La identificación y validación de biomarcadores en la enfermedad de Parkinson ayudará tanto en el diagnóstico como en la elección del tratamiento idóneo.

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Biomarcadores epigenéticos: diagnóstico y seguimiento del Parkinson

Dra. Olaia Martínez – Directora del Área de Epigenética

Los factores genéticos definen tan solo parcialmente el origen de la Enfermedad de Parkinson, siendo esta enfermedad causada por la combinación de una serie de mecanismos genéticos y epigenéticos.

La epigenética es la ciencia que estudia las modificaciones que ocurren en el genoma pero que no afectan a la secuencia de ADN.

Las modificaciones epigenéticas incluyen la metilación del ADN, modificaciones postraduccionales de histonas y los ARN no codificantes, entre los que destacan los miRNAs. Todas estas modificaciones epigenéticas regulan la expresión de diversos genes y por tanto tienen un papel fundamental en el mantenimiento de la homeostasis y el correcto funcionamiento del organismo.

Estas modificaciones además son más frecuentes durante el envejecimiento y se asocian en buena medida a factores externos o ambientales como la exposición a pesticidas y contaminantes, la alimentación, el alcohol, el tabaquismo, etc.

Por otra parte, las alteraciones epigenéticas también se asocian con factores genéticos por lo que el estudio complementario de genética y epigenética es de gran interés en la biomedicina.

La búsqueda de biomarcadores epigenéticos en la Enfermedad de Parkinson es de gran utilidad para el diagnóstico y seguimiento de estos pacientes.
La identificación y validación de estos biomarcadores ayudaría tanto en el diagnóstico como en la elección del tratamiento idóneo (medicina de precisión o personalizada) y en la monitorización de la respuesta del paciente al tratamiento suministrado. Además, el objetivo es encontrar biomarcadores de diagnóstico precoz, que permitan identificar el riesgo de esta enfermedad 10 años antes de padecerla, permitiendo así un diagnóstico y tratamiento precoz, mejorando por tanto en gran medida la calidad de vida del paciente.

En la Enfermedad de Parkinson el acceso a material del cerebro es complicado y tiene lugar post mortem. Por ello, la obtención de biomarcadores en fluidos corporales como la sangre sería de gran utilidad para el diagnóstico y monitorización de estos pacientes. Además, diversos estudios han demostrado que existe una gran similitud entre los patrones de metilación global entre las muestras de cerebro y de sangre. De este modo las muestras de sangre son una fuente más sencilla y adecuada para el estudio de biomarcadores epigenéticos de la enfermedad de Parkinson.

A continuación expondremos en este artículo los datos que se conocen hasta el momento sobre los distintos biomarcadores epigenéticos para el diagnóstico y seguimiento de la Enfermedad de Parkinson.

Biomarcadores para la enfermedad de Parkinson basados en la Metilación del DNA

La metilación del ADN es el mecanismo epigenético más estudiado y mejor caracterizado en la actualidad. Existen 2 mecanismos principales de metilación del ADN, no excluyentes entre si, que explican por qué la metilación del ADN se asocia con la represión de la expresión del gen que se encuentra metilado:

  • La metilación del ADN interfiere y dificulta la unión física de la maquinaria necesaria para que los genes se puedan expresar.
  • Una vez metilado el DNA es reconocido por unas proteínas, denominadas MeCP2, que a su vez permiten que se unan complejos que favorecen la represión de ese gen.

Tanto los pacientes con Enfermedad de Alzheimer como de Parkinson muestran unos niveles menores de metilación global en su genoma en comparación con los individuos sanos.

Esto es debido principalmente a una expresión reducida de enzimas metiltransferasas (DNMTs), enzimas responsables de la metilación del ADN, y a una actividad defectuosa de la vitamina B12. La vitamina B12 es fundamental en la actividad de las metiltransferasa SAMe. Por lo tanto la cuantificación de los niveles globales de metilación en una muestra de sangre del paciente podría ser de gran utilidad en el diagnóstico de estas enfermedades, sin embargo a día de hoy no sería posible distinguir entre Enfermedad de Alzheimer y Parkinson en aquellos individuos con unos niveles anormalmente bajos de metilación global.

Actualmente, el biomarcador epigenético más estudiado es la metilación del DNA en el gen de la alfa-synucleina, que es el principal componente de los cuerpos de Lewy, característicos de la enfermedad de Parkinson.

Se ha detectado un aumento en la expresión y una disminución en la metilación de este gen en neuronas dopaminérgicas de individuos con Enfermedad de Parkinson.

Sin embargo, tal y como se ha comentado anteriormente, la complejidad que supone la obtención de este tipo de muestras imposibilita la aplicabilidad clínica de estos resultados. Sin embargo, 4 estudios independientes recientes, realizados en muestras de sangre, han demostrado que también se produce una disminución en la metilación de este gen en pacientes con enfermedad de Parkinson, en comparación con los niveles detectados en individuos sanos.

Además, el tratamiento con levodopa, el más habitual en estos pacientes, revierte la hipometilación de alfa-synucleina asociada al envejecimiento, lo que hace que pueda ser un biomarcador útil para la monitorización de la respuesta a este tratamiento de los pacientes. De este modo, este biomarcador podría servir para el diagnóstico de aquellos enfermos no tratados aún así como para analizar si el paciente responde adecuadamente al tratamiento suministrado.

Sin embargo, no todos son luces en la metilación de este gen. Existen también varios artículos científicos en los que no se detectan estas variaciones en la metilación. Además, también se ha detectado un patrón de hipometilación similar en pacientes con Demencia con cuerpos de Lewy y Enfermedad de Alzheimer, indicando que no es un biomarcador específico de la Enfermedad de Parkinson. Por ello, para que estos resultados sean robustos y adecuados para su uso en la práctica clínica es necesaria aún la realización de más experimentos y tener en cuenta más variables tales como los subtipos de Parkinson, los síntomas, el riesgo genético y la edad.

Otra estrategia que se ha seguido para la identificación de biomarcadores epigenéticos basados en la metilación del ADN ha sido la realización de ensayos de asociación genómica. De este modo, en investigaciones en las que se analizó el genoma a gran escala se observó que hay 124 sitios diferencialmente metilados en las muestras de sangre de enfermos de Parkinson. Además, estos sitios coinciden con otros que habían sido identificados previamente, mediante análisis transcriptómicos y genómicos de todo el genoma. El profundizar en el estudio de estos sitios podría contribuir en el descubrimiento de biomarcadores robustos para la Enfermedad de Parkinson.

Otros genes cuya metilación se encuentra alterada en los pacientes con enfermedad de Parkinson son los conocidos como “clock genes”. Se analizó el estado de metilación de estos genes (PER1, PER2, CRY1, CRY2, Clock, NPAS2 y BMAL1) en muestras sanguíneas, y se observó que tan sólo los genes CRY1 y NPAS2 se encontraban metilados. Además, la metilación de NPAS2 se veía significativamente disminuida en pacientes con enfermedad de Parkinson. Este hallazgo puede ser de gran importancia y se ve reforzado por el hecho de que los problemas de sueño son un síntoma temprano en estos pacientes.

Otro gen interesante es MAPT, que presenta una asociación genética con la enfermedad de Parkinson. Además, al realizar los estudios de metilación en muestras de sangre se observó una mayor metilación en el haplotipo H1, que se ha visto que está asociado con la enfermedad de Parkinson, en comparación con el haplotipo H2.

Modificaciones postraduccionales de histonas en la enfermedad de Parkinson

Aunque la metilación del ADN es el mecanismo epigenético más estudiado, las modificaciones postraduccionales de histonas también tienen un papel fundamental en la regulación de la expresión génica. Estas modificaciones afectan a la estructura de la cromatina y a como se empaqueta el DNA, haciéndolo más o menos accesible a la maquinaria necesaria para la expresión génica.

Existen diversos estudios sobre el papel de la acetilación y desacetilación de histonas en la enfermedad de Parkinson.

Además, también se ha descrito la importancia de la metilación de histonas en la pérdida de células dopaminérgicas que tiene lugar durante la progresión de la enfermedad de Parkinson.

Sin embargo estos estudios se han realizado en cultivos celulares y modelos animales y nunca en muestras sanguíneas humanas. El estudio de las modificaciones postraduccionales asociadas a la Enfermedad de Parkinson es un campo de gran interés, aún por explorar, en la búsqueda de biomarcadores epigenéticos para la Enfermedad de Parkinson.

Expresión de microARNs en la enfermedad de Parkinson

Los microRNA son los biomarcadores de diagnóstico y progresión más populares en distintas enfermedades como el cáncer. Además, los miRNAs son muy estables en la sangre, lo que hace de ellos unos candidatos muy interesantes en la búsqueda de biomarcadores para el diagnóstico de distintas enfermedades.

Los miRNAs son pequeñas moléculas de RNA que se unen a los ARN de la célula impidiendo su transcripción hacia una proteína, impidiendo de este modo la funcionalidad del gen al que se van a unir.

Así, una expresión alterada de estos ARNs no codificantes conduce a una expresión alterada de los genes a los que se une.

Se ha descrito ampliamente la importancia de distintos miRNAs en la patogenia de la Enfermedad de Parkinson, lo que indica que podrían servir como potenciales biomarcadores de esta enfermedad.

Un hecho clave en esta enfermedad es la acumulación anormal de agregados de alfa-synucleina en el cerebro de estos pacientes. Se ha descrito que esta proteína es diana de 2 miRNAs, miR-7 y miR-153, que actúan de manera sinérgica para disminuir los niveles de ARNm y proteína de alfa-synucleina. Por otro lado, el estudio del cerebro de enfermos de Parkinson muestra niveles elevados de varios miRNAs como miR-21, miR-26b, miR-224, miR-373, miR-301b y miR-106b, todos ellos relacionados con genes implicados en el fenómeno de la autofagia, que a su vez está relacionada con los cuerpos de Lewy.

Un papel destacado tienen aquellos miRNAs que se puedan encontrar alterados en fluidos biológicos, dada su mayor accesibilidad y facilidad a la hora de obtener la muestra. Diferentes estudios de distintos grupos han identificado una serie de miRNAs que se encuentran aumentados o disminuidos en pacientes con Enfermedad de Parkinson, como podemos ver en la tabla a continuación:

Resumen de los estudios realizados sobre los miRNAs como posibles biomarcadores en biofluidos de enfermos de Parkinson

biomarcadores-epigeneticos-parkinson

Conclusiones

Actualmente, el diagnóstico de los pacientes con Enfermedad de Parkinson se basa principalmente en la observación clínica de los síntomas y se apoya en una serie de pruebas de imagen.

Debido a esto, el diagnóstico de estos pacientes normalmente ocurre cuando ya el paciente está en un estadío más o menos avanzado de la enfermedad, cuando ya las oportunidades terapéuticas son limitadas.

Por ello es de gran importancia la identificación de biomarcadores sanguíneos capaces de proporcionar un diagnóstico temprano, cuando los síntomas aun no han aparecido en el paciente.

La regulación epigenética se ha demostrado que juega un papel fundamental en la Enfermedad de Parkinson. Por ello, el descubrimiento de biomarcadores epigenéticos que permitieran analizar al paciente con un simple análisis de sangre sería de gran utilidad para el diagnóstico precoz de estos pacientes, logrando así un mejor diagnóstico, tratamiento y seguimiento de esta enfermedad.

Además, la epigenética está fuertemente influenciada por distintas situaciones ambientales (exposición a tóxicos, alimentación, etc), por lo que si estos biomarcadores nos permiten detectar con suficiente antelación el riesgo de padecer esta enfermedad, nos permitirá no sólo seguir pautas terapéuticas precoces sino también adquirir nuevos hábitos más saludables que nos permitan mejorar los niveles de estos marcadores y por tanto retrasar en gran medida la enfermedad.

Actualmente no disponemos de ningún biomarcador epigenético suficientemente validado para su aplicación en clínica. Sin embargo, los enormes esfuerzos que se están realizando en este campo en los últimos años proporcionarán en breve la incorporación de estos biomarcadores epigenéticos en el diagnóstico y tratamiento de los enfermos con Parkinson.

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Bibliografía

1.- Ai S et al.Hypomethylation of SNCA in blood of patients with sporadic Parkinson´s disease. J Neurol Sci. 2013; 337: 123-128
2.-Alieva AK et al. miRNA expression is highly sensitive to a drug therapy in parkinson´s disease. Parkinsonism Relat Disord. 2015; 21:72-74.
3.- Alvarez-Erviti L et al. Influence of microRNA deregulation on chaperone-mediated autophagy and alpha-synuclein pathology in Parkinson´s disease. Cell Death Dis. 2013; 4:e545
4.- Ammal Kaidery et al. Epigenetic landscape of parkinson´s disease: Emerging role in disease mechanisms and therapeutic modalities. Neurotherapeutics. 2013; 10:698-708
5.- Botta-Orfila T eta al. Identification of blood serum micro-RNAs associated with idiophatic and LRKK2 Parkinson´s disease. J Neurosci Res. 2014. 92:1071-1077.
6.- Burgos K et al. Profiles of extracelular miRNA in Cerebrospinal Fluid and Serum from patients qith alzheimer´s and Parkinson´s Diseases correlate with Disease status and features of pathology. PLos ONE. 2014; 9(5):394839
7.- Cardo LF et al. Profile of microRNAs in the plasma of Parkinson´s disease patients and healthy controls. J Neurol. 2013;260:1420-1422
8.- Coupland K et al. DNA methylation of the MAPT gene in Parkinson´s disease cohorts and modulation by vitamin E in vitro. Mov Disord. 2014; 29: 1606-1614
9.- Domcke S et al. Competition between DNA methylation and transcription factors determines binding of NRF1. Nature. 2015; 528: 575-579
10.- Doxakis E. Post-transcriptional regulation of alpha-synuclein expression by miR-7 and miR-153. J Biol Chem. 2010; 285:12726-12734
11.- Da Silva F et al. microRNAs involved in Parkinson´s disease: A systematic review. Molecular Medicine Reports. 2016; 14:4015-4022.
12.- Funahashi Y et al. DNA methylation changes at SNCA intron 1 in patients with dementia with Lewy bodies. Psychiatry Clin Neurosci. 2017; 71: 28-35
13.- Jakubowski J and Labrie V. Epigenetic biomarkers for Parkinson´s disease: from diagnostic to therapeutics. J Park dis. 2017; 1-12
14.- Junn E et al. Represion of alpha-synuclein expression and toxicity by microRNA-7. Proc Natl Acad Sci USA. 2009;106:13052-13057
15.- Khoo SK et al. Plasma-based circulating microRNA biomarkers for Parkinson´s disease. J Parkinsons Dis. 2012; 2:321-331.
16.- Kontopoulos E et al. Alpha-synuclein acts in the nucleus to inhibit histone acetylation and promote neurotoxicity. Hum Mol Genet. 2006; 15: 3012-3023
17.- Kouzarides T. Chromatin modifications and their functions. Cell. 207; 128:693-705
18.- Landgrave-Gómez J eta l. Epigenetic mechanisms in neurological and neurodegenerative diseases. Front Cell Neurosci. 2015; 9:58.
19.- Lardenoije R et al. The epigenetics of aging and neurodegeneration. 2015; 131: 21-64
20.- Lin Q et al. Promoter methylation analysis of seven clock genes in parkinson´s disease. Neurosci Lett. 2012; 507; 147-150
21.- Lovrecic L et al. The role of epigenetics in neurodegenerative disease. 2013; Chapter 14
22.- Lu H et al. DNA methylation, a hand behind neurodegenerative diseases. Front Aging Neurosci. 2013; 5:85
23.- Margis R et al. Identification of blood microRNAs associated to Parkinson´s disease. J Biotechnol. 2011;152:96-101
24.- Martins M et al. Convergence of miRNA expression profiling, -synuclein interaction and GWAS in parkinson´s disease. PLos ONE. 2011; 6(19):e25443
25.- Miranda-Morales E et al. Implications of DNA methylation in parkinson´s disease. Frontiers in Mol Neurosci. 2017; 10
26.- Mushtaq G et al. miRNAs as circulating biomarkers for Alzheimer´s Disease and Parkinson Disease. Med Chem. 2016; 12(3):217-225.
27.- Nan X et al. Transcriptional repression by the methyl-CpG-binding protein MeCP2 involves a histone deacetylase complex. Nature. 393; 386-389
28.- Nicholas AP et al. Striatal histone modifications in modles of levodopa-induced dyskinesia. J Meurochem. 2008; 106: 486-494
29.- Outeiro TF et al. Sirtuin 2 inhibitors rescue alpha-synuclein-mediated toxicity in models of Parkinson´s disease. Science. 2007; 317: 516-519
30.- Pihlstrom L et al. Prkinson´s disease correlates with promoter methylation in the -synuclein gene. Mov disord. 2015: 30:577-580
31.- Serafin A et al. Overexpression of bloos microRNAs 103a,30b and 29ª in L-dopa-treated patients with PD. Neurology.2015: 84:645-653
32.- St Laurent R et al. Sodium butyrate improves locomotor impairment and early mortality in a rotenone-induced Drosophila model of Parkinson´s disease. Neuroscience. 2013; 246: 382-390
33.- Strahl BD and Allis CD. The language of covalent histone modifications. Nature. 2000; 403:41-45
34.- Tang Y et al. Jmjd3 is essential for the epigenetic modulation of microglia phenotypes in the immune pathogenesis of Parkinson´s disease. Cell Death Differ. 2014; 21: 369-380
35.- Teijido O and Cacabelos R. Pharmacoepigenomic interventions as novel potential traetments for Alzheimer´s and Parkinson´s diseases. Int J of Mol Sci. 2018; 19, 3199.
36.- Vallelunga A et al. Identification of circulating microRNAs for the differential diagnosis of Prakinson´s disease and multiple system atrophy. Front Cell Neurosci. 2014; 8:156