En genética , los trastornos de repetición de trinucleótidos , un subconjunto de enfermedades de expansión de microsatélites (también conocidos como trastornos de expansión de repetición), son un conjunto de más de 30 trastornos genéticos causados por la expansión de repetición de trinucleótidos , un tipo de mutación en la que se repiten tres nucleótidos (repeticiones de trinucleótidos). aumentan el número de copias hasta que cruzan un umbral por encima del cual causan trastornos del desarrollo, neurológicos o neuromusculares. [1] [2] [3] Además de las expansiones de estas repeticiones de trinucleótidos, las expansiones de un tetranucleótido (CCTG) [4] , cinco pentanucleótidos (ATTCT, TGGAA, TTTTA, TTTCA y AAGGG), tres hexanucleótidos (GGCCTG, CCCTCT y GGGGCC) y una repetición de dodecanucleótido (CCCCGCCCCGCG) causan otras 13 enfermedades. [5] Dependiendo de su ubicación, la repetición inestable del trinucleótido puede causar defectos en una proteína codificada por un gen ; cambiar la regulación de la expresión genética ; producir un ARN tóxico o conducir a la producción de una proteína tóxica. [1] [2] En general, cuanto mayor es la expansión, más rápido es el inicio de la enfermedad y más grave se vuelve. [1] [2]
Las repeticiones de trinucleótidos son un subconjunto de una clase más amplia de repeticiones de microsatélites inestables que se producen en todos los genomas .
La primera enfermedad por repetición de trinucleótidos identificada fue el síndrome X frágil , que desde entonces se ha localizado en el brazo largo del cromosoma X. Los pacientes portan de 230 a 4000 repeticiones CGG en el gen que causa el síndrome del X frágil, mientras que los individuos no afectados tienen hasta 50 repeticiones y los portadores de la enfermedad tienen de 60 a 230 repeticiones. La inestabilidad cromosómica resultante de esta expansión de trinucleótidos se presenta clínicamente como discapacidad intelectual , rasgos faciales distintivos y macroorquidia en los hombres. La segunda enfermedad de repetición de tripletes de ADN, el síndrome XE frágil , también se identificó en el cromosoma X, pero se descubrió que era el resultado de una repetición CCG expandida. [6] El descubrimiento de que las repeticiones de trinucleótidos podrían expandirse durante la transmisión intergeneracional y podrían causar enfermedades fue la primera evidencia de que no todas las mutaciones que causan enfermedades se transmiten de manera estable de padres a hijos. [1]
Los trastornos por repetición de trinucleótidos y los trastornos relacionados con la repetición de microsatélites afectan aproximadamente a 1 de cada 3.000 personas en todo el mundo. [ cita necesaria ] Sin embargo, la frecuencia de aparición de cualquier trastorno de secuencia repetida en particular varía mucho según el grupo étnico y la ubicación geográfica. [7] Muchas regiones del genoma (exones, intrones, regiones intergénicas) normalmente contienen secuencias de trinucleótidos, o secuencias repetidas de un nucleótido particular, o secuencias de 2, 4, 5 o 6 nucleótidos. Estas secuencias repetitivas se producen en un nivel bajo que puede considerarse "normal". [8] A veces, una persona puede tener más copias de las habituales de una secuencia repetida asociada con un gen, pero no las suficientes para alterar la función de ese gen. Estos individuos se denominan "portadores de premutaciones". La frecuencia de portadores en todo el mundo parece ser de 1 entre 340 personas. [ cita necesaria ] Algunos portadores, durante la formación de óvulos o espermatozoides, pueden dar lugar a niveles más altos de repetición de la repetición que portan. El nivel más alto puede entonces estar en un nivel de "mutación" y causar síntomas en su descendencia.
Boivin y Charlet-Berguand describen tres categorías de trastornos de repetición de trinucleótidos y trastornos de microsatélites relacionados (4, 5 o 6 repeticiones). [2]
La primera categoría principal que discuten estos autores son las expansiones repetidas ubicadas dentro de la región promotora de un gen o ubicadas cerca de una región promotora de un gen, pero aguas arriba de ella. Estas repeticiones son capaces de promover cambios epigenéticos localizados en el ADN , como la metilación de citosinas . Estas alteraciones epigenéticas pueden inhibir la transcripción, [9] provocando una expresión reducida de la proteína codificada asociada. [2] Las alteraciones epigenéticas y sus efectos son descritas más detalladamente por Barbé y Finkbeiner [10] Estos autores citan evidencia de que la edad a la que un individuo comienza a experimentar síntomas, así como la gravedad de la enfermedad, está determinada tanto por el tamaño de la repetición y el estado epigenético dentro de la repetición y alrededor de la repetición. A menudo hay una mayor metilación en las islas CpG cerca de la región repetida, lo que resulta en un estado de cromatina cerrado , lo que provoca una regulación negativa del gen . [10] Esta primera categoría se denomina "pérdida de función". [2]
La segunda categoría principal de trastornos de repetición de trinucleótidos y trastornos de microsatélites relacionados implica un mecanismo de ganancia de función de ARN tóxico. En este segundo tipo de trastorno, grandes expansiones repetidas en el ADN se transcriben en ARN patógenos que forman focos de ARN nuclear. Estos focos atraen y alteran la ubicación y función de las proteínas de unión a ARN. Esto, a su vez, provoca múltiples defectos en el procesamiento del ARN que conducen a las diversas manifestaciones clínicas de estas enfermedades. [2]
La tercera categoría principal de trastornos por repetición de trinucleótidos y trastornos de microsatélites relacionados se debe a la traducción de secuencias repetidas en proteínas patógenas que contienen una serie de aminoácidos repetidos. Esto da como resultado, de diversas formas, una ganancia tóxica de función, una pérdida de función, un efecto negativo dominante y/o una combinación de estos mecanismos para la proteína que alberga la expansión. La traducción de estas expansiones repetidas se produce principalmente a través de dos mecanismos. En primer lugar, la traducción puede iniciarse en el codón de inicio AUG habitual o similar (CUG, GUG, UUG o ACG). Esto da como resultado la expresión de una proteína patógena codificada por un marco de codificación particular. En segundo lugar, un mecanismo denominado "traducción no AUG (RAN) asociada a repetición" utiliza el inicio de la traducción que comienza directamente dentro de la expansión repetida. Esto potencialmente da como resultado la expresión de tres proteínas diferentes codificadas por los tres posibles marcos de lectura. Generalmente, una de las tres proteínas es más tóxica que las otras dos. Típicas de estas expansiones de tipo RAN son aquellas con la repetición de trinucleótido CAG. Estos a menudo se traducen en proteínas que contienen poliglutamina que forman inclusiones y son tóxicas para las células neuronales. Ejemplos de trastornos causados por este mecanismo incluyen la enfermedad de Huntington y la enfermedad similar a Huntington 2, la atrofia muscular espinal-bulbar, la atrofia dentatorubral-palidoluysiana y la ataxia espinocerebelosa 1–3, 6–8 y 17. [2]
La primera categoría principal, el tipo de pérdida de función con contribuciones epigenéticas, puede tener repeticiones ubicadas en un promotor, en regiones 5' no transcritas aguas arriba de los promotores o en intrones. La segunda categoría, los ARN tóxicos, tiene repeticiones ubicadas en intrones o en una región de código 3' no traducida más allá del codón de terminación. La tercera categoría, que produce en gran medida proteínas tóxicas con polialaninas o poliglutaminas, tiene repeticiones de trinucleótidos que se producen en los exones de los genes afectados. [2]
Algunos de los problemas en los síndromes de repetición de trinucleótidos resultan de provocar alteraciones en la región codificante del gen, mientras que otros son causados por una regulación genética alterada . [1] En más de la mitad de estos trastornos, el trinucleótido repetido, o codón , es CAG. En una región codificante, CAG codifica glutamina (Q), por lo que las repeticiones de CAG dan como resultado un tracto de poliglutamina expandido . [11] Estas enfermedades se conocen comúnmente como enfermedades de poliglutamina (o poliQ) . Los codones repetidos en los trastornos restantes no codifican la glutamina, y estos pueden clasificarse como trastornos de repetición de trinucleótidos no poliQ o no codificantes .
En 2017 [update], se sabía que diez trastornos neurológicos y neuromusculares eran causados por un mayor número de repeticiones CAG. [11] Aunque estas enfermedades comparten el mismo codón repetido (CAG) y algunos síntomas, las repeticiones se encuentran en genes diferentes y no relacionados. Excepto por la expansión de la repetición CAG en la UTR 5' de PPP2R2B en SCA12, las repeticiones CAG expandidas se traducen en una secuencia ininterrumpida de residuos de glutamina, formando un tracto poliQ, y la acumulación de proteínas poliQ daña funciones celulares clave como la ubiquitina- sistema proteosoma . Un síntoma común de las enfermedades poliQ es la degeneración progresiva de las células nerviosas , que suele afectar a personas más adelante en la vida. Sin embargo, diferentes proteínas que contienen poliQ dañan diferentes subconjuntos de neuronas, lo que provoca diferentes síntomas. [19]
Las enfermedades no poliQ o los trastornos por repetición de trinucleótidos no codificantes no comparten ningún síntoma específico y son diferentes a las enfermedades PolyQ. En algunas de estas enfermedades, como el síndrome de X frágil, la patología es causada por la falta de la función normal de la proteína codificada por el gen afectado. En otros, como la Distrofia Miotónica Tipo 1, la patología es causada por un cambio en la expresión o función de la proteína mediada por cambios en el ARN mensajero producido por la expresión del gen afectado. [1] En otros, la patología es causada por ensamblajes tóxicos de ARN en los núcleos de las células. [20]
Los trastornos por repetición de trinucleótidos generalmente muestran anticipación genética : su gravedad aumenta con cada generación sucesiva que los hereda. Esto probablemente se explica por la adición de repeticiones CAG en el gen afectado a medida que el gen se transmite de padres a hijos. Por ejemplo, la enfermedad de Huntington se produce cuando hay más de 35 repeticiones CAG en el gen que codifica la proteína HTT . Un padre con 35 repeticiones se consideraría normal y no presentaría ningún síntoma de la enfermedad. [21] Sin embargo, la descendencia de ese padre tendría un mayor riesgo de desarrollar la enfermedad de Huntington en comparación con la población general, ya que solo se necesitaría la adición de un codón CAG más para provocar la producción de mHTT (HTT mutante), la proteína responsable de enfermedad.
La enfermedad de Huntington rara vez ocurre de forma espontánea; casi siempre es el resultado de heredar el gen defectuoso de un padre afectado. Sin embargo, ocurren casos esporádicos de Huntington en personas que no tienen antecedentes de la enfermedad en sus familias. Entre estos casos esporádicos, hay una mayor frecuencia de individuos con un padre que ya tiene un número significativo de repeticiones CAG en su gen HTT , especialmente aquellos cuyas repeticiones se acercan al número (36) necesario para que se manifieste la enfermedad. Cada generación sucesiva en una familia afectada por la enfermedad de Huntington puede agregar repeticiones CAG adicionales, y cuanto mayor sea el número de repeticiones, más grave será la enfermedad y más temprana será su aparición. [21] Como resultado, las familias que han tenido Huntington durante muchas generaciones muestran una edad más temprana de aparición de la enfermedad y una progresión más rápida de la misma. [21]
La mayoría de las enfermedades causadas por expansiones de repeticiones simples de ADN involucran repeticiones de trinucleótidos, pero también se sabe que las expansiones de repeticiones de tetra, penta y dodecanucleótidos causan enfermedades. Para cualquier trastorno hereditario específico, sólo una repetición se expande en un gen particular. [22]
La expansión del triplete es causada por un deslizamiento durante la replicación del ADN o durante la síntesis de reparación del ADN . [23] Debido a que las repeticiones en tándem tienen una secuencia idéntica entre sí, el emparejamiento de bases entre dos cadenas de ADN puede tener lugar en múltiples puntos a lo largo de la secuencia. Esto puede conducir a la formación de estructuras en bucle durante la replicación del ADN o la síntesis de reparación del ADN. [24] Esto puede llevar a la copia repetida de la secuencia repetida, expandiendo el número de repeticiones. Se han propuesto mecanismos adicionales que involucran intermediarios híbridos de ARN:ADN. [25] [26]