Ekspansja powtórzeń trójnukleotydowych jako podłoże chorób

Ekspansja
powtórzeń
trójnukleotydowych jako podłoże
chorób genetycznych
Niewielu z Was zapewne słyszało nazwę grupy chorób genetycznych
“zespoły ekspansji powtórzeń trójnukleotydowych” (ang. trinucleotide
repeat expansion disorders, TREDs). Ale choroba Huntingtona na pewno
już wszystkim z Was nasuwa pewne skojarzenia. W grupie TREDs znajdują
się także takie zespoły wad wrodzonych jak zespół łamliwego chromosomu
X (Fra-X), ataksje móżdżkowo-rdzeniowe (SCA), albo dystrofia
miotoniczna. Właściwie tych zaburzeń nie łączy nic- poza etiologią
molekularną.
Żeby zrozumieć, skąd biorą się zespoły ekspansji powtórzeń trójnukleotydowych,
musimy przyjrzeć się uważnie strukturze DNA. Wiele rejonów naszego genomu,
tych kodujących i niekodujących, posiada w swoim składzie tzw. mikrosatelity,
czyli powtarzające się motywy sekwencji, złożone z kilku nukleotydów. Ilość
powtórzeń w takich mikrosatelitach jest bardzo zmienna w populacji- dzięki tej
zmienności możliwe jest np. identyfikowanie osób w genetyce sądowej.
Unikatowym wariantem powtórzeń mikrosatelitarnych są powtórzenia tripletowe,
np. CTGCTGCTGCTGCTGCTG… Sekwencje tego typu są wyjątkowe z dwóch
powodów: po pierwsze, gdy znajdują się w rejonie kodującym, zmiana ilości
powtórzeń tylko nieznacznie uszkadza białko (zwiększając bądź zmniejszając
liczbę aminokwasów, ale nie zmieniając całej C-końcowej sekwencji, czyli ramki
odczytu). Po drugie, powtórzenia trzech nukleotydów tworzą często na poziomie
pojedynczej nici DNA lub RNA motywy spinki do włosów, czyli z angielska
„hairpin” (pokazane na ryc. 1). Takie „spinki” są bardzo trwałe i mogą zaburzać
mechanizmy transkrypcji i edycji RNA, co powoduje symptomy choroby nawet bez
ingerencji na poziomie białka.
Rycina 1. Struktura spinki do włosów formowana przez serię powtórzeń
trójnukleotydowych
Tworzenie się „spinek” jest zresztą główną siłą sprawczą TREDs i w ogóle
zmienności liczby powtórzeń – na etapie replikacji jedna z nici w obrębie
sekwencji mikrosatelitarnej może „zawinąć się”, co powoduje dobudowanie do
niej przez polimerazę większej liczby kolejnych powtórzeń, niż wynikałoby to z
komplementarności DNA. Mechanizm działa też w drugim kierunku, zmniejszając
liczbę powtórzeń w kolejnych cyklach replikacji (Rycina 2).
Rycina 2. Powtórzenia w kolejnych cyklach replikacji.
Ze względu na podobieństwo mechanizmów powstawania TREDs, a nie na wspólne
geny zaangażowane w patogenezę tych chorób, manifestacja kliniczna jest bardzo
różna. Prześledzimy dwa przykłady: chorobę Huntingtona, w której powtórzenia
znajdują się w obrębie sekwencji kodującej, oraz zespół Fra-X, w którym zaburzenie
na poziomie DNA nie wpływa na strukturę białka, ale na jego ekspresję.
CHOROBA HUNTINGTONA
Choroba Huntingtona (ang. Huntington’s disease, HD) zwana jest pląsawicą ze
względu na typowe zaburzenia neurologiczne, powodujące niekontrolowane ruchy
kończyn u osoby chorej Poza postępującą niepełnosprawnością fizyczną chorzy
stopniowo doznają otępienia umysłowego i żyją przeciętnie około 20 lat od
momentu zauważenia objawów. Choroba zwykle ujawnia się w wieku dorosłym,
chociaż istnieje odwrotnie proporcjonalna zależność pomiędzy ilością
powtórzonych trójek nukleotydowych a wiekiem ujawnienia schorzenia.
W chorobie Huntingtona genem, w którym dochodzi do multiplikacji powtórzeń
CAG jest gen HTT, huntingtina. Ekspansja trójek nukleotydowych zachodzi w
sekwencji kodującej białko, powodując zwiększenie ilości powtórzeń aminokwasu
glutaminy (tzw. trakt poliQ). W prawidłowej huntingtinie znajduje się poniżej 26
powtórzeń CAG, natomiast liczba ta może przeroczyć 40, powodując
pełnoobjawową pląsawicę. HD dziedziczy się w sposób autosomalny dominujący,
wystarczy więc jedna uszkodzona kopia HTT do zainicjowania choroby.
Niestety mimo ciągłych badań,wciąż nie do końca wiadomo, dlaczego uszkodzenie
Htt powoduje neurologiczne symptomy choroby. Funkcje huntingtiny są bardzo
róznorodne, ulega ona ekspresji w wielu tkankach i jest związana funkcjonalnie z
co najmniej 100 innymi białkami. Najważniejsza w procesie neurodegeneracji
wydaje się być funkcja antyapoptotyczna tego białka- zaburzenia jego struktury
przez dodatkowe ciągi glutaminowe mogą tę funkcję osłabiać. Co jednak
istotniejsze, sama glutamina lub trakt poliQ stanowić może element najbardziej
uszkadzający neurony. Niefunkcjonalne zmutowane białko jest cięte na fragmenty
i rozkładane, ale łańcuchy poliglutaminowe zostają nietknięte. Peptydy złożone z
poliglutaminy agregują ze sobą, dając objawy typowe dla neurodegeneracyjnej
choroby spichrzeniowej. Ten sam mechanizm występuje także w innych chorobach
z ekspansją poliQ, np. w SCID.Drugą wspólną cechą HD i SCID jest antycypacja
genetyczna. To zjawisko powoduje narastanie ilości powtórzeń w kolejnych
pokoleniach i coraz młodszy wiek ujawnienia choroby.
ZESPÓŁ ŁAMLIWEGO CHROMOSOMU X
Zespół łamliwego chromosomu X (ang. fragile X, Fra-X) to najczęstsza spośród
chorób związanych z tzw. łamliwością chromosomu X. Fra-X jest pierwszą chorobą
z grupy TREDs, którą opisano w literaturze (rok 1991). Choroba objawia się
licznymi zmianami dysmorficznymi, takimi jak pociągła twarz, duże uszy,
płaskostopie, czy też duże jądra u mężczyzn. Zaburzenia intelektualne są dużo
mocniej wyrażone- chorych cechuje zespół zachowań zaliczanych do spektrum
autyzmu oraz zaburzenia funkcji poznawczych o bardzo różnym nasileniu
(zależnym od penetracji defektu w FRM1).
Zespól łamliwego chromosomu X Powodowany jest przez zwiększenie ilości
powtórzeń CGG w obrębie sekwencji 5′ UTR genu FRM1. Uszkodzony gen ulega
zmniejszonej ekspresji, powodując niedobór białka FRMP, niezbędnego do
prawidłowego rozwoju neuronów. Ze względu na występowanie tego genu na
chromosomie X, praktycznie wszyscy mężczyźni obarczeni defektem chorują,
podczas gdy za sprawą atenuacji u kobiet znacznie mniejszy odsetek wykazuje
symptomy choroby. Mimo niemendlowskiego obrazu dziedziczenia, choroba jest
uznana za autosomalną dominującą.Nazwa zespołu Fra-X jest związana z pierwszą
metodą diagnostyki genetycznej tego zaburzenia, w której poszukiwano łamliwych
miejsc w kariotypie komórek hodowanych w ubogofolianowym podłożu. Metoda
była mało wiarygodna, stąd szybko zastąpiono ją techniką PCR.
Oprócz typowego Fra-X zidentyfikowano jeszcze 3 inne zespoły wad wrodzonych,
w których dochodzi do ekspansji trójek nukleotydowych na chromosomie X
(FRAXA, FRAXE, FRAXF). Objawiają się one podobnie do Fra-X, ale z reguły mają
łagodniejszy przebieg.
Zespoły ekspansji trójek nukleotydowych są efektem zjawiska
nieprawidłowej rekombinacji i zauważono, że zachodzą nie tylko u ludzi,
ale także u bezkręgowców (muszka owocowa). Dowodzi to, że jest to
niedoskonałość systemu replikacji w ogóle, a nie ułomność gatunku
ludzkiego. Można zastanawiać się, dlaczego natura nie próbowała
udoskonalić mechanizmów rekombinacji tak, by zapobiegać ekspansji
trójek. Prawdopodobnie jednak nie byłoby to korzystne, ponieważ z tych
samych mechanizmów niehomologicznej rekombinacji korzysta ewolucja w
procesie specjacji i adaptacji. Ograniczenie swobody replikacji nie mogło
wiec mieć miejsca- chorobotwórcze błędy wpisane są w naturę organizmów
żywych i nic na to nie poradzimy.
Piśmiennictwo:
Strelnikov, V. et al. A simple multiplex FRAXA, FRAXE, and FRAXF PCR assay
convenient for wide screening programs. Human Mutations, 1999, 13, 2: 166-169.
Petruska, J. et al. Analysis of Strand Slippage in DNA Polymerase Expansions of
CAG/CTG Triplet Repeats Associated with Neurodegenerative Disease. J Biol
Chem, 1998, 273, 9: 5204-5210.
Data publikacji: 01.04.2015r.