Una expansión de repetición de trinucleótidos , también conocida como expansión de repetición de tripletes, es la mutación del ADN responsable de causar cualquier tipo de trastorno categorizado como trastorno de repetición de trinucleótidos . Estos están etiquetados en genética dinámica como mutaciones dinámicas . [1] La expansión del triplete es causada por el deslizamiento durante la replicación del ADN, también conocida como replicación del ADN por "elección de copia". [2]Debido a la naturaleza repetitiva de la secuencia de ADN en estas regiones, se pueden formar estructuras de "bucle" durante la replicación del ADN mientras se mantiene el apareamiento de bases complementarias entre la hebra madre y la hebra hija que se sintetizan. Si la estructura de bucle se forma a partir de la secuencia en la hebra hija, esto dará como resultado un aumento en el número de repeticiones. Sin embargo, si se forma la estructura de bucle en la hebra principal, se produce una disminución en el número de repeticiones. Parece que la expansión de estas repeticiones es más común que la reducción. Generalmente, cuanto mayor es la expansión, más probabilidades hay de que provoquen una enfermedad o aumenten la gravedad de la enfermedad. Otros mecanismos propuestos para la expansión y reducción involucran la interacción de moléculas de ARN y ADN. [3]
Además de ocurrir durante la replicación del ADN , la expansión de la repetición de trinucleótidos también puede ocurrir durante la reparación del ADN . [4] Cuando se daña una secuencia repetida de un trinucleótido de ADN , puede repararse mediante procesos como recombinación homóloga , unión de extremos no homólogos , reparación de desapareamientos o reparación de escisión de bases . Cada uno de estos procesos implica un paso de síntesis de ADN en el que puede ocurrir un deslizamiento de la hebra que conduce a la expansión repetida de trinucleótidos. [4]
El número de repeticiones de trinucleótidos parece predecir la progresión, la gravedad y la edad de aparición de la enfermedad de Huntington y trastornos similares por repetición de trinucleótidos. [5] Otras enfermedades humanas en las que se produce la expansión de la repetición de tripletes son el síndrome de X frágil , varias ataxias espinocerebelosas , distrofia miotónica y ataxia de Friedreich . [4]
Historia
La primera documentación de anticipación en los trastornos genéticos fue en el siglo XIX. Sin embargo, desde los ojos de los genetistas, esta relación fue ignorada y atribuida a un sesgo de verificación ; Debido a esto, se necesitaron casi 200 años para reconocer un vínculo entre el inicio de la enfermedad y las repeticiones de trinucleótidos (TNR). [6]
Los siguientes hallazgos sirvieron como apoyo para el vínculo de TNR con el inicio de la enfermedad; la detección de varias repeticiones dentro de estas enfermedades demostró esta relación.
- En 1991, para el síndrome del X frágil , se descubrió que el gen 1 del retraso mental del X frágil ( FMR-1 ) contenía una expansión CGG en su región 5 ' no traducida (UTR). [7] Además, se localizó una expansión CAG en secuencias de atrofia muscular bulbar y espinal ligada al cromosoma X (SBMA). [8] SMBA es la primera enfermedad "CAG / poligutamina", que es una subcategoría de trastornos repetidos. [9]
- En 1992, para la distrofia miotónica tipo 1 (DM1), se encontró expansión de CTG en la proteína quinasa de la distrofia miotónica (DMPK) 3 'UTR.
- En 1993, para la enfermedad de Huntington (EH), se encontró una repetición CAG más larga de lo habitual en la secuencia codificante del exón 1 . [10]
Debido a estos descubrimientos, comenzaron a desarrollarse ideas relacionadas con la anticipación de la enfermedad y surgió la curiosidad sobre cómo las causas podrían estar relacionadas con las TNR. [6] Después de los avances, se determinaron los cuatro mecanismos para los TNR y también se identificaron más tipos de repeticiones. [9] La composición repetida y la ubicación se utilizan para determinar el mecanismo de una expansión dada. [9] A partir de 1995, también fue posible observar la formación de horquillas en las repeticiones de tripletes, que consistían en pares de CG repetidos y un desajuste. [11]
Durante la década posterior a que se encontró evidencia que relacionaba el TNR con el inicio de la enfermedad, se enfocó en estudiar la duración de la repetición y la dinámica de las enfermedades, así como en investigar el mecanismo detrás de la herencia de la enfermedad entre padres e hijos. [6] Las investigaciones han demostrado que existe una clara relación inversa entre la duración de las repeticiones en los padres y la edad de aparición de la enfermedad en los niños; por lo tanto, las longitudes de los TNR se utilizan para predecir la edad de inicio de la enfermedad y el resultado en el diagnóstico clínico . [12] [13] Además de este hallazgo, se reveló otro aspecto de las enfermedades, la alta variabilidad de aparición. [6] Aunque el inicio de la EH podría predecirse examinando la herencia de la longitud de TNR, el inicio podría variar hasta cuatro veces según el paciente, lo que lleva a la posibilidad de que existan factores modificadores de la edad para el inicio de la enfermedad; Hubo esfuerzos notables en esta búsqueda. [14] [15] Actualmente, la longitud de la repetición CAG se considera el mayor modificador de edad de aparición de las enfermedades TNR. [16] [17]
La detección de TNR se vio dificultada por la tecnología y los métodos limitados desde el principio, y pasaron años antes del desarrollo de formas suficientes para medir las repeticiones. [6] Cuando se intentó por primera vez la PCR en la detección de TNR, los artefactos de bandas múltiples prevalecían en los resultados, y esto hizo que el reconocimiento de TNR fuera problemático; En ese momento, el debate se centró en si la enfermedad fue provocada por pequeñas cantidades de expansiones cortas o una pequeña cantidad de expansiones largas. [6] [18] Desde entonces, se han establecido métodos precisos a lo largo de los años. Juntos, los siguientes protocolos clínicamente necesarios tienen un 99% de precisión en la medición de TNR. [6]
- La reacción en cadena de la polimerasa de grupo pequeño (SP-PCR) permite el reconocimiento de cambios repetidos y se originó a partir de la creciente necesidad de un método que proporcione una medición más precisa de los TNR. Ha sido útil para examinar cómo varían los TNR entre humanos y ratones en sangre, esperma y células somáticas. [19] [20]
- Las transferencias de Southern se utilizan para medir las repeticiones de CGG porque las regiones ricas en CG limitan el movimiento de la polimerasa en la PCR . [21] [22]
Estructura general
Estas secuencias repetitivas provocan inestabilidad entre las cadenas de ADN después de alcanzar un cierto número umbral de repeticiones, lo que puede provocar un deslizamiento del ADN durante la replicación. [23] Las repeticiones de tripletes más comunes y conocidas son CAG, GCG, CTG, CGG y GAA. Durante la replicación del ADN, la hebra que se sintetiza puede desalinearse con su hebra molde debido a la naturaleza dinámica y la flexibilidad de estas repeticiones de tripletes. [24] Este deslizamiento permite que la hebra encuentre un intermedio estable entre sí a través del emparejamiento de bases, formando una estructura secundaria distinta a un dúplex. [24]
Localización
En términos de ubicación, estas repeticiones de triplete se pueden encontrar tanto en regiones codificantes como no codificantes. Las repeticiones CAG y GCN, que conducen a tractos de poliglutamina y polialanina respectivamente, se encuentran normalmente en las regiones codificantes. [25] En la región no traducida 5 ', se encuentran repeticiones CGG y CAG y son responsables del síndrome de X frágil y ataxia espinocerebelosa 12. [25] En la región no traducida 3', se encuentran repeticiones CTG, mientras que las repeticiones GAA se encuentran en el intrón región. En la región promotora se han localizado otras repeticiones que causan enfermedades, pero no las repeticiones de tripletes. [25] Una vez que el número de repeticiones excede los niveles normales, las expansiones de repetición de triplete (TRE) se vuelven más probables y el número de repeticiones de triplete puede aumentar típicamente a alrededor de 100 en las regiones codificantes y hasta miles en las regiones no codificantes. [25] Esta diferencia se debe a la sobreexpresión de glutamina y alanina, que se selecciona en contra debido a la toxicidad celular. [26]
Intermedios
Dependiendo de la secuencia de la repetición, se sabe que se forman al menos tres intermedios con diferentes estructuras secundarias. [27] Una repetición CGG formará un G-quadruplex debido al emparejamiento de bases de Hoogsteen, mientras que una repetición GAA formará un triplex debido al superenrollamiento negativo. [25] [27] Las repeticiones CAG, CTG y CGG forman una horquilla. Después de que se forma la horquilla, el cebador se realinea con el extremo 3 'de la hebra recién sintetizada y continúa la síntesis, lo que lleva a una expansión repetida del triplete. [23] La estructura de la horquilla se basa en un tallo y un bucle que contiene pares de bases de Watson-Crick y pares no coincidentes. [25] En las repeticiones CTG y CAG, el número de nucleótidos presentes en el bucle depende de si el número de repeticiones de tripletes es par o impar. [28] Un número par de repeticiones forma una estructura tetrabucle, mientras que un número impar conduce a la formación de un triloop. [28] [29]
Inestabilidad
Umbral
En la expansión de repetición de trinucleótidos, existe un cierto umbral o cantidad máxima de repeticiones que pueden ocurrir antes de que una secuencia se vuelva inestable. Una vez que se alcanza este umbral, las repeticiones comenzarán a expandirse rápidamente, lo que provocará expansiones cada vez más largas en las generaciones futuras. [30] Una vez que alcanza este tamaño de alelo mínimo, que normalmente es de alrededor de 30-40 repeticiones, se pueden contraer enfermedades e inestabilidad, pero si el número de repeticiones encontradas dentro de una secuencia está por debajo del umbral, permanecerá relativamente estable. [30] Todavía no se ha encontrado suficiente investigación para comprender la naturaleza molecular que causa los umbrales, pero los investigadores continúan estudiando que la posibilidad podría estar en la formación de la estructura secundaria cuando ocurren estas repeticiones. Se encontró que las enfermedades asociadas con expansiones de repetición de trinucleótidos contenían estructuras secundarias con horquillas, triplex y dúplex de hebra deslizada. [30] Esta observación ha llevado a la hipótesis de que el umbral está determinado por el número de repeticiones que deben ocurrir para estabilizar la formación de estas estructuras secundarias no deseadas, debido a que cuando estas estructuras se forman hay un aumento en el número de mutaciones. [31] que se formará en la secuencia dando como resultado una mayor expansión de trinucleótidos.
Influencia de los padres
Las investigaciones sugieren que existe una correlación directa e importante entre el sexo del padre que transmite la mutación y el grado y fenotipo del trastorno en el niño., [32] [33] El grado de expansión repetida y si una expansión se producirá o no. ocurre se ha relacionado directamente con el sexo del padre transmisor en los trastornos de repetición de trinucleótidos codificantes y no codificantes. [32] Por ejemplo, la investigación sobre la correlación entre la repetición de trinucleótidos CAG de la enfermedad de Huntington y la transmisión parental ha encontrado que existe una fuerte correlación entre los dos con diferencias en la transmisión materna y paterna. [32] Se ha observado que la transmisión materna solo consiste en un aumento en las unidades de repetición de 1, mientras que la transmisión paterna suele ser de 3 a 9 repeticiones adicionales. [32] La transmisión paterna casi siempre es responsable de una gran repetición de la transmisión que da como resultado la aparición temprana de la enfermedad de Huntington, mientras que la transmisión materna hace que las personas afectadas experimenten un inicio de síntomas similar al de su madre., [32] [34] Si bien esta transmisión de un trinucleótido Se considera que la expansión repetida es el resultado de la “inestabilidad meiótica”, el grado en el que la meiosis juega un papel en este proceso y el mecanismo no está claro y se prevé que muchos otros procesos jugarán simultáneamente un papel en este proceso. [32]
Mecanismos
Intercambio homólogo desigual
Un mecanismo propuesto pero altamente improbable que juega un papel en la transmisión de expansión de trinucleótidos ocurre durante la recombinación meiótica o mitótica. [32] Se sugiere que durante estos procesos es posible que una desalineación de repetición homóloga, comúnmente conocida por causar deleciones de locus de alfa-globina, provoque la inestabilidad meiótica de una expansión de repetición de trinucleótidos. [32] Es poco probable que este proceso contribuya a la transmisión y presencia de expansiones de repetición de trinucleótidos debido a diferencias en los mecanismos de expansión. [32] Las expansiones de repetición de trinucleótidos generalmente favorecen las expansiones de la región CAG pero, para que el intercambio homólogo desigual sea una sugerencia plausible, estas repeticiones tendrían que pasar por eventos de expansión y contracción al mismo tiempo. [32] Además, numerosas enfermedades que resultan de expansiones de repetición de trinucleótidos transmitidas, como el síndrome de X frágil, involucran repeticiones de trinucleótidos inestables en el cromosoma X que no pueden explicarse por recombinación meiótica. [32] La investigación ha demostrado que aunque es poco probable que la recombinación homóloga desigual sea la única causa de las expansiones de repetición de trinucleótidos transmitidas, esta recombinación homóloga probablemente juega un papel menor en la longitud de algunas expansiones de repetición de trinucleótidos. [32]
Replicación de ADN
Se predice que los errores de replicación del ADN son el principal responsable de la transmisión de expansión de repetición de trinucleótidos en muchos modelos predichos debido a la dificultad de la expansión de repetición de trinucleótidos (TRE). [32] Se ha demostrado que los TRE ocurren durante la replicación del ADN en estudios tanto in vitro como in vivo, lo que permite que estos tramos largos de repeticiones de tripletes se ensamblen rápidamente en diferentes mecanismos que pueden resultar en expansiones a pequeña o gran escala. [25]
Expansiones a pequeña escala
Estas expansiones pueden ocurrir mediante el deslizamiento de la hebra o la ligadura del colgajo. [25] Los fragmentos de Okazaki son un elemento clave del error propuesto en la replicación del ADN. [32] Se sugiere que el pequeño tamaño de los fragmentos de Okazaki, por lo general entre 150 y 200 nucleótidos de largo, hace que sea más probable que se caigan o se "resbalen" de la hebra rezagada, lo que crea espacio para que las repeticiones de trinucleótidos se unan a la hebra rezagada Copiar. [32] Además de esta posibilidad de que se produzcan cambios de expansión de repetición de trinucleótidos debido al deslizamiento de los fragmentos de Okazaki, la capacidad de las secuencias de expansión de repetición de trinucleótidos ricas en CG para formar estructuras especiales de ADN en horquilla, toroide y triplex contribuye a este modelo, lo que sugiere un error ocurre durante la replicación del ADN. [32] Las estructuras en horquilla pueden formarse como resultado de la libertad de la hebra rezagada durante la replicación del ADN y normalmente se observa que se forman en secuencias de repetición de trinucleótidos extremadamente largas. [32] La investigación ha encontrado que esta formación de horquilla depende de la orientación de las repeticiones de trinucleótidos dentro de cada hebra de trinucleótidos CAG / CTG. [32] Se observa que las hebras que tienen formación dúplex por repeticiones CTG en la hebra principal dan como resultado repeticiones adicionales, mientras que aquellas sin repeticiones CTG en la hebra principal dan como resultado deleciones repetidas. [32] Estos intermedios pueden pausar la actividad de la horquilla de replicación basándose en su interacción con las ADN polimerasas a través del deslizamiento de la hebra. [25] Las contracciones ocurren cuando la horquilla de replicación salta sobre el intermedio en el fragmento de Okazaki. Las expansiones ocurren cuando la horquilla se invierte y se reinicia, lo que forma una estructura de pata de pollo. [25] Esta estructura da como resultado la formación intermedia inestable en la cadena principal naciente, lo que conduce a una mayor TRE. [25] Además, este intermedio puede evitar la reparación de desajustes debido a su afinidad por el complejo MSH-2-MSH3, que estabiliza la horquilla en lugar de repararla. [25] [27] En las células que no se dividen, un proceso llamado ligadura con colgajo puede ser responsable de TRE. [25] [27] La ADN glicosilasa de 8-oxo-guanina elimina una guanina y forma una muesca en la secuencia. [25] La hebra codificante luego forma un colgajo debido al desplazamiento, que evita la eliminación por una endonucleasa. Cuando finaliza el proceso de reparación para cualquiera de los mecanismos, la duración de la expansión es equivalente al número de repeticiones de tripletes involucradas en la formación del intermedio de horquilla. [25]
Expansiones a gran escala
Se han propuesto dos mecanismos para las repeticiones a gran escala: cambio de plantilla y replicación inducida por rotura. [27]
Se ha propuesto el cambio de plantilla, un mecanismo para repeticiones GAA a gran escala que puede duplicar el número de repeticiones de tripletes. [27] Las repeticiones GAA se expanden cuando su longitud de repetición es mayor que la longitud del fragmento de Okazaki. [27] Estas repeticiones están involucradas en el estancamiento de la horquilla de replicación ya que estas repeticiones forman un triplex cuando la aleta de 5 'de las repeticiones de TTC se pliegan hacia atrás. [27] La síntesis de fragmentos de Okazaki continúa cuando la plantilla se cambia a la cadena principal naciente. [27] El fragmento de Okazaki finalmente se liga de nuevo al colgajo 5 ', lo que da como resultado TRE. [27]
Se ha propuesto un mecanismo diferente, basado en la replicación inducida por rotura, para repeticiones de CAG a gran escala y también puede ocurrir en células que no se dividen. [27] Al principio, este mecanismo sigue el mismo proceso que el mecanismo de deslizamiento de la hebra a pequeña escala hasta que se invierte la horquilla de replicación. [27] Una endonucleasa luego escinde la estructura de la pata de pollo, lo que resulta en una ruptura de doble hebra en un extremo. [27] La repetición CAG de esta hebra hija rota forma una horquilla e invade la hebra CAG en la cromátida hermana, lo que da como resultado la expansión de esta repetición en una síntesis de ADN de bucle D migratorio. [27] Esta síntesis continúa hasta que alcanza la horquilla de replicación y se escinde, lo que da como resultado una cromátida hermana expandida. [27]
Trastornos
Síndrome X frágil
Fondo
El síndrome del X frágil es la segunda forma más común de discapacidad intelectual que afecta a 1 de cada 2.000 a 4.000 mujeres y a 1 de cada 4.000 a 8.000 hombres; las mujeres tienen el doble de probabilidades de heredar esta discapacidad debido a sus cromosomas XX. [35] Esta discapacidad surge de una mutación al final del cromosoma X en el gen FMR1 (Gen de Retraso Mental X Frágil) que produce una proteína esencial para el desarrollo del cerebro llamada FMRP. [35] Las personas con síndrome de X frágil experimentan una variedad de síntomas en diversos grados que dependen del género y el grado de mutación, como trastornos por déficit de atención, irritabilidad, sensibilidad a los estímulos, diversos trastornos de ansiedad, depresión y / o comportamiento agresivo. [35] Algunos tratamientos para estos síntomas observados en personas con síndrome del X frágil incluyen ISRS , medicamentos antipsicóticos, estimulantes, ácido fólico y estabilizadores del estado de ánimo. [35]
Causalidad genética
Las expansiones considerables de un elemento trinucleótido CGG son la causa singular del trastorno genético masculino llamado Síndrome X Frágil. En los hombres sin síndrome de X frágil, el número de repeticiones de CGG varía de 53 a 200, mientras que los afectados tienen más de 200 repeticiones de esta secuencia de trinucleótidos ubicada en el extremo del cromosoma X en la banda Xq28.3.1 . [36] Se dice que los portadores que tienen repeticiones dentro del rango de 53 a 200 repeticiones tienen "alelos de premutación", ya que los alelos dentro de este rango se acercan a 200, la probabilidad de expansión a una mutación completa aumenta y los niveles de ARNm son elevados cinco -pliegue. [36] Las investigaciones han demostrado que las personas con alelos de premutación en el rango de 59 a 69 repeticiones tienen un riesgo de alrededor del 30% de desarrollar una mutación completa en comparación con aquellos en el rango alto de ≥ 90 repeticiones. [37] Los portadores del síndrome de X frágil (aquellos que se encuentran dentro del rango de premutación) generalmente tienen alelos no metilados, fenotipo normal y niveles normales de ARNm de FMR1 y proteína FMRP. [36] Los hombres con síndrome de X frágil poseen alelos en el rango de mutación completo (> 200 repeticiones) con niveles de proteína FMRP mucho más bajos de lo normal y experimentan hipermetilación de la región promotora del gen FMR1. [36] Algunos hombres con alelos en el rango de mutación completo experimentan metilación parcial o nula, lo que da como resultado fenotipos solo ligeramente anormales debido a una leve regulación a la baja de la transcripción del gen FMR1. [36] Los alelos no metilados y parcialmente metilados en el rango de mutación experimentan niveles aumentados y normales de ARNm de FMR1 en comparación con los controles normales. [36] Por el contrario, cuando los alelos no metilados alcanzan un número de repetición de aproximadamente 300, los niveles de transcripción no se ven relativamente afectados y operan a niveles normales; Actualmente se desconocen los niveles de transcripción de repeticiones superiores a 300. [36]
Silenciamiento del promotor
La expansión de la repetición del trinucleótido CGG está presente dentro del ARNm de FMR1 y sus interacciones son responsables del silenciamiento del promotor . [36] La expansión de trinucleótidos CGG reside dentro de la región no traducida 5 'del ARNm, que experimenta hibridación para formar una porción de repetición CGG complementaria. [36] La unión de esta repetición genómica al ARNm resulta en el silenciamiento del promotor. [36] Más allá de este punto, el mecanismo de silenciamiento del promotor se desconoce y aún se está investigando más a fondo. [36]
enfermedad de Huntington
Fondo
La enfermedad de Huntington (EH) es un trastorno neurológico de transmisión paterna dominante que afecta a 1 de cada 15.000 a 20.000 personas en muchas poblaciones occidentales. [38] La EH involucra los ganglios basales y la corteza cerebral y se manifiesta como síntomas tales como deterioro cognitivo, motor y / o psiquiátrico. [38]
Causalidad
Este trastorno autosómico dominante resulta de las expansiones de una repetición de trinucleótidos que involucra a CAG en el exón 1 del gen IT15. [39] La mayoría de todos los casos de EH juvenil se derivan de la transmisión de un número elevado de repeticiones de trinucleótidos CAG que es el resultado de la gametogénesis paterna . [40] Mientras que una persona sin HD tiene varias repeticiones de CAG que se encuentran dentro de un rango entre 9 y 37, una persona con HD tiene CAG típicamente tiene repeticiones en un rango entre 37 y 102. [39] Las investigaciones han demostrado Se ha observado una relación inversa entre el número de repeticiones de trinucleótidos y la edad de aparición, sin embargo, no se ha observado ninguna relación entre el número de repeticiones de trinucleótidos y la velocidad de progresión de la EH y / o el peso corporal del individuo afectado. [39] Se ha encontrado que la gravedad del deterioro funcional es similar en una amplia gama de individuos con un número variable de repeticiones de CAG y diferentes edades de inicio, por lo tanto, se sugiere que la tasa de progresión de la enfermedad también está relacionada con factores distintos al Repetición CAG como factores ambientales y / o genéticos. [39]
Distrofia miotónica
Fondo
La distrofia miotónica es un trastorno muscular poco común en el que se ven afectados numerosos sistemas corporales. Hay cuatro formas de distrofia miotónica: fenotipo leve y de inicio tardío, inicio en la adolescencia / adultez temprana, primera infancia que presenta solo discapacidades de aprendizaje y una forma congénita. [41] Las personas con distrofia miotónica experimentan síntomas físicos graves y debilitantes, como debilidad muscular, problemas con los latidos del corazón y dificultad para respirar, que pueden mejorarse mediante el tratamiento para maximizar la movilidad de los pacientes y la actividad diaria para aliviar el estrés de sus cuidadores. [42] Los músculos de las personas con distrofia miotónica presentan un aumento de las fibras de tipo 1, así como un mayor deterioro de estas fibras de tipo 1. [42] Además de estas dolencias físicas, se ha descubierto que las personas con distrofia miotónica experimentan diversos trastornos internalizados, como ansiedad y trastornos del estado de ánimo, así como retrasos cognitivos, trastornos por déficit de atención , trastornos del espectro autista , coeficientes intelectuales más bajos y dificultades visuales y espaciales. . [42] La investigación ha demostrado que existe una correlación directa entre el número de repeticiones de expansión, el coeficiente intelectual y el grado de discapacidad visual-espacial de un individuo. [42]
Causalidad
La distrofia miotónica es el resultado de una expansión repetida de trinucleótidos (CTG) n que reside en una región no traducida 3 'de un transcrito que codifica serina / treonina quinasa . [43] Esta repetición de trinucleótidos (CTG) n se encuentra dentro de los leucocitos ; Se ha descubierto que la duración de la repetición y la edad del individuo están directamente relacionadas con la progresión de la enfermedad y el predominio de fibras musculares tipo 1 . [43] La edad y la longitud de (CTG) n solo tienen pequeños coeficientes de correlación con la progresión de la enfermedad, la investigación sugiere que varios otros factores juegan un papel en la progresión de la enfermedad, como cambios en la vía de transducción de señales , expresión somática y heterogeneidad celular en (CTG) n repite. [43]
Ataxia de Friedreich
Fondo
La ataxia de Friedreich es un trastorno neurológico progresivo. Los individuos experimentan alteraciones en la marcha y el habla debido a la degeneración de la médula espinal y los nervios periféricos. Otros síntomas pueden incluir complicaciones cardíacas y diabetes. La edad típica al inicio de los síntomas es de 5 a 15 años, y los síntomas empeoran progresivamente con el tiempo. [44]
Causalidad
La ataxia de Friedreich es un trastorno autosómico recesivo causado por una expansión GAA en el intrón del gen FXN . Este gen codifica la proteína frataxina , una proteína mitocondrial involucrada en la homeostasis del hierro. La mutación altera la transcripción de la proteína, por lo que las células afectadas producen solo del 5 al 10% de la frataxina de las células sanas. [45] Esto conduce a la acumulación de hierro en las mitocondrias y hace que las células sean vulnerables al daño oxidativo. La investigación muestra que la longitud de la repetición GAA se correlaciona con la gravedad de la enfermedad. [46]
Punto de ocurrencia
Síndrome X frágil
El momento preciso de la aparición de TNR varía según la enfermedad. Aunque el momento exacto para el FXS no es seguro, la investigación ha sugerido que las primeras expansiones de CGG para este trastorno se observan en ovocitos primarios . [47] [48] Se ha propuesto que la expansión repetida ocurre en el ovocito materno durante la detención del ciclo celular meiótico en la profase I , sin embargo, el mecanismo sigue siendo nebuloso. [49] [50] Los alelos de premutación heredados de la madre pueden expandirse a alelos de mutación completa (más de 200 repeticiones), lo que resulta en una disminución de la producción del producto del gen FMR-1 FMRP y causa el síndrome de retraso mental X frágil. [51] Para las mujeres, las expansiones de repetición grandes se basan en la reparación, mientras que para los hombres, el acortamiento de las expansiones de repetición largas se debe a la replicación; por lo tanto, sus espermatozoides carecen de estas repeticiones y no se produce la herencia paterna de expansiones de repetición prolongada. [52] [53] [54] Entre las semanas 13 y 17 del desarrollo fetal humano , las repeticiones de CGG grandes se acortan. [54]
Distrofia miotónica tipo 1
Se pueden establecer muchas similitudes entre DM1 y FXS que implican aspectos de mutación. La herencia materna completa está presente dentro de DM1, la longitud de expansión repetida está relacionada con la edad materna y la instancia más temprana de expansiones se observa en la etapa de dos células de los embriones preimplantacionales. [55] [56] Existe una correlación positiva entre la herencia masculina y la longitud del alelo. [57] Un estudio de ratones encontró que el momento exacto de la expansión repetida de CTG es durante el desarrollo de las espermatogonias . [58] En DM1 y FXS, se plantea la hipótesis de que la expansión de los TNR se produce por medio de múltiples pasos en falso de la ADN polimerasa en la replicación. [59] [60] La incapacidad de la ADN polimerasa para moverse correctamente a través del TNR puede provocar la transactivación de las polimerasas de translesión (TLP), que intentarán completar el proceso de replicación y superar el bloqueo. Se entiende que cuando la ADN polimerasa falla de esta manera, los bucles monocatenarios resultantes que quedan en la cadena molde sufren una deleción, lo que afecta a la longitud de TNR. Este proceso deja la posibilidad de que ocurran expansiones TNR. [15]
enfermedad de Huntington
En la enfermedad de Huntington (EH), no se ha determinado el momento exacto; sin embargo, hay varios puntos propuestos durante el desarrollo de las células germinales en los que se cree que se produce la expansión. [61] [62]
- En cuatro muestras de HD examinadas, las longitudes de expansión repetida de CAG fueron más variables en los espermatozoides maduros que en los espermatozoides en desarrollo en los testículos , lo que llevó a la conclusión de que las expansiones repetidas tenían una probabilidad de ocurrir más tarde en el desarrollo de los espermatozoides. [61]
- Se ha observado que las expansiones repetidas ocurren antes de que se complete la meiosis en humanos, específicamente la primera división. [63]
- En las células germinales que experimentan diferenciación, la evidencia sugiere que es posible que se generen expansiones también después de la finalización de la meiosis, ya que se han encontrado mutaciones de EH más grandes en células posmeióticas. [63] [62]
Ataxia espinocerebelosa tipo 1
Ataxia espinocerebelosa tipo 1 (SCA1) Las repeticiones de CAG se transmiten con mayor frecuencia a través de la herencia paterna y se pueden observar similitudes con la EH. [15] El tamaño del tracto para la descendencia de madres con estas repeticiones no muestra ningún grado de cambio. [64] Debido a que la inestabilidad TNR no está presente en las hembras jóvenes de ratón, y la edad y la inestabilidad de la paciente hembra SCA1 están directamente relacionadas, las expansiones deben ocurrir en los ovocitos inactivos. [65] Ha parecido surgir una tendencia de grandes expansiones que ocurren en células inactivas en división y pequeñas expansiones que ocurren en células que se dividen o no se dividen activamente. [15]
Terapéutica
La expansión de repetición de trinucleótidos, es una mutación del ADN que es responsable de causar cualquier tipo de trastorno clasificado como trastorno de repetición de trinucleótidos. Estos trastornos son progresivos y afectan las secuencias del genoma humano, frecuentemente dentro del sistema nervioso. Hasta ahora, las terapias disponibles sólo han obtenido resultados modestos en el mejor de los casos [66], con énfasis en la investigación y el estudio de la manipulación genómica. Las terapias disponibles más avanzadas tienen como objetivo apuntar a la expresión génica mutada mediante el uso de oligonucleótidos antisentido (ASO) o de interferencia de ARN (ARNi) para apuntar al ARN mensajero (ARNm). [66] Si bien las soluciones para las intervenciones de esta enfermedad son una prioridad, RNAi y ASO solo han alcanzado las etapas de ensayo clínico.
Interferencia de ARN (ARNi)
La interferencia de ARN es un mecanismo que puede usarse para silenciar la expresión de genes, el ARNi es un proceso natural que se aprovecha mediante pequeños ARN de interferencia sintéticos (ARNip) que se utilizan para cambiar la acción y la duración del proceso de ARNi natural. [67] Otro ARN sintético son los ARN en horquilla corta (shRNA) [67] , que también se pueden utilizar para controlar la acción y la previsibilidad del proceso de iARN.
El ARNi comienza con RNase Dicer escindiendo un grupo de 21-25 nucleótidos de sustratos de ARN bicatenario en pequeños fragmentos. Este proceso da como resultado la creación de los dúplex de ARNip que serán utilizados por el complejo silenciador inducido por ARN complejo (RISC). [67] El RISC contiene el antisentido que se unirá a las cadenas de ARNm complementarias, una vez que se unen, son escindidas por la proteína que se encuentra dentro del complejo RISC llamado Argonaute 2 (Ago2) entre las bases 10 y 11 en relación con el extremo 5 '. Antes de la escisión de la hebra de ARNm, el complejo Ago2 también escinde el antisentido bicatenario del ARNip, lo que deja una guía de una sola hebra dentro del compuesto RISC que se utilizará para encontrar la hebra de ARNm deseada que da como resultado que este proceso tenga especificidad. [68] Algunos problemas que pueden ocurrir es si el ARNip monocatenario guía dentro del complejo RISC puede volverse inestable cuando se escinde y comienza a desenrollarse, lo que da como resultado la unión a una cadena de ARNm desfavorable. Las guías complementarias perfectas para los ARN diana se reconocen fácilmente y se escindirán dentro del complejo RISC; si solo hay un emparejamiento complementario parcial entre la hebra guía y el ARNm diana puede causar una traducción incorrecta o desestabilización en los sitios diana. [68]
Oligonucleótidos antisentido
Los oligonucleótidos antisentido (ASO) son oligodesoxinucleótidos monocatenarios de cadena pequeña de aproximadamente 15-20 ácidos nucleicos de longitud que pueden alterar la expresión de una proteína. [69] El objetivo de utilizar estos oligonucleótidos antisentido es la disminución de la expresión de proteínas de una diana específica por lo general mediante la inhibición de la endonucleasa RNasa H, así como la inhibición de la formación del casquete 5 'o la alteración del proceso de empalme. [70] En el estado nativo, los ASO se digieren rápidamente, esto requiere el uso de un orden de fosforilación para que los ASO atraviesen las membranas celulares.
A pesar de los beneficios obvios que las terapias antisentido pueden traer al mundo con su capacidad para silenciar las enfermedades neuronales, existen muchos problemas con el desarrollo de esta terapia. Un problema es que los ASO son muy susceptibles a la degradación por las nucleasas [71] dentro del cuerpo. Esto da como resultado una gran cantidad de modificación química al alterar la química para permitir que las nucleasas superen la degradación de estos ácidos nucleicos sintéticos. Los ASO nativos tienen una vida media muy corta incluso antes de ser filtrados por todo el cuerpo, especialmente en el riñón, y con una alta carga negativa hace que el cruce a través del sistema vascular o las membranas sea muy difícil cuando se trata de alcanzar las hebras de ADN o ARNm objetivo. Con todas estas barreras, las modificaciones químicas pueden llevar a efectos devastadores al ser introducidas en el organismo haciendo que cada problema desarrolle cada vez más efectos secundarios.
Los oligonucleótidos sintéticos son moléculas cargadas negativamente que se modifican químicamente para que la molécula regule la expresión génica dentro de la célula. Algunos de los problemas que surgen de este proceso son la toxicidad y la variabilidad que pueden surgir con la modificación química. [70] El objetivo de la ASO es modular la expresión génica a través de proteínas, lo que se puede realizar de dos formas complejas; a) los oligonucleótidos dependientes de RNasa H, que inducen la degradación del ARNm, y (b) los oligonucleótidos bloqueadores estéricos, que previenen o inhiben físicamente la progresión del corte y empalme o la maquinaria de traducción. La mayoría de los ASO investigados utilizan el primer mecanismo con la enzima Rnasa H que hidroliza una cadena de ARN; cuando esta enzima es asistida por el uso de oligonucleótidos, la reducción de la expresión de ARN se reduce de manera eficiente en un 80-95% y aún puede inhibir la expresión en cualquier región de el ARNm
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