Ekspansja powtórzeń trinukleotydowych - Trinucleotide repeat expansion

Powtórzyć rozszerzanie trinukleotydów , znany również jako ekspansja powtórzeń triplet, jest DNA mutacją odpowiedzialności za powodowania jakiegokolwiek rodzaju zaburzenia sklasyfikowany jako choroby spowodowane powtórzeniami trinukleotydów . Są one określane w genetyce dynamicznej jako mutacje dynamiczne . Ekspansja trypletów jest spowodowana poślizgiem podczas replikacji DNA, znanym również jako replikacja DNA „copy choice”. Ze względu na powtarzalny charakter sekwencji DNA w tych regionach, podczas replikacji DNA mogą tworzyć się struktury „pętlowe”, przy jednoczesnym zachowaniu komplementarnego parowania zasad między nicią rodzicielską a syntetyzowaną nicią potomną. Jeśli struktura pętli wyjściowej jest utworzona z sekwencji na nici potomnej, spowoduje to wzrost liczby powtórzeń. Jeśli jednak na nici macierzystej utworzona zostanie struktura pętli, następuje spadek liczby powtórzeń. Wydaje się, że ekspansja tych powtórzeń jest bardziej powszechna niż redukcja. Ogólnie rzecz biorąc, im większa ekspansja, tym większe prawdopodobieństwo wywołania choroby lub nasilenia choroby. Inne proponowane mechanizmy ekspansji i redukcji obejmują interakcję cząsteczek RNA i DNA.

Oprócz występowania podczas replikacji DNA , ekspansja powtórzeń trinukleotydowych może również wystąpić podczas naprawy DNA . W przypadku powtórzenia trinukleotydów sekwencja DNA jest uszkodzone , może to być naprawione przez procesy takie jak homologicznej rekombinacji , niehomologicznej końca łączącego , niedopasowania naprawy lub remontu podstawa wycięcia . Każdy z tych procesów obejmuje etap syntezy DNA, w którym może wystąpić poślizg nici, prowadzący do ekspansji powtórzeń trinukleotydowych.

Liczba powtórzeń trinukleotydowych wydaje się przewidywać postęp, ciężkość i wiek wystąpienia choroby Huntingtona i podobnych zaburzeń powtórzeń trinukleotydowych. Inne ludzkie choroby, w których występuje ekspansja powtórzeń tripletów, to zespół łamliwego chromosomu X , kilka ataksji rdzeniowo-móżdżkowych , dystrofia miotoniczna i ataksja Friedreicha .

Historia

Pierwsza dokumentacja przewidywania zaburzeń genetycznych pochodzi z XIX wieku. Jednak z punktu widzenia genetyków związek ten został zignorowany i przypisany do błędu w ocenie ; z tego powodu minęło prawie 200 lat, zanim potwierdzono związek między początkiem choroby a powtórzeniami trinukleotydowymi (TNR).

Następujące odkrycia służyły jako wsparcie dla związku TNR z początkiem choroby; wykrycie różnych powtórzeń w obrębie tych chorób wykazało ten związek.

Dzięki tym odkryciom zaczęły pojawiać się pomysły dotyczące przewidywania chorób i pojawiła się ciekawość, w jaki sposób przyczyny można powiązać z TNR. Po przełomach określono cztery mechanizmy TNR, a także zidentyfikowano więcej typów powtórzeń. Kompozycja powtórzeń i lokalizacja służą do określenia mechanizmu danej ekspansji. Od 1995 r. można było również zaobserwować powstawanie spinek do włosów w powtórzeniach trypletowych, które składały się z powtarzających się par CG i niedopasowania.

W ciągu dekady po odkryciu dowodów na powiązanie TNR z początkiem choroby, skupiono się na badaniu długości i dynamiki powtórzeń w chorobach, a także na badaniu mechanizmu dziedziczenia choroby rodzic-dziecko. Badania wykazały, że istnieje wyraźna odwrotna zależność między długością powtórzeń u rodziców a wiekiem zachorowania u dzieci; w związku z tym długości TNR są wykorzystywane do przewidywania wieku zachorowania, a także wyniku w diagnozie klinicznej . Oprócz tego odkrycia ujawniono inny aspekt choroby, wysoką zmienność początku. Chociaż początek HD można przewidzieć badając dziedziczenie długości TNR, początek może się różnić nawet czterokrotnie w zależności od pacjenta, co prowadzi do możliwości istnienia czynników modyfikujących wiek dla początku choroby; w tych poszukiwaniach były godne uwagi wysiłki. Obecnie długość powtórzeń CAG jest uważana za największy modyfikator wieku zachorowania na choroby TNR.

Wykrywanie TNR było na początku utrudnione z powodu ograniczonej technologii i metod, a lata minęły, zanim opracowano wystarczające sposoby pomiaru powtórzeń. Kiedy po raz pierwszy podjęto próbę wykrycia TNR metodą PCR, w wynikach dominowały artefakty wielu prążków, co sprawiało, że rozpoznawanie TNR było kłopotliwe; w tamtym czasie debata koncentrowała się wokół tego, czy choroba została wywołana przez mniejsze ilości krótkich rozszerzeń, czy niewielką ilość długich rozszerzeń. Od tego czasu przez lata opracowano dokładne metody. Łącznie, następujące klinicznie niezbędne protokoły mają 99% dokładność pomiaru TNR.

  • Łańcuchowa reakcja polimerazy małej puli (SP-PCR) pozwala na rozpoznanie powtarzających się zmian i wynika z rosnącej potrzeby opracowania metody, która zapewniłaby dokładniejszy pomiar TNR. Przydaje się do badania różnic TNR u ludzi i myszy we krwi, spermie i komórkach somatycznych.
  • Do pomiaru powtórzeń CGG stosuje się analizę Southern blot, ponieważ regiony bogate w CG ograniczają ruch polimerazy w reakcji PCR .

Ogólna struktura

Te powtarzające się sekwencje prowadzą do niestabilności między nićmi DNA po osiągnięciu pewnej progowej liczby powtórzeń, co może skutkować poślizgiem DNA podczas replikacji. Najbardziej powszechnymi i dobrze znanymi powtórzeniami trypletowymi są CAG, GCG, CTG, CGG i GAA. Podczas replikacji DNA syntetyzowana nić może niewłaściwie dopasować się do nici matrycowej ze względu na dynamiczną naturę i elastyczność tych powtórzeń trypletowych. Ten poślizg umożliwia nitce znalezienie między sobą stabilnego związku pośredniego poprzez parowanie zasad, tworząc strukturę drugorzędową inną niż dupleks.

Lokalizacja

Pod względem lokalizacji te powtórzenia trypletowe można znaleźć zarówno w regionach kodujących, jak i niekodujących. Powtórzenia CAG i GCN, które prowadzą odpowiednio do ciągów poliglutaminy i polialaniny, zwykle znajdują się w regionach kodujących. W nieulegającym translacji regionie 5' znaleziono powtórzenia CGG i CAG odpowiedzialne za zespół łamliwego chromosomu X i ataksję rdzeniowo-móżdżkową 12. W nieulegającym translacji regionie 3' znaleziono powtórzenia CTG, podczas gdy powtórzenia GAA znajdują się w regionie intronu. Inne powtórzenia powodujące chorobę, ale nie powtórzenia trypletowe, zostały zlokalizowane w regionie promotora. Gdy liczba powtórzeń przekracza normalne poziomy, zwiększenie liczby powtórzeń trypletów (TRE) staje się bardziej prawdopodobne, a liczba powtórzeń trypletów może zazwyczaj wzrosnąć do około 100 w regionach kodujących i do tysięcy w regionach niekodujących. Ta różnica jest spowodowana nadekspresją glutaminy i alaniny, przeciw której selekcjonuje się ze względu na toksyczność komórkową.

Półprodukty

Obrazy niektórych możliwych pośrednich struktur drugorzędowych: (A) Triplex wewnątrzcząsteczkowy, (B) Triloop, (C) Tetralloop

W zależności od sekwencji powtórzenia, wiadomo, że tworzą się co najmniej trzy związki pośrednie o różnych strukturach drugorzędowych. Powtórzenie CGG utworzy kwadrupleks G z powodu parowania zasad Hoogsteena, podczas gdy powtórzenie GAA utworzy tripleks z powodu ujemnego superzwijania. Powtórzenia CAG, CTG i CGG tworzą spinkę do włosów. Po utworzeniu spinki do włosów, starter ponownie ustawia się w linii z końcem 3' nowo zsyntetyzowanej nici i kontynuuje syntezę, prowadząc do ekspansji powtórzeń trypletowych. Struktura spinki do włosów opiera się na rdzeniu i pętli, która zawiera zarówno pary zasad Watsona-Cricka, jak i pary niedopasowane. W powtórzeniach CTG i CAG liczba nukleotydów obecnych w pętli zależy od tego, czy liczba powtórzeń tripletów jest parzysta czy nieparzysta. Parzysta liczba powtórzeń tworzy strukturę tetraloop, podczas gdy liczba nieparzysta prowadzi do powstania triloop.

Niestabilność

Próg

W ekspansji powtórzeń trinukleotydowych istnieje pewien próg lub maksymalna liczba powtórzeń, która może wystąpić, zanim sekwencja stanie się niestabilna. Gdy ten próg zostanie osiągnięty, powtórzenia zaczną gwałtownie się rozszerzać, powodując coraz dłuższe ekspansje w przyszłych pokoleniach. Gdy osiągnie ten minimalny rozmiar allelu, który zwykle wynosi około 30-40 powtórzeń, choroby i niestabilność mogą ulec skurczeniu, ale jeśli liczba powtórzeń znalezionych w sekwencji jest poniżej progu, pozostanie względnie stabilna. Nadal nie znaleziono wystarczających badań, aby zrozumieć molekularną naturę powodującą progi, ale naukowcy nadal badają, że możliwość może leżeć w tworzeniu struktury drugorzędowej, gdy wystąpią te powtórzenia. Stwierdzono, że choroby związane z ekspansją powtórzeń trinukleotydowych zawierały struktury drugorzędowe ze spinkami do włosów, tripleksami i dupleksami o wsuniętej nici. Obserwacje te doprowadziły do ​​hipotezy, że próg jest określony przez liczbę powtórzeń, które muszą wystąpić, aby ustabilizować powstawanie tych niechcianych struktur drugorzędowych, ze względu na fakt, że gdy te struktury się tworzą, wzrasta liczba mutacji, które będą się tworzyć w sekwencja powodująca większą ekspansję trinukleotydów.

Wpływ rodzicielski

Badania sugerują, że istnieje bezpośrednia, ważna korelacja między płcią rodzica, który przenosi mutację, a stopniem i fenotypem zaburzenia u dziecka. Stopień powtórzenia ekspansji i to, czy nastąpi ekspansja, są bezpośrednio związane z płeć rodzica przenoszącego zarówno w zaburzeniach niekodujących, jak i kodujących powtórzeń trinukleotydowych. Na przykład, badania dotyczące korelacji między powtórzeniami trinukleotydowymi CAG w chorobie Huntingtona a transmisją rodzicielską wykazały, że istnieje silna korelacja między tymi dwoma z różnicami w transmisji od matki i ojca. Zaobserwowano, że transmisja od matki polega tylko na zwiększeniu liczby powtórzeń o 1, podczas gdy transmisja od strony ojca zwykle wynosi od 3 do 9 dodatkowych powtórzeń. Transmisja ze strony ojca jest prawie zawsze odpowiedzialna za transmisję dużych powtórzeń, co skutkuje wczesnym początkiem choroby Huntingtona, podczas gdy transmisja ze strony matki powoduje, że u osób dotkniętych chorobą pojawiają się objawy przypominające objawy ich matki. „niestabilność mejotyczna”, stopień, w jakim mejoza odgrywa rolę w tym procesie i mechanizm nie jest jasny i przewiduje się, że wiele innych procesów będzie jednocześnie odgrywać rolę w tym procesie.

Mechanizmy

Nierówna wymiana homologiczna

Jeden z proponowanych, ale wysoce nieprawdopodobny mechanizm, który odgrywa rolę w transmisji ekspansji trinukleotydów, występuje podczas rekombinacji mejotycznej lub mitotycznej. Sugeruje się, że podczas tych procesów możliwe jest niedopasowanie powtórzeń homologicznych, powszechnie znane z powodowania delecji locus alfa-globiny, co powoduje niestabilność mejotyczną wydłużenia powtórzeń trinukleotydowych. Jest mało prawdopodobne, aby proces ten przyczyniał się do przenoszenia i obecności ekspansji powtórzeń trinukleotydowych ze względu na różnice w mechanizmach ekspansji. Ekspansje powtórzeń trinukleotydowych zazwyczaj faworyzują ekspansje regionu CAG, ale aby nierówna wymiana homologiczna była prawdopodobną sugestią, powtórzenia te musiałyby przejść przez zdarzenia ekspansji i kurczenia w tym samym czasie. Ponadto wiele chorób, które wynikają z przeniesionych ekspansji powtórzeń trinukleotydowych, takich jak zespół łamliwego chromosomu X, obejmuje niestabilne powtórzenia trinukleotydowe na chromosomie X, których nie można wytłumaczyć rekombinacją mejotyczną. Badania wykazały, że chociaż nierówna rekombinacja homologiczna jest mało prawdopodobna, aby być jedyną przyczyną przeniesionych wydłużeń powtórzeń trinukleotydowych, ta rekombinacja homologiczna prawdopodobnie odgrywa niewielką rolę w długości niektórych wydłużeń powtórzeń trinukleotydowych.

replikacja DNA

Przewiduje się, że błędy replikacji DNA są głównym sprawcą transmisji ekspansji powtórzeń trinukleotydów w wielu przewidywanych modelach ze względu na trudności w ekspansji powtórzeń trinukleotydów (TRE). Wykazano, że TRE występują podczas replikacji DNA zarówno w badaniach in vitro, jak i in vivo, pozwalając tym długim ciągom powtórzeń tripletów na szybkie łączenie się w różnych mechanizmach, które mogą skutkować ekspansją na małą lub dużą skalę.

Rozszerzenia na małą skalę

Rozszerzenia te mogą wystąpić poprzez poślizg pasma lub podwiązanie płata. Fragmenty Okazaki są kluczowym elementem proponowanego błędu w replikacji DNA. Sugeruje się, że mały rozmiar fragmentów Okazaki, zwykle o długości od 150 do 200 nukleotydów, sprawia, że ​​bardziej prawdopodobne jest ich odpadnięcie lub „ześlizgnięcie się” z opóźnionej nici, co stwarza miejsce dla powtórzeń trinukleotydowych do przyłączenia się do kopii opóźnionej nici. Oprócz tej możliwości zmian ekspansji powtórzeń trinukleotydowych zachodzących z powodu poślizgu fragmentów Okazaki, zdolność sekwencji ekspansji powtórzeń trinukleotydowych bogatych w CG do tworzenia specjalnych struktur szpilki do włosów, toroidalnych i potrójnych DNA przyczynia się do tego modelu, co sugeruje, że podczas DNA występuje błąd replikacja. Struktury spinki do włosów mogą powstawać w wyniku swobody opóźnionej nici podczas replikacji DNA i są one zazwyczaj obserwowane w postaci niezwykle długich sekwencji powtórzeń trinukleotydowych. Badania wykazały, że to tworzenie spinki do włosów zależy od orientacji powtórzeń trinukleotydowych w obrębie każdej nici trinukleotydowej CAG/CTG. Zaobserwowano, że nici, które mają tworzenie dupleksu przez powtórzenia CTG w nici wiodącej, dają dodatkowe powtórzenia, podczas gdy te bez powtórzeń CTG w nici wiodącej powodują powtórzenia delecji. Te związki pośrednie mogą wstrzymywać aktywność widełek replikacyjnych w oparciu o ich oddziaływanie z polimerazami DNA poprzez poślizg nici. Skurcze występują, gdy widełki replikacyjne przeskakują nad pośrednim fragmentem Okazaki. Ekspansje występują, gdy widelec cofa się i ponownie uruchamia, co tworzy strukturę kurzej stopy. Ta struktura powoduje powstawanie niestabilnego związku pośredniego na powstającej nici wiodącej, co prowadzi do dalszego TRE. Co więcej, ten produkt pośredni może uniknąć naprawy niedopasowania dzięki swojemu powinowactwu do kompleksu MSH-2-MSH3, który stabilizuje spinkę do włosów zamiast ją naprawiać. W niedzielących się komórkach proces zwany ligacją płatową może być odpowiedzialny za TRE. 8-okso-guaninowa glikozylaza DNA usuwa guaninę i tworzy nacięcie w sekwencji. Nić kodująca tworzy następnie klapkę z powodu przemieszczenia, co zapobiega usunięciu przez endonukleazę. Gdy proces naprawy kończy się dla obu mechanizmów, długość rozszerzenia jest równa liczbie powtórzeń tripletów zaangażowanych w tworzenie półproduktu o strukturze spinki do włosów.

Ekspansje na dużą skalę

Zaproponowano dwa mechanizmy dla powtórzeń na dużą skalę: przełączanie matrycy i replikację indukowaną przerwaniem.

Zaproponowano przełączanie szablonów, mechanizm dla powtórzeń GAA na dużą skalę, który może podwoić liczbę powtórzeń trypletowych. Powtórzenia GAA rozszerzają się, gdy ich długość powtórzeń jest większa niż długość fragmentu Okazaki. Te powtórzenia są zaangażowane w opóźnianie widełek replikacyjnych, ponieważ te powtórzenia tworzą tripleks, gdy klapka 5' powtórzeń TTC składa się do tyłu. Synteza fragmentu Okazaki jest kontynuowana, gdy matryca jest przełączana na powstającą nić wiodącą. Fragment Okazaki ostatecznie liguje się z powrotem do klapy 5', co skutkuje TRE.

Inny mechanizm, oparty na replikacji indukowanej przerwaniem, został zaproponowany dla powtórzeń CAG na dużą skalę i może również wystąpić w niedzielących się komórkach. Początkowo mechanizm ten przebiega zgodnie z tym samym procesem, co mechanizm poślizgu nici o małej skali, aż do odwrócenia widełek replikacyjnych. Endonukleaza następnie rozszczepia strukturę łapy kurczaka, co powoduje pęknięcie podwójnej nici na jednym końcu. Powtórzenie CAG tej uszkodzonej nici potomnej tworzy spinkę do włosów i atakuje nić CAG na siostrzanej chromatydzie, co skutkuje ekspansją tego powtórzenia w syntezie migrującej pętli D DNA. Synteza ta trwa, aż dotrze do widełek replikacyjnych i zostanie rozszczepiona, co skutkuje ekspandowaną chromatydą siostrzaną.

Zaburzenia

Zespół łamliwego chromosomu X

Tło

Zespół łamliwego chromosomu X jest drugą najczęstszą postacią niepełnosprawności intelektualnej dotykającą 1 na 2 000-4 000 kobiet i 1 na 4 000-8 000 mężczyzn, przy czym kobiety dwukrotnie częściej dziedziczą tę niepełnosprawność ze względu na ich chromosomy XX. Ta niepełnosprawność wynika z mutacji na końcu chromosomu X w genie FMR1 ( gen upośledzenia umysłowego łamliwego chromosomu X), który wytwarza białko niezbędne do rozwoju mózgu zwane FMRP. Osoby z zespołem łamliwego chromosomu X doświadczają różnych objawów w różnym stopniu, w zależności od płci i stopnia mutacji, takich jak zaburzenia koncentracji uwagi, drażliwość, wrażliwość na bodźce, różne zaburzenia lękowe, depresja i/lub zachowania agresywne. Niektóre metody leczenia tych objawów obserwowanych u osób z zespołem łamliwego chromosomu X obejmują SSRI , leki przeciwpsychotyczne, stymulanty, kwas foliowy i stabilizatory nastroju.

Przyczyna genetyczna

Znaczne ekspansje elementu trinukleotydowego CGG są pojedynczą przyczyną męskiej choroby genetycznej zwanej zespołem łamliwego chromosomu X. U mężczyzn bez zespołu łamliwego chromosomu X liczba powtórzeń CGG wynosi od 53 do 200, podczas gdy osoby dotknięte chorobą mają więcej niż 200 powtórzeń tej sekwencji trinukleotydowej zlokalizowanej na końcu chromosomu X na prążku Xq28.3.1 . Nosiciele, którzy mają powtórzenia mieszczące się w zakresie od 53 do 200 powtórzeń, mają „allele premutacji”, ponieważ allele w tym zakresie zbliżają się do 200, prawdopodobieństwo ekspansji do pełnej mutacji wzrasta, a poziomy mRNA są pięciokrotnie podwyższone. Badania wykazały, że osoby z allelami premutacji w zakresie 59-69 powtórzeń mają około 30% ryzyko rozwoju pełnej mutacji w porównaniu z osobami z wysokim zakresem ≥ 90 powtórzeń. Nosiciele zespołu łamliwego chromosomu X (ci, którzy mieszczą się w zakresie premutacji) zazwyczaj mają niemetylowane allele, normalny fenotyp i normalne poziomy mRNA FMR1 i białka FMRP. Mężczyźni z zespołem łamliwego chromosomu X posiadają allele w pełnym zakresie mutacji (>200 powtórzeń) z poziomem białka FMRP znacznie niższym niż normalnie i doświadczają hipermetylacji regionu promotora genu FMR1. Niektórzy mężczyźni z allelami w pełnym zakresie mutacji doświadczają częściowej metylacji lub jej braku, co skutkuje tylko nieznacznie nieprawidłowymi fenotypami z powodu tylko niewielkiej regulacji w dół transkrypcji genu FMR1. Niezmetylowane i częściowo zmetylowane allele w zakresie mutacji doświadczają zwiększonych i normalnych poziomów mRNA FMR1 w porównaniu z normalnymi kontrolami. W przeciwieństwie do tego, gdy niemetylowane allele osiągają liczbę powtórzeń około 300, poziomy transkrypcji pozostają względnie nienaruszone i działają na normalnych poziomach; poziomy transkrypcji powtórzeń większych niż 300 są obecnie nieznane.

Wyciszanie promotora

Ekspansja powtórzeń trinukleotydowych CGG jest obecna w mRNA FMR1 i jej interakcje są odpowiedzialne za wyciszanie promotora . Ekspansja trinukleotydów CGG znajduje się w nieulegającym translacji regionie 5' mRNA, który ulega hybrydyzacji, tworząc komplementarną część powtórzeń CGG. Wiązanie tego powtórzenia genomowego z mRNA powoduje wyciszenie promotora. Poza tym mechanizm wyciszania promotora jest nieznany i jest nadal badany.

choroba Huntingtona

Tło

Choroba Huntingtona (HD) jest dominującym schorzeniem neurologicznym przenoszonym przez ojca, które dotyka 1 na 15 000-20 000 osób w wielu populacjach zachodnich. HD obejmuje jądra podstawne i korę mózgową i objawia się takimi objawami, jak upośledzenie funkcji poznawczych, ruchowych i/lub psychiatrycznych.

Związek przyczynowy

To autosomalne dominujące zaburzenie wynika z ekspansji powtórzeń trinukleotydowych, które obejmują CAG w eksonie 1 genu IT15. Większość wszystkich młodzieńczych przypadków HD wynika z przeniesienia dużej liczby powtórzeń trinukleotydowych CAG, która jest wynikiem ojcowskiej gametogenezy . Podczas gdy osoba bez HD ma liczbę powtórzeń CAG, które mieszczą się w zakresie od 9 do 37, osoba z HD ma CAG zazwyczaj ma powtórzenia w zakresie od 37 do 102. Badania wykazały odwrotną zależność między liczbą powtórzeń trinukleotydowych i wieku zachorowania, jednak nie zaobserwowano związku między liczbą powtórzeń trinukleotydowych a szybkością progresji HD i/lub masą ciała dotkniętego chorobą osobnika. Stwierdzono, że nasilenie pogorszenia funkcji jest podobne u szerokiego zakresu osób z różną liczbą powtórzeń CAG i różnym wiekiem zachorowania, dlatego sugeruje się, że tempo progresji choroby jest również związane z czynnikami innymi niż liczba powtórzeń CAG, takimi jak jako czynniki środowiskowe i/lub genetyczne.

Dystrofia miotoniczna

Tło

Dystrofia miotoniczna jest rzadkim zaburzeniem mięśni, w którym zaatakowanych jest wiele układów organizmu. Istnieją cztery formy dystrofii miotonicznej: łagodny fenotyp i późny początek, początek w okresie dojrzewania/młodej dorosłości, wczesne dzieciństwo z trudnościami w uczeniu się oraz postać wrodzona. Osoby z dystrofią miotoniczną doświadczają poważnych, wyniszczających objawów fizycznych, takich jak osłabienie mięśni, problemy z biciem serca i trudności w oddychaniu, które można poprawić poprzez leczenie, aby zmaksymalizować mobilność pacjentów i codzienną aktywność, aby złagodzić stres ich opiekunów. Mięśnie osób z dystrofią miotoniczną cechują się wzrostem włókien typu 1 oraz zwiększonym pogorszeniem tych włókien typu 1. Oprócz tych fizycznych dolegliwości stwierdzono, że osoby z dystrofią miotoniczną doświadczają różnych uwewnętrznionych zaburzeń, takich jak zaburzenia lękowe i nastroju, a także opóźnienia poznawcze, zaburzenia koncentracji uwagi , zaburzenia ze spektrum autyzmu , niższe IQ i trudności wzrokowo-przestrzenne. Badania wykazały, że istnieje bezpośrednia korelacja między liczbą powtórzeń rozwinięcia, IQ a stopniem upośledzenia wzrokowo-przestrzennego danej osoby.

Związek przyczynowy

Dystrofia miotoniczna wynika z wydłużenia powtórzeń trinukleotydowych (CTG)n, które znajduje się w nieulegającym translacji regionie 3' transkryptu kodującego kinazę serynowo/treoninową . To powtórzenie trinukleotydowe (CTG)n znajduje się w leukocytach ; Stwierdzono, że długość powtórzenia i wiek osobnika są bezpośrednio związane z postępem choroby i przewagą włókien mięśniowych typu 1 . Wiek i długość (CTG)n mają tylko niewielkie współczynniki korelacji z postępem choroby, badania sugerują, że różne inne czynniki odgrywają rolę w progresji choroby, takie jak zmiany w szlaku transdukcji sygnału , ekspresja somatyczna i niejednorodność komórek w powtórzeniach (CTG)n.

Ataksja Friedreicha

Tło

Ataksja Friedreicha jest postępującym zaburzeniem neurologicznym. Osoby doświadczają zaburzeń chodu i mowy z powodu zwyrodnienia rdzenia kręgowego i nerwów obwodowych. Inne objawy mogą obejmować powikłania sercowe i cukrzycę. Typowy wiek, w którym pojawiają się objawy, to 5-15 lat, a objawy z czasem się pogarszają.

Związek przyczynowy

Ataksję Friedreicha jest autosomalnym zaburzeniem recesywnym przyczyną przez rozszerzenie GAA w intronie w FXN genu. Gen ten koduje białko frataksynę , białko mitochondrialne zaangażowane w homeostazę żelaza. Mutacja zaburza transkrypcję białka, więc dotknięte nią komórki wytwarzają tylko 5-10% frataksyny zdrowych komórek. Prowadzi to do akumulacji żelaza w mitochondriach i sprawia, że ​​komórki są podatne na uszkodzenia oksydacyjne. Badania pokazują, że długość powtórzeń GAA jest skorelowana z nasileniem choroby.

Miejsce wystąpienia

Zespół łamliwego chromosomu X

Dokładny czas wystąpienia TNR zależy od choroby. Chociaż dokładny czas wystąpienia FXS nie jest pewny, badania sugerują, że najwcześniejsze ekspansje CGG dla tego zaburzenia obserwuje się w pierwotnych oocytach . Zasugerowano, że ekspansja powtórzeń zachodzi w oocytach matki podczas zatrzymania cyklu mejotycznego w profazie I , jednak mechanizm pozostaje niejasny. Odziedziczone po matce allele premutacji mogą rozwijać się w allele pełnej mutacji (większe niż 200 powtórzeń), powodując zmniejszenie wytwarzania produktu genu FMR-1 FMRP i powodując zespół upośledzenia umysłowego łamliwego chromosomu X. W przypadku kobiet, ekspansja dużych powtórzeń jest oparta na naprawie, podczas gdy dla mężczyzn skrócenie ekspansji długich powtórzeń wynika z replikacji; w związku z tym ich plemnikom brakuje tych powtórzeń, a ojcowskie dziedziczenie długich powtórzeń ekspansji nie występuje. Pomiędzy 13. a 17. tygodniem rozwoju płodu ludzkiego , duże powtórzenia CGG ulegają skróceniu.

Dystrofia miotoniczna typu 1

Można wyciągnąć wiele podobieństw między DM1 i FXS obejmujących aspekty mutacji. Pełne dziedziczenie matczyne występuje w DM1, długość ekspansji powtórzeń jest powiązana z wiekiem matki, a najwcześniejsze przypadki ekspansji obserwuje się w stadium dwukomórkowym zarodków przedimplantacyjnych. Istnieje dodatnia korelacja między dziedziczeniem męskim a długością alleli. Badanie na myszach wykazało, że dokładny czas ekspansji powtórzeń CTG ma miejsce podczas rozwoju spermatogonii . W DM1 i FXS postawiono hipotezę, że ekspansja TNR następuje w wyniku wielu błędnych etapów replikacji polimerazy DNA . Niezdolność polimerazy DNA do prawidłowego przemieszczania się przez TNR może powodować transaktywację polimeraz translekcji (TLP), które będą próbowały zakończyć proces replikacji i przezwyciężyć blokadę. Zrozumiałe jest, że ponieważ polimeraza DNA zawodzi w ten sposób, powstałe jednoniciowe pętle pozostawione w nici matrycowej ulegają delecji, wpływając na długość TNR. Ten proces pozostawia możliwość wystąpienia ekspansji TNR.

choroba Huntingtona

W chorobie Huntingtona (HD) dokładny czas nie został określony; jednak istnieje szereg proponowanych punktów podczas rozwoju komórek zarodkowych, w których uważa się, że następuje ekspansja.

  • W czterech zbadanych próbkach HD długość ekspansji powtórzeń CAG była bardziej zmienna w dojrzałych plemnikach niż plemnikach rozwijających się w jądrach , co prowadzi do wniosku, że istnieje prawdopodobieństwo późniejszego rozszerzenia powtórzeń w rozwoju plemników.
  • Zaobserwowano, że powtarzające się ekspansje występują przed zakończeniem mejozy u ludzi, zwłaszcza pierwszego podziału.
  • W komórkach zarodkowych przechodzących różnicowanie, dowody sugerują, że możliwe jest generowanie ekspansji również po zakończeniu mejozy, ponieważ większe mutacje HD zostały znalezione w komórkach postmejotycznych.

Ataksja rdzeniowo-móżdżkowa typu 1

Powtórzenia CAG w ataksji rdzeniowo-móżdżkowej typu 1 (SCA1) są najczęściej przekazywane przez ojca, a podobieństwa można zaobserwować w HD. Rozmiar przewodu dla potomstwa matek z tymi powtórzeniami nie wykazuje żadnego stopnia zmiany. Ponieważ niestabilność TNR nie występuje u młodych samic myszy, a wiek i niestabilność samic SCA1 są bezpośrednio powiązane, ekspansja musi zachodzić w nieaktywnych oocytach. Wydaje się, że pojawiła się tendencja do większych ekspansji występujących w komórkach nieaktywnych w podziale i mniejszych ekspansji występujących w aktywnie dzielących się lub nie dzielących się komórkach.

Lecznictwo

Ekspansja powtórzeń trinukleotydowych to mutacja DNA, która jest odpowiedzialna za wywoływanie wszelkiego rodzaju zaburzeń klasyfikowanych jako zaburzenie powtórzeń trinukleotydowych. Zaburzenia te są postępujące i wpływają na sekwencje genomu ludzkiego, często w obrębie układu nerwowego. Jak dotąd dostępne terapie dają jedynie skromne wyniki, w najlepszym razie, z naciskiem na badania i badanie manipulacji genomowych. Najbardziej zaawansowane dostępne terapie mają na celu ukierunkowanie ekspresji zmutowanych genów za pomocą antysensownych oligonukleotydów (ASO) lub interferencji RNA (RNAi) w celu namierzenia informacyjnego RNA (mRNA). Chociaż rozwiązania dotyczące interwencji w tej chorobie są priorytetem, RNAi i ASO osiągnęły dopiero etap badań klinicznych.

Interferencja RNA (RNAi)

Interferencja RNA to mechanizm, który można wykorzystać do wyciszenia ekspresji genów, RNAi to naturalnie występujący proces, który jest wykorzystywany przy użyciu syntetycznych małych interferujących RNA (siRNA), które są używane do zmiany działania i czasu trwania naturalnego procesu RNAi. Innym syntetycznym RNA są krótkie RNA o strukturze spinki do włosów (shRNA), które można również wykorzystać do monitorowania działania i przewidywalności procesu RNAi.

RNAi zaczyna się od RNase Dicer rozszczepiającego na małe fragmenty odrost o długości 21-25 nukleotydów z dwuniciowych substratów RNA. W wyniku tego procesu powstają dupleksy siRNA, które będą wykorzystywane przez kompleks wyciszający indukowany RNA (RISC). RISC zawiera antysens, który będzie wiązał się z komplementarnymi nićmi mRNA, po ich związaniu są one cięte przez białko znajdujące się w kompleksie RISC o nazwie Argonaute 2 (Ago2) pomiędzy zasadami 10 i 11 względem końca 5'. Przed rozszczepieniem nici mRNA dwuniciowy antysens siRNA jest również rozszczepiany przez kompleks Ago2, co pozostawia jednoniciową prowadnicę w obrębie związku RISC, która zostanie wykorzystana do znalezienia pożądanej nici mRNA, w wyniku czego ten proces ma specyficzność. Niektóre problemy, które mogą wystąpić, polegają na tym, że kierujący jednoniciowy siRNA w kompleksie RISC może stać się niestabilny po rozszczepieniu i zacząć się rozwijać, co skutkuje wiązaniem się z niekorzystną nicią mRNA. Idealne komplementarne prowadnice dla docelowych RNA są łatwo rozpoznawane i będą cięte w obrębie kompleksu RISC; jeśli występuje tylko częściowe komplementarne parowanie między nicią prowadzącą a docelowym mRNA może spowodować nieprawidłową translację lub destabilizację w miejscach docelowych.

Oligonukleotydy antysensowne

Oligonukleotydy antysensowne (ASO) są małymi, jednoniciowymi oligodeoksynukleotydami o długości około 15-20 kwasów nukleinowych, które mogą zmieniać ekspresję białka. Celem stosowania tych antysensownych oligonukleotydów jest zmniejszenie ekspresji białka specyficznego celu, zwykle przez hamowanie endonukleazy RNazy H, jak również hamowanie tworzenia czapeczki 5' lub zmianę procesu splicingu. W stanie natywnym ASO są szybko trawione, co wymaga zastosowania kolejności fosforylacji, aby ASO przeszedł przez błony komórkowe.

Pomimo oczywistych korzyści, jakie antysensowne terapeutyki mogą przynieść światu dzięki ich zdolności do wyciszania chorób nerwowych, istnieje wiele problemów z rozwojem tej terapii. Jednym z problemów jest to, że ASO są bardzo podatne na degradację przez nukleazy w organizmie. Powoduje to dużą ilość modyfikacji chemicznych przy zmianie chemii, aby umożliwić nukleazom przewyższenie degradacji tych syntetycznych kwasów nukleinowych. Natywne ASO mają bardzo krótki okres półtrwania, nawet zanim zostaną przefiltrowane w całym organizmie, zwłaszcza w nerkach, a wysoki ładunek ujemny sprawia, że ​​przejście przez układ naczyniowy lub błony jest bardzo trudne podczas próby dotarcia do docelowych nici DNA lub mRNA. Przy tych wszystkich barierach, modyfikacje chemiczne mogą prowadzić do niszczących skutków po wprowadzeniu do organizmu, powodując, że każdy problem rozwija coraz więcej skutków ubocznych.

Syntetyczne oligonukleotydy są ujemnie naładowanymi cząsteczkami, które są chemicznie modyfikowane, aby cząsteczka mogła regulować ekspresję genu w komórce. Niektóre problemy, które pojawiają się w tym procesie, to toksyczność i zmienność, które mogą wystąpić po modyfikacji chemicznej. Celem ASO jest modulacja ekspresji genów za pomocą białek, co można wykonać na 2 złożone sposoby; a) oligonukleotydy zależne od RNazy H, które indukują degradację mRNA i (b) oligonukleotydy blokujące sterykę, które fizycznie zapobiegają lub hamują postęp splicingu lub maszynerii translacyjnej. Większość badanych ASO wykorzystuje pierwszy mechanizm z enzymem Rnazy H, który hydrolizuje nić RNA, gdy enzym ten jest wspomagany przez oligonukleotydy, redukcja ekspresji RNA jest skutecznie redukowana o 80-95% i nadal może hamować ekspresję w dowolnym regionie mRNA

Referencje {{reflist|refs=

Bibliografia