La proteína asociada a la microcefalia fusiforme anormal , también conocida como homólogo de la proteína fusiforme anormal u homólogo de Asp , es una proteína que en los humanos está codificada por el gen ASPM . [5] La ASPM se encuentra en el cromosoma 1 , banda q31 (1q31). [6] El gen ASPM contiene 28 exones y codifica una proteína de 3477 aminoácidos de longitud. [6] La proteína ASPM se conserva en todas las especies, incluidos los humanos, los ratones, Drosophila y C. elegans . [6] Las formas defectuosas del gen ASPM están asociadas con la microcefalia primaria autosómica recesiva . [5] [7]
"ASPM" es un acrónimo de " Abnormal Spindle -like, M icrocephaly-associated", que refleja que es un ortólogo del gen "abnormal spindle" ( asp ) de Drosophila melanogaster . El producto proteico expresado del gen asp es esencial para el funcionamiento normal del huso mitótico en los neuroblastos embrionarios y la regulación de la neurogénesis. [6] [8]
Un nuevo alelo de ASPM surgió en algún momento de los últimos 14.000 años (estimación media de 5.800 años), durante el Holoceno , y parece haberse extendido por gran parte de la población europea y de Oriente Medio. Aunque el nuevo alelo es evidentemente beneficioso, los investigadores no saben qué hace. [ cita requerida ]
El gen del ratón, Aspm , se expresa en los sitios primarios de la neurogénesis cortical cerebral prenatal . La diferencia entre Aspm y ASPM es una única inserción grande que codifica los llamados dominios IQ . [9] Los estudios en ratones también sugieren un papel del producto del gen Aspm expresado en la regulación del huso mitótico. [10] La función se conserva, se demostró que la proteína ASPM-1 de C. elegans se localiza en los ásteres del huso, donde regula la organización y la rotación del huso al interactuar con calmodulina, dineína y LIN-5 relacionado con NuMA. [11]
Un estudio en ratones que analizó el crecimiento del meduloblastoma en ratones para estudiar el gen Aspm , un ortólogo del ASPM humano, sugiere que la expresión de Aspm puede impulsar la neurogénesis cerebelosa posnatal . [12] Este proceso ocurre tarde en la embriogénesis e inmediatamente después del nacimiento durante un lapso de tiempo de aproximadamente 2 semanas en ratones y 12 meses en humanos, y está regulado por la expresión del gen Shh . [13] En los progenitores de neuronas granulares cerebelosas proliferantes ( CGNP ), la expresión de Shh en modelos de ratón mostró cuatro veces la cantidad de expresión de Aspm que aquellos privados de la expresión de Shh in vivo . Esta inducción de Aspm y regulación positiva durante la neurogénesis cerebelosa también se observó en PCR en tiempo real , donde su expresión fue relativamente alta en el pico de la neurogénesis y mucho menor al final de la neurogénesis. Además, el estudio indica que Aspm es necesario para la neurogénesis cerebelosa. En presencia de mutaciones y deleciones de Aspm KO , los modelos de ratones experimentales muestran una disminución del volumen cerebeloso bajo resonancia magnética , en comparación con los controles. [14] Además de los efectos de Aspm mutado en la neurogénesis, estas mutaciones también pueden desempeñar un papel en la diferenciación neuronal . Al observar los cerebros adultos en ratones Aspm KO, hubo una tendencia en la reducción general del tamaño y variaciones en el grosor cortical entre los modelos mutantes y de tipo salvaje . En la corteza somatosensorial, los ratones KO tenían una corteza de capa I significativamente más gruesa, una corteza de capa VI más delgada y una disminución general del grosor cortical en la placa cortical . Ciertas expresiones de factores de transcripción también fueron anormales en los ratones KO. Por ejemplo, Tbr1 y Satb2 tuvieron una mayor presencia en la subplaca cortical, el primero de los cuales es importante para la diferenciación y la migración neuronal, y el segundo es un regulador de la transcripción y la remodelación cromosómica. [15]
Aunque los estudios en ratones han establecido el papel de las mutaciones de Aspm en la microcefalia, varios han vinculado esta mutación a otros defectos significativos. [16] Un estudio mostró alteraciones de las fibras nerviosas en las que se alteró la forma y la forma de la corteza y el tejido de la materia blanca . Esto se demostró postnatalmente comparando ratones KO y controles, donde tanto el número de células como el grosor cortical disminuyeron en los ratones KO. Utilizando una metodología de tinción celular para el análisis histológico, el estudio también mostró distancias más cortas entre neuronas adyacentes en ratones KO, lo que indica anomalías en la alineación celular en ausencia de Aspm normal . [17]
Otro impacto significativo de la Aspm mutada se observa en las anormalidades de la línea germinal dentro de los modelos de ratón. Se ha demostrado que las mutaciones en la Aspm reducen la fertilidad tanto en ratones hembra como macho, lo que se indica por una disminución en la tasa de embarazo y, en consecuencia, el número de crías, así como una disminución en el tamaño de los ovarios femeninos, así como en el recuento de espermatozoides masculinos y el tamaño de los testículos. El enfoque en las mutaciones graves de la línea germinal (en contraposición a solo la microcefalia leve) en estos modelos de ratón plantea la pregunta de si la selección humana de la ASPM puede estar más significativamente vinculada a la reproducción que al tamaño del cerebro. [18] [19] Además de los modelos de ratón, un estudio con hurones revela más sobre la ASPM y su papel en la determinación del tamaño y el grosor cortical. Los investigadores de este estudio eligieron hurones en lugar de modelos de ratón debido a las incongruencias entre los efectos de la Aspm en ratones frente a los efectos de la ASPM en humanos: los humanos con microcefalia debido a esta mutación genética tienden a tener tamaños cerebrales significativamente reducidos (alrededor del 50% de reducción), mientras que la mutación análoga en ratones solo da como resultado una reducción leve del tamaño cerebral. [19] Los hurones también muestran más similitudes con los humanos en términos de estructura cerebral; los cerebros de los hurones tienen girificación en altas cantidades similares a los humanos, diferentes de los cerebros relativamente lisos de los ratones. Como resultado, hay menos área de superficie cortical en ratones en comparación con la de hurones y humanos. [20] En este estudio de 2018, los investigadores se centraron en el exón 15 de Aspm , donde una mutación en humanos está relacionada con casos graves de microcefalia. [21] Con una pérdida de función en Aspm , los hurones con mutaciones de Aspm vieron una disminución del 40% en el tamaño general del cerebro junto con ninguna reducción en el tamaño corporal, similar a los efectos de la pérdida de ASPM en humanos. El estudio también analizó las vías y mecanismos del neurodesarrollo que conducen a la neurogénesis en los hurones KO en comparación con los controles WT, estudiando específicamente tres tipos diferentes de células progenitoras neuronales ( NPC ), todas las cuales expresan el marcador mitótico Ki-67 y experimentan migración glial radial a la placa cortical. [22] [23] [24] Encontraron que las células neuronales progenitoras de la zona subventricular externa ( OSVZ ) estaban desplazadas en gran medida, especialmente frontal y dorsalmente, lo que refleja los efectos observados en las reducciones del volumen cortical debido a la KO de ASPM.
La microcefalia primaria humana (MCPH) es un subtipo distinto que se hereda genéticamente como un rasgo autosómico recesivo . [25] La MCPH se caracteriza por una corteza cerebral más pequeña asociada con retraso mental leve a moderado y sin otros déficits neurológicos. [6] [26] Además, la MCPH se asocia con la ausencia de causas ambientales como infecciones intrauterinas, exposición a radiación o fármacos prenatales, fenilcetonuria materna y asfixia al nacer. [26] La MCPH tiene una tasa de incidencia de 1/30.000 a 1/250.000 en las poblaciones occidentales. [27] Hasta la fecha, se han descubierto mutaciones en seis loci y cuatro genes asociados con la microcefalia en humanos. [28] ASPM , uno de estos genes, se encuentra en el locus MCPH5. [29] La causa más común de MCPH en humanos es la mutación genética homocigótica del gen ASPM , ortólogo del gen del huso anormal de Drosophila ( asp ). [6] En los seres humanos, el gen ASPM puede desempeñar un papel importante en el crecimiento de la corteza cerebral . [28] Se han descubierto un total de 22 mutaciones en el gen ASPM en individuos de Pakistán, Turquía, Yemen, Arabia Saudita, Jordania y los Países Bajos. [6] [21]
Un estudio realizado en Karnataka, India del Sur por Kumar et al. analizó la genética de MCPH debido a mutaciones en el gen ASPM . [26] El estudio incluyó nueve familias con parientes consanguíneos a lo largo de muchas generaciones familiares. [26] Kumar et al. realizó un análisis cromosómico de bandas G de alta resolución y un análisis de haplotipos de individuos y familias de afectados por MCPH. [26] Kumar et al. descubrió que las familias del sur de India afectadas por mutaciones en el locus MCPH5 no compartían un haplotipo de enfermedad común; por lo tanto, los autores propusieron que diferentes mutaciones en el gen ASPM son responsables de MCPH. [26]
Gul et al. realizaron un estudio genético similar de MCPH en familias paquistaníes para evaluar la relación entre las mutaciones del gen ASPM y la microcefalia. [28] El estudio fue aprobado por la Junta de Revisión Institucional de la Universidad Quaid-I-Azam en Islamabad, Pakistán, e implicó la extracción de ADN y técnicas de PCR para mapear genéticamente el gen ASPM . [28] La genotipificación utilizando regiones microsatélites en el gen reveló que las mutaciones del locus MCPH5 eran la causa más común de MCPH. [28] La genotipificación vinculó además las mutaciones en el locus MCPH2, el locus MCPH4 y el locus MCPH6 con la microcefalia. [28] El análisis de secuencia de ASPM en humanos reveló cuatro mutaciones nuevas; Estos cuatro tipos de mutaciones son una inserción de cuatro nucleótidos (9118insCATT), una mutación sin sentido (L3080X), una deleción de siete nucleótidos (1260delTCAAGTC) y una mutación sin sentido (Q3180P). [28] Gul et al. encontraron que los padres que eran portadores heterocigotos para ASPM tenían circunferencias cerebrales normales y niveles de inteligencia normales. [28] Los científicos no pudieron identificar mutaciones en el locus MCPH5 en nueve familias que tenían miembros afectados por MCPH. [28] Concluyeron que las mutaciones podrían estar ubicadas en las secuencias reguladoras de ASPM , o que un gen distinto de ASPM ubicado en la misma región podría estar mutado. [28]
Los tipos de mutaciones que causan MCPH en humanos se ampliaron mediante un estudio realizado por Pichon et al. en un individuo con microcefalia primaria, ya que el estudio reveló un punto de ruptura de translocación en el gen ASPM . [30] Pichon et al. obtuvieron clones BAC con fragmentos de digestión Bam HI del inserto "RP11-32D17" y utilizaron hibridación in situ fluorescente (FISH) para marcar los clones con fluoresceína-12-dUTP. [30] Para localizar con precisión el punto de ruptura de translocación, se analizaron los fragmentos de digestión Bam HI de "RP11-32D17". [30] El punto de ruptura de translocación se localizó dentro del intrón 17 del gen ASPM . [30] La translocación resultó en una proteína ASPM truncada, que es muy probablemente una proteína no funcional que también se observa en mutaciones puntuales truncadas informadas en pacientes con MCPH. [30]
Un nuevo alelo (versión) de ASPM apareció en algún momento dentro de los últimos 14.100 años, con una estimación media de hace 5.800 años. El nuevo alelo tiene una frecuencia de alrededor del 50% en las poblaciones de Oriente Medio y Europa, es menos frecuente en el este de Asia y tiene frecuencias bajas entre las poblaciones de África subsahariana. [31] También se encuentra con un porcentaje inusualmente alto entre la gente de Papúa Nueva Guinea , con una incidencia del 59,4%. [32]
La edad media estimada del alelo ASPM de hace 5.800 años se correlaciona aproximadamente con el desarrollo del lenguaje escrito, la expansión de la agricultura y el desarrollo de las ciudades. [33] [ se necesita una mejor fuente ] Actualmente, existen dos alelos de este gen: el más antiguo (anterior a 5.800 años) y el más nuevo (posterior a 5.800 años). Alrededor del 10% de los humanos tienen dos copias del nuevo alelo ASPM, mientras que alrededor del 50% tienen dos copias del alelo antiguo. El otro 40% de los humanos tiene una copia de cada uno. De aquellos con una instancia del nuevo alelo, el 50% de ellos son una copia idéntica. [34] [35] El alelo afecta al genotipo en una región grande (62 kbp), un llamado barrido selectivo que señala una rápida propagación de una mutación (como el nuevo ASPM) a través de la población; esto indica que la mutación es de alguna manera ventajosa para el individuo. [32] [36]
Las pruebas de CI de personas con y sin el nuevo alelo ASPM no han mostrado diferencias en el CI promedio, lo que no aporta evidencia que respalde la idea de que el gen aumenta la inteligencia. [36] [37] [38] Otros genes relacionados con el desarrollo cerebral parecen haber estado bajo presión selectiva en diferentes poblaciones. El gen DAB1 , involucrado en la organización de las capas celulares en la corteza cerebral, muestra evidencia de un barrido selectivo en los chinos . El gen SV2B , que codifica una proteína de vesícula sináptica, también muestra evidencia de un barrido selectivo en los afroamericanos . [39] [40]