Una nueva terapia molecular que elimina la expresión del gen mutado de HTT

Normalmente no me gusta escribir explicando logros de mi trabajo personal, pero esta es una publicación importante, y una publicación de la que me siento muy orgulloso. La reciente publicación en una de las revistas biomédicas más prestigiosas, Nature Medicine, atesta la importancia de este trabajo. El llegar aquí no fue fácil, y nos llevo mucho tiempo y perseverancia. Aparte de la sensación agradable del reconocimiento a tu trabajo científico, en este caso este trabajo es importante y este estudio sera reconocido como pionero durante muchos años.

Como he explicado en ocasiones anteriores, la diminución del producto tóxico generado por el gen mutado de HTT ha sido el objetivo principal del campo. Dada la complejidad de la enfermedad, y de la gran cantidad de funciones que tiene el gen HTT en el cerebro, saber cómo modificar la progresión no es fácil, y la eliminación del gen mutante se identificó desde hace años como el objetivo número uno del campo a nivel terapéutico.

El problema era cómo hacerlo.

La única diferencia entre el gen mutado de HTT y la copia normal reside en una expansión en el ADN localizada en una secuencia cerca del comienzo del gen, en la región del ADN que codifica a la proteína (una región llamada exón 1). En esta región existe una secuencia del ADN que contiene unas repeticiones de tres bases de ADN, la C-A-G. Esta es la secuencia que se expande en el caso de la enfermedad de Huntington, y que cuando llega a tener mas de 39 repeticiones, causa la enfermedad. En el caso del gen normal, todos tenemos entre 17-20 repeticiones de por media. Es esa pequeña expansión la cual causa algo tan terrible como la enfermedad de Huntington, que acaba matando a todas las personas que la heredan. Siempre pienso que es increíble el que un cambio tan pequeño en 1 de los 35,000 genes que tenemos en el genoma humano, sean capaces de causar tanto daño.

Como la diferencia entre el gen normal y el mutado es tan pequeña, encontrar maneras de disminuir la expresión solamente del gen mutado no ha sido fácil. Las terapias experimentales actuales bajan la expresión de las dos copias (incluyendo la normal), y tenemos la preocupación de que esto pueda causar problemas a largo plazo, ya que el gen normal de HTT es importante para el sistema nervioso. La terapia de Ionis/Roche y próximamente la de la compañía belga Uniqure, ahora en fase clínica, nos informarán de si el nivel de supresión del gen mutado y del gen normal atraen beneficios clínicos sin complicaciones.

Hay otra terapia en fase experimental, llevada por la compañía americana Wave, que también elimina la expresión del gen mutado solamente, pero ellos explotan una secuencia en el ADN que sólo esta presente en 30-40% personas afectadas por la enfermedad, mayoritariamente de origen europeo, y por lo tanto hasta hora no había una terapia universal para todos los pacientes de Huntington.

La estrategia utilizada por la compañía Sangamo Biosciences, en colaboración con CHDI, que yo lideré personalmente, por primera vez demuestra que esto es posible, independientemente de dónde provenga una persona que ha heredado la mutación y de cuántas repeticiones tenga.

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La historia entre Sangamo y CHDI, donde trabajo, comenzó pronto después de empezar a trabajar allí, en el 2007. Al familiarizarme con el campo de Huntington, empecé a pensar (con frustración) sobre cómo eliminar la expresión del gen mutado únicamente. En aquella época solamente teníamos un proyecto de terapias génicas, la colaboración con Ionis (que ahora esta en la ultima fase clínica, la fase 3). Pero no me sentía cómodo solamente teniendo un programa de este tipo, particularmente uno que también eliminaba la expresión de la proteína normal de HTT.

Estaba precoupado de que la eliminación de las dos copias de HTT podria acarrear problemas a largo plazo. Empecé a pensar en tecnologías emergentes que quizás se pudieran utilizar para este problema, e identifiqué la tecnología de la compañía de Sangamo como una tecnología que quizás pudiese funcionar en el caso del gen de HTT. Lo cierto es que ni yo, ni mucho menos ellos, teníamos la confianza de que esto pudiera funcionar. Me costó más de varios meses convercerlos de que merecía la pena intentarlo. En aquella época Sangamo no trabajaba en enfermedades que afectaban al sistema nervioso central, y esta oportunidad representaba una nueva dirección para ellos. Había algunos aspectos de su tecnología que me parecían útiles para conseguir este objetivo, y pensé que la expansión en la región del gen de HTT permitiría hacerlo. La expansión de CAGs que se encuentra en HTT está localizada en proximidad a elementos regulatorios del gen, lo cual en teoría permitiría silenciar el gen si se pudiese encontrar una manera de que elementos de represión génica se pudieran ‘acercar’ a la expansión. Los genes tienen una serie de secuencias de ADN complejas para la regulación de su expresión en las células que en la mayoría de los casos se localizan al inicio de los genes, muy cerca de donde está la expansión que causa la enfermedad. Estos elementos reguladores de expresión génica normalmente se encuentran localizados en una región de los genes que se llama el “promotor”. En el caso de HTT, la expansión está en el exon 1, muy cerca del promotor de HTT. La tecnología de Sangamo permite el diseño de factores de transcripción, proteínas que regulan la expresión génica. A base de ingeniería genética, se pueden diseãr proteínas que solamente reconocen ciertas bases de ADN con una secuencia específica. Por lo tanto se podrían diseñar factores específicos para reconocer las bases C-A-G de la región expandida. Estas proteínas diseñadas contienen un elemento regulador que inhibe la expresión genética. Por lo tanto, cualquier secuencia que contendiera CAGs se podría silenciar. El problema era que la repetición de CAGs en el gen de HTT también está presente en la copia del gen normal.

Cómo hacer entonces para solo inhibir el gen mutante?

Aunque estamos acostumbrados a pensar que el ADN son letras, las bases del ADN tienen una estructura propia, como cualquier otro compuesto químico, y según el número de repeticiones, el ADN tiene una estructura distinta y una longitud distinta en el caso de la copia expandida. Por lo tal, pensé que se podrían diseñar factores de transcipción que solamente pudieran reconocer a la copia expandida. Dada la ubicación de la expansión cerca a elementos del promotor de HTT, la tecnología podría ‘reconocer’ solamente una expansión de 40 repeticiones y no una de 20, e inhibir la expresión del gen mutado solamente.

A todos nos sorprendió lo bien que funcionó esta idea - en unos meses habíamos identificado proteínas que tenían un efecto en células del sistema nervioso humano, demostrando que la tecnología funcionaba. A base de aplicar técnicas de ingeniería genética, pudimos desarrollar una estrategia terapeútica que solamente inhibía la expresión de alelos mutantes de mas de 39 repeticiones (el 98% de los genes mutados que causan la enfermedad) sin afectar la expresión del gen normal. Con lo cual, esta terapia funciona en casi todas las personas con la mutación.

Otro problema que había que investigar y tratar de solucionar es el hecho de que hay otras regiones en el genoma humano con repeticiones de CAG, y dado el hecho de que las proteínas que desarrollamos reconocen estas secuencias en el ADN esto podría dar lugar a problemas si algún otro gen esencial se suprimía. Lo cierto es que antes de este trabajo, no se pensaba posible modificar estas proteínas de manera que hicieran super selectivas. Pero la estructura química del ADN, la posición de las secuencias, y donde residen en el contexto de los cromosomas, hacen posible el diseño de proteínas que solamente reconozcan secuencias de ADN en un contexto especifico. Aunque en el artículo que ahora se ha publicado, estas proteínas no eran óptimas para uso clínico, ya demostramos que solamente afectábamos la expresión de una docena de genes aparte de HTT, de los mas de dos mil secuencias con al repeticiones CAG en el genoma humano. Este grado de especificidad de factores de transcripción diseñados no era algo que se pensaba posible.

La imagen de arriba es una estructura de un factor de transcipción llamado ‘dedos de Zinc’ uniéndose a una secuencia especifica en el ADN. Cada ‘dedo’ reconoce tres bases del ADN. La combinación de varios dedos puede dar lugar a reconocer una secuencia única del ADN. Jugando con varias combinaciones que reconocen la estructura tridimensional del ADN da lugar a drogas que solamente inhiben una secuencia específica en un contexto genómico único.

El programa de nuestra colaboración con Sangamo fue adquirido por una compañía de biotecnología fuerte, llamada Shire, hace ya 5 años. Las proteínas que identificamos, y que ahora se publicaron en el articulo de Nature Medicine, fueron mejoradas para hacerlas lo más selectivas posible para que solamente inhiban el gen de HTT. Hace seis meses, Shire fue adquirida por la compañía japonesa Takeda quienes ahora están empezando a planear estudios clínicos en la enfermedad de Huntington. Este programa es el único que permitirá evaluar la eficacia clínica de la eliminación del gen mutado exclusivamente, probablemente empezando estudios clínicos hacia el final del 2021.

El impacto de nuestro trabajo con Sangamo ya ha sido enorme- hemos utilizado estos factores de transcripción en numeroso estudios pre-clínicos, en animales, estudiando biomarcadores de progresión de la enfermedad, y para responder a preguntas importantes en el campo, como por ejemplo, qué células contribuyen a la patología de la enfermedad. El hecho de que es una terapia que se puede expresar en cualquier célula (la terapia es una secuencia de ADN que produce los factores de transcripción) permite que se puedan diseñar estudios de este tipo. Estamos trabajando con mas de diez laboratorios estudiando varios temas de la enfermedad utilizando estas drogas, y estamos aprendiendo mucho de la progresión de la enfermedad. Ahora podemos ’deactivar’ el gen mutado en cualquier célula, después de que la enfermedad comience en los animales, y observar en profundidad cómo las células y circuitos neuronales se recuperan cuando el gen mutado ya no está expresado. Así hemos aprendido de que muchos de los problemas a nivel del sistema nervioso son reversibles - las células mejoran cuando ya no se expresa la mutación. Hay muy pocos casos de enfermedades del sistema nervioso donde se puede hacer un trabajo así, y este programa con Sangamo nos permitió estudiar la enfermedad de una manera que no se consideraba posible.

Ahora falta ver si este tipo de terapias tendrán el efecto curativo que esperamos - en unos años tendremos la respuesta!

Un abrazo

nacho