac i6nn o s in 6 n im a

eA~Mutac i6n

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al dOIO~(~~~~ ij ij ij i j ~ ~ ~ ij ~ ij ij ij ij ij ij i j ~ i j i j !III ~~j ~ i j i j ij ij ij ij ~ i j i j ij ij ij ij ij ij ij i j ~ ~ ij i j i j ij i jSe c ue n ci a ma s f re c ue n te CAT CT CAT G

Sens ib i l idada l d ol~ ~ e(~ ap dS i ~ ij ij I i j ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij IIII ij I ij i j i j ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij ij i j ~ i j ij ij ij ij i j i j i j

eA~ eTC yTGMutacion Mutacionsincnirna n o s inon ima

dariinas para la s!ntesis de proreinas, quetienden a ser conflictivas y a desaparecer dela poblacion.

Hasta la fecha, se han relacionado conmutaciones silenciosas alrededor de 50 tras-tornos gcncricos. Muchas de esas mutacionesparecen interferir tam bien en la eliminacionde intrones. Los potenciadores del corte yempalme pueden solaparse con un fragrnerirolargo de la secuencia de un gen que codificauna protein a, 10 que impone lirniracio nesnotables sobre donde se toleraria una rnuta-cion silenciosa.

Francisco Baralle, del Centro Inrernacionalde Ingenieria y Biotecnologia de Trieste, acabade dar a conocer un ejemplo sorprendente deldafio que puede provocar una muracion en unintensificador del corte y ernpalme. Los inves-tigadores descubrieron que el 25 por cienro delas mutaciones que indujeron en un exon delgen regufador d e fa conductancia transmembranade la fibrosis quistica (CFTR) inrerrumpia elcorte y empalme y, presumiblemenre, contri-buia as! a la aparicion de la fibrosis quisricao de enfermedades relacionadas.Ello no significa que la alreracion del cortey empalme sea el unico mecanismo que aplicalas rnuraciones silenciosas para causar enfer-medades, Aun cuando los intrones se elimi-nen correctamenre del transcrito de ARN, elARNm podria no plegarse de forma correcta.Contrariamente a 10 que suele representarse-por razones de simplicidad- en los librosde texto, un ARNm no corresponde a una ca-dena lineal y carenre de estructura. Del mismomodo en que se forman parejas de nucleoridosentre las dos hebras del ADN, determinadasregiones de un ARNm pueden ser comple-

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menrarias y se ernparejaran dando lugar a unacomplicada estructura plegada de tallo-bucle,La forma en que se pliega un ARNm determi-na su estabilidad, que, a su vez, puede afectara la velocidad con que es traducido por losribosomas, asi como a su posterior degradacionpor los mecanismos celulares encargados de"recoger la basura".

En el caso del gen receptor de fa dopaminaD2 (codifies un receptor de la superficie celularque detecta la presencia del neurotransmisordoparnina), una muracion silenciosa hace queel ARNm se degrade mas rapido de 10 normal.En consecuencia, se sintetiza men os canridadde la proteina codificada, 10 que da lugar atrasrornos cognitivos. Por el conrrario, en elgen que codifica la carecol-O-metiltrasferasa(COMT) , una muraci6n silenciosa aumentael grado de plegamienro del ARNm, con laconsecuencia plausible de la generacion deregiones demasiado estrucruradas que resulrandificiles de desplegar antes de la rraduccion,10 que disminuye la sinresis de la proreina.Andrea G. Nackley y su grupo, de la Uni-versidad de Carolina del Norte en ChapelHill, descubrieron que esa rnutacion afectabaa la rolerancia al dolor (no por casualidadla invesrigacion se realize en una escuela deodontologia).

Otro ejemplo de una rnutacion silenciosaque afecta a una proteina, y que correspondea uno de los efectos mas direcros, concierneal gen resistencia multifdrmaco 1, Recibe esenombre porque la proreina que produce esun transportador celular que, en las celulascancerosas, ayuda a expulsar los farmacos uti-lizados en la quimioterapia, con 10 que esascelulas se hacen resistenres a los medicamenros.

I NV ES TI GA C IO N C IE NC IA . agosto, 200g


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A M A Y O R C O M P lE J I D A D , M E N O R P R O D U C T IV I D A DS e d e rn os tro q ue e l c am bio n o s in on im o d e n uc le otid ey e l segu ndo cam bio s ino nirn o orig in aba n A RN m plega dosde una fo rm a to ia lm ente d is tin ta de la form a tom ada po rla s ec ue nc ia n or ma l. L as e str uc tu ra s d el A RN m a lte rn ativ ore su lta nte s h ic ie ro n q ue , e n la s c elu la s d e 105 s uje to s c onsensib ilida d redu cida , e l n ive l de la en zim a (O MT fuese25 veces m ayor que en 105 s uje to s c on s en sib ilid ad e le va da .

Estructu ras de los ARNm de COMT

Chava Kimchi-Sarfary y sus colaboradores, delestadounidense Instituro Nacional del Cancer,descubrieron que el cambio silencioso haciaque el rransporrador protefnico se plegara deforma incorrecta, reduciendo la capacidadde la celula para expulsar los medicarnen-ros. Puesro que los procesos de traducciony plegamienro proteinico ocurren de formasirnultanea, los investigadores dedujeron queel codon sinonirno men os frecuenre genera-do por la mutacion silenciosa provocaba unapausa duranre la traduccion, que permiria ala proreina adoptar una estrucrura inusual. Sedesconoce el motivo de esta hipoterica pausa,un misterio que puede aiiadirse a la lista decuestiones pendienres sobre el funcionamienrode genes y proteinas.Gene s e fic ie nte s, medic in as e fic ac esUna leccion que loscientificos pueden apren-del' de los descubrimientos recienres sobre losefecros de las mutaciones silenciosas es quedeb en ser caurelosos antes de dar nada porsenrado. Cuando se desconocia el mecanis-mo que relacionaba un cambio silencioso conuna alreracion en la sintesis de produccion deproteinas, se confiaba en que las rnutacionessinonirnas deb ian ser "silenciosas", Pero a laluz de los ejemplos anteriores, esa posturaresulra inasumible.

Reconocer el poder de las muraciones "notan silenciosas" esta empezando a ayudar amejorar los metodos utilizados en ingenieriagenetica. Saber que nucleotidos de un gen de-ben manrenerse y cuales podrian reemplazarsetiene una aplicacion inmediata en la biotec-nologia. La terapia genica y la fabricacion in-dustrial de prorelnas (farmacos, por ejernplo),

I NVE STI GAC I ON Y C IE NCI A , agosto, 2009

que urilizan animales 0 microorganismos, sebasan en la capacidad para diseiiar y fabricarun gen e inserrarlo en el genoma de una celula,La creacion de genes eficientes esta plagadade obstaculos: entre otros, asegurarse de queel transgen recien inrroducido sea activadopor la celula y se produzcan las canridadesadecuadas de la proteina que codifica. Aquientra enronces en juego la sensibilidad hacialos efecros de las muraciones sinonirnas, perono silenciosas.

En los genes hurnanos, la mayo ria de losintrones parecen ser prescindibles (solo uno,generalmente el primero, es necesario paraque el gen de lugar a una proreina). Ellosignifica que los rransgenes pueden compac-tarse mediante la eliminacion de los intrones.Tarnbien irnplica que algunos de los lugaresdonde se producen mutaciones silenciosaspodrian ser modificados, sin que con ello seprodujeran efecros perjudiciales, porque al ha-ber descarrado los intrones, los potenciadoresdel corte y empalme ya no sedan necesarios.Libres de esra resrriccion, los genetistas po-drian aprovechar los lugares silenciosos paraorros fines.

Un experirnento recienre realizado en elInstiruto Inrernacional de Biologia Moleculary Celular de Varsovia ilustra como se podrianmanipular, para beneficio de los humanos,los sitios donde se producen mutacionessilenciosas. Grzegorz Kudla y sus colabo-radores romaron rres genes. Cambiaron laproporcion relativa de determinadas basesde los nucleoridos en los sitios silenciosos ytransfirieron luego los genes modificados acelulas de mamifero. Sorprendenremenre, unaumenro en el conrenido en G y C hizo quela actividad genica y la sinresis de protefnasfuesen hasta 100 veces mas eficienres queen las versiones de esos mismos genes queconrenian menos G y C.

Los nuevos conocimienros adquiridos debe-dan catapultarnos para ahondar en las causasde enfermedades. En la busqueda de genesresponsables de enfermedades resultan fun-darnentales los proyecros de secuenciacion delgenoma y de caralogacion de las variacionesgenicas observadas en humanos. Hoy en dia,mediante la idenrificacion de rodas las muta-ciones punruales (polimorfismos de un solonucleotide, 0 SNP) en individuos que padecenuna enfermedad dererminada, los cienrificosdirigen su atencion hacia las regiones del ge-noma que contienen las varianres genicas quepodrian causar la parologia.

Hasta hace poco, ese tipo de investigacionesdaba por sentado que, si varias rnutacionesgenicas mostraban correlacion con un trastor-no, las varianres causanres de la enfermedad

L o s a u to re sJ. V . C ha mary y la uren ceD . H ur st a plic ar on la b io in fo rr na -tica a l estud io de la evo luc ion dela s s ec ue nc ia s q en orn ic as e n lae po ca e n q ue C ha rn ary p re pa ra bas u d oc to ra do e n e l la bo ra to riod e H ur st, e n la U niv er sid adde B ath. Hu rst, m ere cedo r de lprem io W olfson qu e con cede laR eg ia S oc ie da d d e L on dre s, e sc ate dr atic o d e q en etic a e vo lu tiv a;centra su traba jo en el estud io delas fuerzas que dan form a a losgenes y a 105 genomas .

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B i b l i o g r a f i ac o m p l e m e n t a r i aL A E VOLUCI ON CODI FI CADA.S tephen J. Freeland y L aurenceD. Hurst en t twestiqeciony C i en ci a, p a q s 60-67; juniode 2004.HEARING S I LENCE : NON -NEUTRALE VOLU TI ON A T S IL EN T S I TE S I NM AM MA LS . J . V . C ha ma ry ,Joanna L . P arm ley y L au re nceD. Hurst en Natu re Rev iewsGenetics, vol. 7 , n.' 2 , pags .98-108; febrero de 2006.HUMAN CATECHOL -O -METHYL -TRANSFERASE HAPLOTYPESMODU LAT E PRO TEI N E XPRE S S IO NB Y A LT ER IN G M RN A S EC ON DA RYS T RU CT UR E. A nd re a G . N ac kle yy co l. en Science, vol. 314 , paqs.1930 -1933; d ic iem bre de 2006.S IL E NT PO LYMORPH ISM S SPEAK :HOW THEY AF FEC T PHARMACOGE -N OM IC S A ND T HE T REA TM EN T O FC AN CER. Z uben E. S auna, C havaK im chi-S arfaty , S ureshV . Ambudkar y M ichae l M .Gottesm an en CancerR esearch,vol. 67 , n. ' 20 , paqs. 9609-9 61 2; 1 5 de octub re de 2007.SP LI CI NG I N D IS E ASE : D IS R UP T IO NO F T H E S PL IC IN G C OD E A NDTHE DECOD ING MACHI NERY .G .-S . W ang y T . A . C oo pe ren Na tu re R e vi ew s G ene ti cs ,vol. 8, n. ' 10 , pags. 749-761;oc tub re de 2007.

deberfan ser las que cambiaban la secuenciaaminoacidica de la proteina. EI gen COMT,relacionado con la rolerancia al dolor, presentauna muracion que cambia un arninoacido porotro; durante mucho tiernpo se supuso que esavariante era la unica causante de la intoleranciaal dolor. Sin embargo, se demosrro que indi-viduos con una rolerancia al dolor muy alta 0muy baja presentaban los mismos nucleotidosen ellugar correspondiente a esa mutacion, 1 0que indicaba que debia de haber otra razonpara explicar sus diferencias.

Los resultados experimentales que demos-traron que las responsables eran las mutacionessilenciosas en COMT se aceptaron solo cuandose desenrrario el mecanismo mediante el cualestas podrfan provocar un efecro.

Es probable que las causas de algunas en-fermedades se hayan atribuido erronearnentea mutaciones que provocan cambios en pro-teinas, cuando, en verdad, las responsablesson mutaciones sinonirnas. Los investigadoresdeben tenerlo presente cuando buscan una"aguja" mutacional daiiina en el "pajar" ge-nornico. Y, iquien sabe que orros mecanis-mos parogenos apareceran tras este ripo debusquedas?

i Indican los hallazgos realizados hasta lafecha que las mutaciones silenciosas son causafrecuente de enfermedad? Quiza sf. Podriaargumentarse que los cam bios silenciososrevisten un interes conceptual y encierrancierro potencial practico, pero que no se hademosrrado que sean nocivos. Sin embargo, lainvesrigacion sobre la evolucion de los genespone en entredicho, por demasiado condes-cendiente, esta forma de ver las cosas.

Hace varios aiios, uno de los aurores(Hurst) dernostro que en un segmento delgen BRCAI (relacionado con la apariciontemprana del cancer de mama), los lugaressilenciosos evolucionaban muy despacio, enroedores y en humanos. Por el contrario, elresto de las secuencias de este segmento genicoevolucionaban a una velocidad normal. Ellono significa que las mutaciones de los lugaressilenciosos que evolucionan lentamente seanraras, sino que los individuos que las ponanmueren sin trasmitirlas a su descendencia. An-dan do el tiempo, se dernostro que el segmentocoincidia con el lugar donde se enconrrabaun potenciador del corre y empalme; dichode otro modo, se rrataba de orro ejemplode una region donde la mutacion silenciosaresultaba tan perjudicial, que sus portadoresse extinguian.

iCuan frecuenres son los segmentos genicossometidos a la presion de la seleccion naturalpara que los lugares silenciosos no varicn? Enbusca de respuesta, Hurst y Parmley aborda-

ron, en los genes, regiones donde la velocidadde mutacion de los lugares silenciosos diferiadel ritmo de los lugares que sf provocabancambios en los aminoacidos. Para nuesrrasorpresa, descubrimos que los segmenros delADN que contenian lugares silenciosos convelocidades evolutivas extraordinariamenrelentas eran bastante frecuenres. De hecho,abundaban mas que las regiones donde losaminoacidos codificados evolucionan con unaceleridad excepcional. Por terrnino medio, enuna secuencia genica aparece un fragmento conlugares muy conservados, en los que se pro-ducen mutaciones silenciosas por cada rramode 10.000 a 15.000 nucleotidos.

Esrirnamos que entre el cinco y el diezpor cienro de los genes humanos contienenal menos una region donde las mutacionessilenciosas podrian resultar perjudiciales. PeterSchattner y Mark Diekhans, de la Universi-dad de California en Santa Cruz, llevaron acabo un analisis similar, en busca de regionesgenicas exrensas con lugares silenciosos hiper-conservados. Estirnaron que habia alrededorde 1600 bloques con esas caracteristicas en loscasi 12.000 genes examinados, 1 0 que coincidecon nuesrras observaciones. Sin embargo, esmuy posible que ambas estimaciones se quedencorras y que la cifra real sea mayor. Si esoslugares conservados indican donde se alojanlas mutaciones silenciosas parogenas, ignorarlosconducira inevitablemente a una identificacionerronea de las rnutaciones relacionadas conenfermedades.

EI reconocimienro de que la seleccion na-rural riene en cuenta las "no tan silenciosas"mutaciones ha ido de la mano del descubri-mienro de que la sintesis proteinica entraiiamayor complejidad de 1 0 que se pensaba [vease"EI orro genoma", por Gil Asr, INVESTIGACIONy CIENClA, junio 2005].

Los modos en que evolucionan y operan losgenes se hallan intimamcnte ligados, hasta unpunto dificilmente imaginable hace tan soloun decenio. La investigacion de esos procesospermitira esclarecer la extraordinaria cornple-jidad del funcionamienro de los genomas. EIADN no es una rnolecula lineal, sino que estaarrollada en una suerre de bobinas que tienenque desenrollarse para que pueda ocurrir latranscripcion, EI control de ese proceso ihadejado tambien su huella en forma de luga-res silenciosos? Analogamente, los rramos quecontienen codones raros dispuesros en serieson mas frecuentes de 1 0 que debieran; icu:iles su funcion?

Las respuestas a estas y otras cuestionesrelacionadas no solo nos perrnitiran ahondaren la sintesis de proteinas, sino que tambienabriran nuevas vias rerapeuricas.

CIF:-JCIA. agosto. 2009

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Mutaciones Silenciosas