GENÉTICA DE LAS ATAXIAS ESPINOCEREBELOSAS Dr. Víctor Volpini Centro de Diagnóstico Genético-Molecular de Enfermedades Hereditarias (CDGM) Institut d’Investigació Biomèdica de Bellvitge (IDIBELL) L’Hospitalet de Llobregat - Barcelona

Definición de las ataxias cerebelosas hereditarias de aparición tardía Conjunto de enfermedades neurodegenerativas que afectan principalmente al cerebelo o a sus vías de conexión aferentes o eferentes. Inicio en la tercera o cuarta década de la vida con trastorno de la marcha y alteración del equilibrio Incidencia: 1-5 / 100.000 La atrofia del cerebelo es una característica común en este tipo de enfermedades hereditarias

Clasificación de las ataxias cerebelosas de herencia autosómica Ataxias hereditarias autosómicas recesivas Ataxias hereditarias autosómicas dominantes, ADCAs (Harding, 1993) ADCA I : síndrome cerebelar y otras alteraciones del SNC. ADCA II : degeneración retiniana. ADCA III : ataxia cerebelar pura de aparición tardía.

ALTERACIÓN DE LA MARCHA ALTERACIÓN EQUILIBRIO Clínica de las ADCAs ATROFIA CEREBELAR ALTERACIÓN DE LA MARCHA TEMBLORES DEGENERACIÓN DE LAS CÉLULAS DE PURKINJE ALTERACIÓN EQUILIBRIO INCAPACIDAD MOTORA

Prevalencia de las ADCAs Distribución mundial * * Unknown = 34 % Bird, T. D. www.geneclinics.org

Genes con tripletes expansivos ENFERMEDAD MIM / GEN LOCALIZACIÓN CROMOSÓMICA LOCALIZACIÓN TRIPLETE SECUENCIA REPETITIVA NORMAL PENETRANCIA INCIERTA PENETRANCIA REDUCIDA PENETRANCIA COMPLETA SCA1 / ATXN1 ADCA I 6p23 CODING EXON CAG 6 - 38 - 39 - > 91 * SCA2 / ATXN2 12q24 14 - 31 32 - 34 35 - > 77 * SCA 3 / ATXN3 14q24.3-q31 11 - 44 45 - 50 51 - > 87 SCA 6 / CACNA1A ADCA III 19p13 4 - 18 19 - 20 21 - > 33 SCA 7 / ATXN7 ADCA II 3p21.1-p12 4 - 19 20 - 33 34 - 35 36 - > 220 SCA12 / PPP2R2B 5q31-q33 (a –133N, 5’) NO CODING 4 - 32 33- 50 51 - > 78 SCA 17 / TBP 6q27 25 - 42 43 - 48 49 - > 66 B37 / ATN DRPLA 12p13.31 6 - 35 36 - 48 49 - > 93 IT15 HUNTINGTON 4p16.3 27- 35 36 - > 180 AR KENNEDY Xq11-q12 9 - 36 37 38 - > 65 X25 / FXN A. FRIEDREICH 9q13 INTRON GAA 6 - 34 35 - 66 67 - >1700 * Secuencias puras no interrumpidas

Otros loci SCA clonados TIPO ADCA LOCALIZACIÓN GEN MARCADOR  LOD SCORE SCA5 ADCA III 11q13 SPTBN2 D11S913 0.03 12,27 SCA8 ADCA I 13q21 ATXN8/ ATXN8OS CAG/CTG (exon) 0.00 6,80 SCA10 22q13 ATXN10 D22S928 4,30 SCA11 ADCAIII 15q15.2 TTBK2 D15S1039 4,67 SCA13 19q13.3-q13.4 KCNC3 D19S867 3,50 SCA14 19q13.4 PRKCG D19S418 3,51 SCA15 3p26.1-p25.3 ITPR1 D3S1560 3,54 SCA27 13q34 FGF14 D13S280 4,28 SCA28 18p11.22-q11.2 AFG3L2 D18S53 4,2 SCA31 16q21-q22 BEAN-TK2 D16S3141 6,01

Otros loci SCA reportados no clonados TIPO ADCA LOCALIZACIÓN MARCADOR  LOD SCORE SCA4 ADCA I 16q22 D16S3018 0.00 4,48 SCA16 ADCA III 3p26-p25 D3S1560 3,54 SCA18 7q22-q32 D7S2554 6,36 SCA19 ADCA 1p21-q21 D1S534 3,83 SCA20 11q12.2-11q12.3 D11S4191 4,47 SCA21 7p21.3-p15.1 D7S503 3,26 SCA22 D1S1167 3,46 SCA23 20p13-p12.3 D20S199 SCA25 2p21-p13 D2S2378 3,45 SCA26 19p13.3 D19S878 14,61 SCA29 3p26 D3S3630 4,26 SCA30 4q34.3-q35.1 rs1397413- rs 2175476 3,00

Características de las ataxias hereditarias autosómicas dominantes Fenómeno de anticipación genética Mosaicismo germinal y somático Patrón de herencia monogénica autosómica dominante Expresividad dependiente de: la edad de aparición: inversamente proporcional del número de repeticiones: directamente proporcional INDIV. EDAD SÍNTOMAS Nº REPETI. I.2 (2) >70 LEVES PEQUEÑO II.1 (3) 4r década MODERADOS MODERADO III.3 (4) 2n década GRAVES GRANDE IV.1 (5) nacimiento MUY GRAVES MUY GRANDE A

Tipos de mutaciones en las ADCAs Expansión CAG/CTG Codificantes: SCAs 1, 2, 3, 6, 7, 8 (CAG) 17 y DRPLA No codificantes: SCA8 (CTG), SCA12 Expansión ATTCT No codificante: SCA10 Inserción TGGAA SCA31 Otras mutaciones: mutaciones puntuales: SCA5, SCA6, SCA11, SCA13, SCA14, SCA27, SCA28 deleciones: SCA5 (microdeleciones) , SCA15/16 duplicaciones: SCA20 translocaciones cromosómicas: SCA27

Localización génica de las mutaciones atáxicas OTRAS MUTACIONES SCA5 (SPTBN2) SCA6 (CACNA1A) SCA11 (TTBK2) SCA13 (KCNC3) SCA14 (PRKC-γ) SCA27 (FGF14) ZONA CODIFICANTE CAG EXP SCA12 (PPP2R2B ) ATTCT EXP SCA10 (intrón 9) CAG EXP SCA 1, 2, 3, 6, 7, 17 DRPLA CAG/CTG EXP SCA8 (ATXN8/ATXN8OS)

Mecanismos patogénicos de las ADCAs Acumulación tóxica de agregados e inclusiones intranucleares Interferencia de la transcripción Alteración de canales iónicos (calcio, potasio) Alteración de la transmisión de glutamato Disfunción mitocondrial Alteraciones del RNA Defectos en la estructura de la cromatina, del citoesqueleto o déficit de transporte axonal Fosforilación de la proteína Tau

PENETRANCIA INCOMPLETA PENETRANCIA INCOMPLETA SCA8 (13q21) REPETICIONES CAG/CTG 16 70 71 84 85 250 >250 RANGO NORMAL PENETRANCIA INCOMPLETA PENETRANCIA COMPLETA PENETRANCIA INCOMPLETA Repetición CAG/CTG Expresión bidireccional: CAG traducido (ATXN8) ; CTG transcrito pero no traducido (ATXN8OS) Presenta coexistencia con otras enfermedades neurodegenerativas (SCA1, SCA2, SCA3, SCA6, FRDA, Alzheimer, Parkinson...) Casos de penetrancia incompleta en pacientes sanos con expansiones moderadas o muy grandes

Ataxia de Friedreich (FRDA) Repetición de un triplete GAA en el primer intrón del gen FXN localizado en la región 9q13-q21.1 7 exones (el 6 no es codificante) Codifica para una proteína denominada frataxina El 96% de los pacientes son homozigotos para la expansión GAA El 4% son heterozigotos compuestos con expansión GAA en un alelo y mutación puntual en el otro

Patogenia de la Ataxia de Friedreich

CON MUTACIÓN EXPANSIVA CAG SIN MUTACIÓN EXPANSIVA CAG Detecciones de mutaciones expansivas en casos ADCA índice familiares y esporádicos ADCAs CON MUTACIÓN EXPANSIVA CAG SIN MUTACIÓN EXPANSIVA CAG TOTAL CASOS FAMILIARES 170 (39,08%  4,5%) 265 (60,92%  4,5%) 435 CASOS ESPORÁDICOS 1.275 1.540 1.710 χ 2 =553,28 ± 4,5; P << 0,001

N = 170 ADCA casos índice familiares Distribución de las ataxias espinocerebelosas dominantes (SCAs) en España 1,18% 2,94% 15,29% 5,88% 5,88% 7,06% 26,47% 35,29% N = 170 ADCA casos índice familiares

CDGM-IDIBELL

Centro de Diagnóstico Genético-Molecular de Enfermedades Hereditarias (CDGM-IDIBELL) Las enfermedades hereditarias de base genética son abordables asistencialmente desde la implementación de las técnicas de genética molecular hace no mucho más de dos décadas y su estudio es parte fundamental de una medicina integrada moderna. Casi todas las enfermedades humanas tienen algún componente de variabilidad genética; aunque hay las que son causadas fundamentalmente por la acción de un solo gen mutado(enfermedades monogénicas), y éstas son las más susceptibles de un diagnóstico molecular efectivo.   Actualmente están descritas unas 6.559 enfermedades de las cuales se cita una herencia dependiente fundamentalmente de la acción de un gen mayor o principal. De su conjunto se conoce la alteración molecular en 2.788 (Online Mendelian Inheritance in Man, OMIM: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=OMIM). En conjunto se conoce la secuencia de 13.477 genes, de los que se conoce la expresión fenotípica exacta en 343. Es por lo tanto factible en muchos casos la realización de un diagnóstico molecular de las dolencias, identificando las correspondientes alteraciones o mutaciones y posibilitándose un diagnóstico prenatal y un consejo genético eficiente a los afectos y familiares relacionados. Las pruebas analíticas genéticas en ocasiones no buscan propiamente la mutación causal, porque no se conoce o porque su determinación es demasiado costosa, y siguen un método indirecto de estudio denominado de ligamento genético o "gene tracking". Nuestro Centro de Diagnóstico Genético Molecular (CDGM) es pionero en España en estudios moleculares de genética clínica y desde 1.990 desarrolla su actividad  con objetivos asistenciales y de investigación

Listado enfermedades diagnosticadas en el departamento NEUROGENÉTICA Trastornos Centrales del Movimiento ATAXIAS CEREBELOSAS - Ataxias espinocerebelosas 1,2,3,5,6,7,8,12,13,14,17 y 27 (SCAs) - Ataxia de Friedreich (FRDA) : FXN - Ataxia episódica tipo 2 (EA2) : CACNA1A - Ataxia con apraxia oculomotora tipo 1 (AOA1) : APTX - Ataxia asociada a deficiencia de vitamina E (AVED) : TTPA - Atrofia dentato-rubro-palido-Luisiana (DRPLA) : B37 HUNTINGTON - Enfermedad de Huntington (HD) : IT15 Enfermedad de Huntington-like 2 (HDL2) : JPH3 ATROFIA MUSCULAR BULBO ESPINAL (ENFERMEDAD DE KENNEDY) (SBMA) : AR DEMENCIAS Alzheimer tipo 1: APP Alzheimer tipo 2: ApoE Alzheimer tipo 3: PSEN1 Alzheimer tipo 4: PSEN2

Listado enfermedades diagnosticadas en el departamento (II) Trastornos Centrales del Movimiento DEMENCIA FRONTOTEMPORAL (FTD): MAPT DEGENERACIÓN LOBAR FRONTOTEMPORAL (FTLD): GRN PARKINSON - Parkinson tipo 1 (PARK1) : SNCA - Parkinson tipo 2 (PARK2) : Parkin gene - Parkinson tipo 6 (PARK6) : PINK1 - Parkinson tipo 8 (PARK8) : LRRK2 PARAPARESIAS ESPÁSTICAS FAMILIARES (SPG) - Paraparesias espásticas familiares dominantes: SPG4, SPG3 y SPG31 - Paraparesias espásticas familiares recesivas: SPG7 y SPG11 - Paraparesias espásticas familiares ligadas al cromosoma X: SPG1 y SPG2

Listado enfermedades diagnosticadas en el departamento (III) Transtornos Periféricos del Movimiento NEUROPATÍA HEREDITARIA SENSITIVO MOTORA (CMT/HNPP) - Charcot-Marie-Tooth tipo 1A (CMT1A) PMP22 - Charcot-Marie-Tooth tipo 1B (CMT1B) MPZ - Charcot-Marie-Tooth tipo 1D (CMT1D) ERG2 - Charcot-Marie-Tooth tipo 2A2 (CMT2A2) MFN2 - Charcot-Marie-Tooth tipo 2I/2J (CMT2I/2J) MPZ - Charcot-Marie-Tooth tipo 4A (CMT4A) GDAP1 - Charcot-Marie-Tooth tipo 4C (CMT4C) SH3TC2 - Charcot-Marie-Tooth tipo 4D (CMT4D) NDRG1 - Charcot-Marie-Tooth ligada al cromosoma X (CMTX) GJB1 SÍNDROMES NEUROCUTÁNEOS Neurofibromatosis - Neurofibromatosis tipo 1 (NF1) - Neurofibromatosis tipo 2 (NF2) - Síndrome de Legius (SPRED1) FIBROSIS QUÍSTICA

Diagnóstico de Trastornos Centrales del Movimiento SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIAS ESPINOCEREBELOSAS DOMINANTES (ADCA’S) ESTUDIO BÁSICO: detección de expansiones trinucleotídicas en los loci, - SCA1 (6q23), SCA2 (12q24), SCA3 (14q24.3-q31), SCA6 (19q13), SCA7 (3p21.1-p12), SCA12 (5q31-q33), SCA17 (6q27) y DRPLA (12p13.31). ESTUDIO AMPLIADO: secuenciación completa del gen y sus regiones flanqueantes - SCA5 (SPTBN2) (11q13) - SCA6 (CACNA1A) (19q13) - SCA13 (KCNC3) (19q13.3-q13.4) - SCA14 (PRCKG) (19q13.4) - SCA27 (FGF14) (13q34) DIAGNÓSTICO PRENATAL SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIA DE FRIEDREICH (FRDA) ESTUDIO BÁSICO: Detección expansión GAA en el gen FXN (9q13-q21.1) ESTUDIO AMPLIADO: Detección de mutaciones puntuales en el gen FXN

Diagnóstico de Trastornos Centrales del Movimiento (II) SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIA EPISÓDICA TIPO 2 (EA2) Secuenciación completa del gen CACNA1A (19p13) SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIA CON APRAXIA OCULOMOTORA TIPO 1(AOA1) Secuenciación completa del gen APTX (9p13.3) SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIA ASOCIADA A DEFICIENCIA DE VITAMINA E (AVED) Secuenciación completa del gen TTPA (8p13.1-q13.3) SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATAXIAS ASOCIADAS A MOVIMIENTOS COREICOS Estudio de Enfermedad de Huntington (HD) Detección de expansiones en el gen TBP (SCA17) y en el gen B37 (DRPLA) SOLICITUD DE ESTUDIO DE ENFERMEDAD DE HUNTINGTON Detección de expansiones trinucleotídicas en el gen IT15 (Enfermedad de Huntington, HD) (4p16.3) Detección de expansiones trinucleotídicas en el gen JPH3 (Enfermedad de Huntington-like 2, HDL2) (16q24.3) Diagnóstico prenatal SOLICITUD DE ESTUDIO DE ATROFIA MUSCULAR ESPINOBULBAR (SBMA) Detección de expansiones trinucleotícas en el gen AR (Enfermedad de Kennedy) (Xq11-q12)

Diagnóstico de Paraparesias Espásticas Familiares Formas Autosómicas Dominantes (*) SPG4 (Spastin) (2p22) SPG3 (Atlastin) (14q11) SPG31 (REEP1) (2p12) Formas Autosómicas Recesivas (*) SPG7 (Spatacsin) (15q13) SPG11 (paraplegin) (16q24) Formas Ligadas al cromosoma X (*) SPG1 (L1CAM) (Xq28) SPG2 (PLP) (Xq22) * Secuenciación completa del gen y regiones flanqueantes y análisis cuantitativo por la técnica MLPA (duplicaciones/deleciones genómicas)

Sospecha Herencia Dominante PROTOCOLO AUTOSÓMICO RECESIVO Diagrama de flujo del diagnóstico de Paraparesias Espásticas Dominantes Sospecha Herencia Dominante (Más de un afecto en generaciones distintas de una genealogía) Gen SPG4 (Spastin) Estudio Completo ( * ) No Si Gen SPG3 (Atlastin) Estudio Completo ( * ) MUTACIÓN PARAPARESIA ESPÁSTICA DOMINANTE Si No Si Gen SPG31 (REEP1) Estudio Completo ( * ) No Evaluar posible implementación PROTOCOLO AUTOSÓMICO RECESIVO DNAteca (#) (*) : Comprende secuenciación de las regiones codificantes y unión intrón- exón + MLPA (#) : Posible estudio de investigación con declaración de consentimiento informado

Diagrama de flujo del diagnóstico de Paraparesias Espásticas Recesivas Sospecha Herencia Recesiva (o casos clínicamente aislados) Gen SPG11 (Spatacsin) Estudio completo (*) Si MUTACIÓN PARAPARESIA ESPÁSTICA RECESIVA No Gen SPG7 (Paraplegin) Estudio completo (*) Si No Evaluar posible implementación PROTOCOLO AUTOSÓMICO DOMINANTE DNAteca (#) (*) : Comprende secuenciación de las regiones codificantes y unión intrón- exón + MLPA (#) : Posible estudio de investigación con declaración de consentimiento informado

Sospecha Herencia Ligada ESPÁSTICA LIGADA AL CR X Diagrama de flujo del diagnóstico de Paraparesias Espásticas ligadas al cromosoma X Sospecha Herencia Ligada al cromosoma X Gen SPG1 (L1CAM) Estudio Completo (*) Gen SPG2 (PLP) Estudio Completo (*) MUTACIÓN PARAPARESIA ESPÁSTICA LIGADA AL CR X Si Si No No Evaluar posible implementación PROTOCOLO AUTOSÓMICO DNAteca (#) (*) : Comprende secuenciación de las regiones codificantes y unión intrón- exón + MLPA (#) : Posible estudio de investigación con declaración de consentimiento informado

RED COLABORATIVA Centro de Diagnóstico Genético -Molecular de Enfermedades Hereditarias (CDGM/ IDIBELL) - Dr. Víctor Volpini - Dra. Laura de Jorge - Jorge Corral - Isabel Banchs - Hèctor San Nicolàs CDGM Centro de Diagnóstico Genètico Molecular de Enfermedades Hereditarias Hospital Universitario Marqués de Valdecilla (Servicio de Neurología) Santander - Dr. Jon Infante - Dr. Onofre Combarros - Dr. José Berciano Hospital Universitario de Girona Dr Josep Trueta (Servei de Neurología) - Dr. David Genís

Grupo de Medicina Xenómica-USC - Dra. Susana Sobrido Hospital de la Vall d’Hebrón - Dra. Esther Cuenca Instituto de Biomedicina de Valencia - Dr. Paco Palau - Dra. Carmen Espinós Universitat de Barcelona - Dr. Bru Cormand Hospital Universitari de Bellvitge - IDIBELL - Dra. Matilde Calopa - Dr. Juan Antonio Martínez Matos - Dr. Carlos Casasnovas Hospital Universitari Germans Trias i Pujol - Dr. Antoni Matilla - Dra. Pilar Latorre Institut de Neuropatologia de Bellvitge – IDIBELL - Dr. Isidre Ferrer Hospital Sant Joan de Déu Martorell - Dra. Carme Serrano

Brno, hogar de Gregor Mendel