Una expansión de repetición de trinucleótidos , también conocida como expansión de repetición de triplete , es la mutación del ADN responsable de causar cualquier tipo de trastorno categorizado como un trastorno de repetición de trinucleótidos . Estos se etiquetan en genética dinámica como mutaciones dinámicas . [1] La expansión de tripletes es causada por el deslizamiento durante la replicación del ADN, también conocido como replicación del ADN de "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 cadena madre y la cadena hija que se está sintetizando. Si la estructura de bucle se forma a partir de la secuencia en la cadena hija, esto dará como resultado un aumento en el número de repeticiones. Sin embargo, si la estructura de bucle se forma en la cadena madre, 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 sea la expansión, más probabilidades hay de que causen enfermedades o aumenten la gravedad de la enfermedad. Otros mecanismos propuestos para la expansión y la reducción involucran la interacción de moléculas de ARN y ADN. [3]
Además de ocurrir durante la replicación del ADN , la expansión de repeticiones de trinucleótidos también puede ocurrir durante la reparación del ADN . [4] Cuando una secuencia de repetición de trinucleótidos del ADN se daña , puede repararse mediante procesos como la recombinación homóloga , la unión de extremos no homólogos , la reparación de desajustes o la reparación por escisión de bases . Cada uno de estos procesos implica un paso de síntesis de ADN en el que puede producirse un deslizamiento de la cadena que lleve a la expansión de repeticiones 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 de repetición de trinucleótidos. [5] Otras enfermedades humanas en las que se produce una expansión de repeticiones de tripletes son el síndrome del cromosoma X frágil , varias ataxias espinocerebelosas , la distrofia miotónica y la ataxia de Friedreich . [4]
La primera documentación de anticipación en los trastornos genéticos se remonta al siglo XIX. Sin embargo, desde el punto de vista de los genetistas, esta relación fue desestimada y atribuida a un sesgo de verificación ; debido a esto, pasaron casi 200 años hasta que se reconoció un vínculo entre la aparición de la enfermedad y las repeticiones de trinucleótidos (TNR). [6]
Los siguientes hallazgos sirvieron como respaldo del vínculo del TNR con la aparición de enfermedades; la detección de varias repeticiones dentro de estas enfermedades demostró esta relación.
Debido a estos descubrimientos, comenzaron a desarrollarse ideas que involucraban la anticipación en la enfermedad y surgió la curiosidad sobre cómo las causas podrían estar relacionadas con los 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 y la ubicación de las repeticiones se utilizan para determinar el mecanismo de una expansión dada. [9] A partir de 1995, también fue posible observar la formación de horquillas en repeticiones de tripletes, que consistían en pares de CG repetidos y un desajuste. [11]
Durante la década posterior a que se encontrara evidencia que vinculaba el TNR con la aparición de la enfermedad, se puso el foco en estudiar la longitud de repetición y la dinámica de las enfermedades, así como en investigar el mecanismo detrás de la herencia de la enfermedad de padre a hijo. [6] La investigación ha demostrado que existe una clara relación inversa entre la longitud de las repeticiones en los padres y la edad de aparición de la enfermedad en los hijos; por lo tanto, las longitudes de los TNR se utilizan para predecir la edad de aparición de la enfermedad, así como 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 la aparición de la EH podría predecirse examinando la herencia de la longitud del TNR, el inicio podría variar hasta cuatro veces dependiendo del paciente, lo que lleva a la posibilidad de la existencia de factores modificadores de la edad para la aparición de la enfermedad; hubo esfuerzos notables en esta búsqueda. [14] [15] Actualmente, la longitud de repetición CAG se considera el mayor modificador de la edad de aparición para las enfermedades TNR. [16] [17]
La detección de los TNR se vio dificultada por la tecnología y los métodos limitados al principio, y pasaron años antes de que se desarrollaran métodos suficientes para medir las repeticiones. [6] Cuando se intentó por primera vez la PCR para la detección de los TNR, prevalecían artefactos de múltiples bandas en los resultados, y esto dificultaba el reconocimiento de los TNR; en ese momento, el debate se centró en si la enfermedad era provocada por cantidades más pequeñas 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. En conjunto, los siguientes protocolos clínicamente necesarios tienen una precisión del 99 % en la medición de los TNR. [6]
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 cadena que se está sintetizando puede desalinearse con su cadena molde debido a la naturaleza dinámica y la flexibilidad de estas repeticiones de tripletes. [24] Este deslizamiento permite que la cadena encuentre un intermediario estable entre sí a través del apareamiento de bases, formando una estructura secundaria distinta de un dúplex. [24]
En términos de ubicación, estas repeticiones de tripletes se pueden encontrar tanto en regiones codificantes como no codificantes. Las repeticiones CAG y GCN, que conducen a tractos de poliglutamina y polialanina respectivamente, normalmente se encuentran en las regiones codificantes. [25] En la región no traducida 5', se encuentran repeticiones CGG y CAG y son responsables del síndrome del cromosoma X frágil y la ataxia espinocerebelosa 12. [25] En la región no traducida 3', se encuentran repeticiones CTG, mientras que las repeticiones GAA se encuentran en la región del intrón. Otras repeticiones causantes de enfermedades, pero no repeticiones de tripletes, se han ubicado en la región promotora. [25] Una vez que el número de repeticiones excede los niveles normales, las expansiones de repeticiones de tripletes (TRE) se vuelven más probables y el número de repeticiones de tripletes normalmente puede aumentar a alrededor de 100 en regiones codificantes y hasta miles en regiones no codificantes. [25] Esta diferencia se debe a la sobreexpresión de glutamina y alanina, que se seleccionan en contra debido a la toxicidad celular. [26]
Dependiendo de la secuencia de la repetición, se sabe que se forman al menos tres intermediarios con diferentes estructuras secundarias. [27] Una repetición CGG formará un G-cuadrúplex debido al apareamiento de bases de Hoogsteen, mientras que una repetición GAA forma 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 cadena recién sintetizada y continúa la síntesis, lo que lleva a la expansión de la repetición de tripletes. [23] La estructura de la horquilla se basa en un tallo y un bucle que contiene pares de bases 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 de tetraloop, mientras que un número impar conduce a la formación de un triloop. [28] [29]
En la expansión de repeticiones de trinucleótidos hay 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 causando expansiones cada vez más largas en futuras generaciones. [30] Una vez que alcanza este tamaño mínimo de alelo, que normalmente es 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 han encontrado suficientes investigaciones 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 las expansiones de repeticiones de trinucleótidos contenían estructuras secundarias con horquillas, tríplex y dúplex de cadena deslizada. [30] Estas observaciones han 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 mayor número de mutaciones [31] que se formarán en la secuencia resultando en una mayor expansión de trinucleótidos.
Las investigaciones sugieren que existe una correlación directa e importante entre el sexo del progenitor que transmite la mutación y el grado y fenotipo del trastorno en el niño., [32] [33] El grado de expansión de repeticiones y si se producirá o no una expansión se ha relacionado directamente con el sexo del progenitor transmisor tanto en los trastornos de repetición de trinucleótidos codificantes como no codificantes. [32] Por ejemplo, las investigaciones sobre la correlación entre la repetición de trinucleótidos CAG de la enfermedad de Huntington y la transmisión parental han descubierto que existe una fuerte correlación entre ambos con diferencias en la transmisión materna y paterna. [32] Se ha observado que la transmisión materna solo consiste en un aumento de unidades de repetición de 1, mientras que la transmisión paterna suele ser de entre 3 y 9 repeticiones adicionales. [32] La transmisión paterna es casi siempre responsable de la transmisión repetida a gran escala que resulta en la aparición temprana de la enfermedad de Huntington, mientras que la transmisión materna hace que los individuos afectados experimenten una aparición de síntomas que refleja la de su madre., [32] [34] Si bien se considera que esta transmisión de una expansión repetida de trinucleótidos es el resultado de la "inestabilidad meiótica", no está claro en qué grado la meiosis juega un papel en este proceso y el mecanismo y se predice que muchos otros procesos jugarán un papel simultáneamente en este proceso. [32]
Un mecanismo propuesto pero altamente improbable que desempeña un papel en la transmisión de la expansión de trinucleótidos ocurre durante la recombinación meiótica o mitótica. [32] Se sugiere que durante estos procesos es posible que una desalineación de repeticiones homólogas, comúnmente conocida por causar deleciones del locus de alfa-globina, cause 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 repeticiones de trinucleótidos debido a diferencias en los mecanismos de expansión. [32] Las expansiones de repeticiones de trinucleótidos generalmente favorecen 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 repeticiones de trinucleótidos transmitidas, como el síndrome del cromosoma X frágil, involucran repeticiones de trinucleótidos inestables en el cromosoma X que no pueden explicarse por la recombinación meiótica. [32] Las investigaciones han demostrado que, si bien es poco probable que la recombinación homóloga desigual sea la única causa de las expansiones de repeticiones de trinucleótidos transmitidas, es probable que esta recombinación homóloga desempeñe un papel menor en la longitud de algunas expansiones de repeticiones de trinucleótidos. [32]
Se predice que los errores de replicación de ADN son los principales responsables de la transmisión de la expansión de repeticiones de trinucleótidos en muchos modelos predichos debido a la dificultad de la expansión de repeticiones de trinucleótidos (TRE). [32] Se ha demostrado que los TRE ocurren durante la replicación de ADN en estudios in vitro e in vivo, lo que permite que estos largos tramos de repeticiones de tripletes se ensamblen rápidamente en diferentes mecanismos que pueden dar como resultado expansiones a pequeña o gran escala. [25]
Estas expansiones pueden ocurrir a través del deslizamiento de la cadena 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, típicamente entre 150 y 200 nucleótidos de longitud, hace que sea más probable que se caigan o se "deslicen" de la cadena rezagada, lo que crea espacio para que las repeticiones de trinucleótidos se adhieran a la copia de la cadena rezagada. [32] Además de esta posibilidad de que se produzcan cambios en la expansión de repeticiones de trinucleótidos debido al deslizamiento de los fragmentos de Okazaki, la capacidad de las secuencias de expansión de repeticiones de trinucleótidos ricas en CG para formar estructuras especiales de ADN en horquilla, toroide y triplex contribuye a este modelo, lo que sugiere que el error ocurre durante la replicación del ADN. [32] Las estructuras en horquilla se pueden formar como resultado de la libertad de la cadena rezagada durante la replicación del ADN y normalmente se observa que se forman en secuencias de repeticiones de trinucleótidos extremadamente largas. [32] La investigación ha descubierto que esta formación de horquilla depende de la orientación de las repeticiones de trinucleótidos dentro de cada cadena de trinucleótidos CAG/CTG. [32] Se observa que las cadenas que tienen formación de dúplex por repeticiones CTG en la cadena principal dan como resultado repeticiones adicionales, mientras que las que no tienen repeticiones CTG en la cadena principal dan como resultado eliminaciones de repeticiones. [32] Estos intermediarios pueden pausar la actividad de la horquilla de replicación en función de su interacción con las ADN polimerasas a través del deslizamiento de la cadena. [25] Las contracciones ocurren cuando la horquilla de replicación se salta el intermediario 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 del intermediario inestable en la cadena principal naciente, lo que conduce a más TRE. [25] Además, este intermediario 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 células que no se dividen, un proceso llamado ligadura de colgajo puede ser responsable de la TRE. [25] [27] La ADN glicosilasa 8-oxo-guanina elimina una guanina y forma una muesca en la secuencia. [25] La hebra codificante luego forma un colgajo debido al desplazamiento, lo que impide su eliminación por una endonucleasa. Cuando el proceso de reparación termina para cualquiera de los mecanismos, la longitud de la expansión es equivalente al número de repeticiones de tripletes involucradas en la formación del intermediario de horquilla. [25]
Se han propuesto dos mecanismos para repeticiones a gran escala: cambio de plantilla y replicación inducida por rotura. [27]
Se ha propuesto el cambio de plantilla, un mecanismo para repeticiones de GAA a gran escala que puede duplicar el número de repeticiones de tripletes. [27] Las repeticiones de 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 triplete cuando la solapa 5' de las repeticiones TTC se pliega hacia atrás. [27] La síntesis del fragmento de Okazaki continúa cuando la plantilla se cambia a la hebra líder naciente. [27] El fragmento de Okazaki finalmente se liga de nuevo a la solapa 5', lo que da como resultado TRE. [27]
Se ha propuesto un mecanismo diferente, basado en la replicación inducida por rotura, para repeticiones 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 cadena a pequeña escala hasta la inversión de la horquilla de replicación. [27] Luego, una endonucleasa escinde la estructura de pata de pollo, lo que da como resultado una rotura de doble cadena de un extremo. [27] La repetición CAG de esta cadena hija rota forma una horquilla e invade la cadena 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]
El síndrome del cromosoma X frágil es la segunda forma más común de discapacidad intelectual que afecta a 1 de cada 2.000-4.000 mujeres y a 1 de cada 4.000-8.000 hombres, siendo las mujeres el doble de propensas a 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 del retraso mental del cromosoma X frágil) que produce una proteína esencial para el desarrollo del cerebro llamada FMRP. [35] Las personas con síndrome del cromosoma X frágil experimentan una variedad de síntomas en distintos grados que dependen del género y del grado de mutación, como trastornos de déficit de atención, irritabilidad, sensibilidad a los estímulos, varios trastornos de ansiedad, depresión y/o comportamiento agresivo. [35] Algunos tratamientos para estos síntomas observados en personas con síndrome del cromosoma X frágil incluyen ISRS , medicamentos antipsicóticos, estimulantes, ácido fólico y estabilizadores del estado de ánimo. [35]
Las expansiones considerables de un elemento trinucleótido CGG son la causa singular del trastorno genético masculino llamado síndrome del cromosoma X frágil. En los varones sin síndrome del cromosoma X frágil, el número de repeticiones CGG varía de 53 a 200, mientras que los afectados tienen más de 200 repeticiones de esta secuencia de trinucleótidos ubicada al final 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 a medida 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 se elevan cinco veces. [36] La investigación ha demostrado que los individuos con alelos de premutación en el rango de 59-69 repeticiones tienen alrededor de un 30% de riesgo de desarrollar una mutación completa y en comparación con aquellos en el rango alto de ≥ 90 repeticiones. [37] Los portadores del síndrome del cromosoma X frágil (aquellos que caen dentro del rango de premutación) típicamente tienen alelos no metilados, fenotipo normal y niveles normales de ARNm de FMR1 y proteína FMRP. [36] Los hombres con síndrome del cromosoma X frágil poseen alelos en el rango completo de mutación (>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 completo de mutación experimentan metilación parcial o nula, lo que resulta en fenotipos solo ligeramente anormales debido a solo una ligera regulación negativa 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 repeticiones de aproximadamente 300, los niveles de transcripción se ven relativamente inafectados y operan a niveles normales; Los niveles de transcripción de repeticiones mayores de 300 son actualmente desconocidos. [36]
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 del trinucleótido CGG reside dentro de la región no traducida 5' del ARNm, que sufre hibridación para formar una porción de repetición CGG complementaria. [36] La unión de esta repetición genómica al ARNm da como resultado el silenciamiento del promotor. [36] Más allá de este punto, el mecanismo de silenciamiento del promotor es desconocido y aún se está investigando más. [36]
La enfermedad de Huntington (EH) es un trastorno neurológico de transmisión dominante paterna que afecta a 1 de cada 15 000 a 20 000 personas en muchas poblaciones occidentales. [38] La EH afecta los ganglios basales y la corteza cerebral y se manifiesta como síntomas como deterioro cognitivo, motor y/o psiquiátrico. [38]
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 alto número de repeticiones de trinucleótidos CAG que es resultado de la gametogénesis paterna . [40] Mientras que un individuo sin EH tiene un número de repeticiones de CAG que se encuentran dentro de un rango entre 9 y 37, un individuo con EH tiene CAG típicamente tiene repeticiones en un rango entre 37 y 102. [39] La investigación ha demostrado 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 tasa de progresión de la EH y/o el peso corporal del individuo afectado. [39] Se ha descubierto que la gravedad del deterioro funcional es similar en una amplia gama de individuos con diferentes números de repeticiones CAG y diferentes edades de aparición, por lo tanto, se sugiere que la tasa de progresión de la enfermedad también está vinculada a otros factores además de la repetición CAG, como factores ambientales y/o genéticos. [39]
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 aparición tardía, aparición en la adolescencia/adultez joven, infancia temprana 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 de ritmo cardíaco y dificultad para respirar que se pueden mejorar mediante tratamiento para maximizar la movilidad de los pacientes y la actividad diaria para aliviar algo de estrés de sus cuidadores. [42] Los músculos de las personas con distrofia miotónica presentan un aumento de fibras tipo 1, así como un mayor deterioro de estas fibras 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 visoespaciales. [42] Las investigaciones han demostrado que existe una correlación directa entre el número de repeticiones de expansión, el coeficiente intelectual y el grado de deterioro visual-espacial de un individuo. [42]
La distrofia miotónica resulta de una expansión de repetición del trinucleótido (CTG)n que reside en una región no traducida 3' de una transcripción codificante de serina/treonina quinasa . [43] Esta repetición del trinucleótido (CTG)n se encuentra dentro de los leucocitos ; se ha descubierto que la longitud de la repetición y la edad del individuo están directamente relacionadas con la progresión de la enfermedad y el predominio de las 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 los cambios en la vía de transducción de señales , la expresión somática y la heterogeneidad celular en las repeticiones de (CTG)n. [43]
La ataxia de Friedreich es un trastorno neurológico progresivo. Las personas afectadas sufren trastornos 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 de aparición de los síntomas es entre los 5 y los 15 años, y los síntomas empeoran progresivamente con el tiempo. [44]
La ataxia de Friedreich es un trastorno autosómico recesivo causado por una expansión de 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 el 5-10% 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. Las investigaciones muestran que la longitud de repetición de GAA está correlacionada con la gravedad de la enfermedad. [46]
El momento preciso de aparición de TNR varía según la enfermedad. Aunque no se sabe con certeza el momento exacto del FXS, las investigaciones han sugerido que las primeras expansiones de CGG para este trastorno se observan en los ovocitos primarios . [47] [48] Se ha propuesto que la expansión de repeticiones 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 menor producción del producto del gen FMR-1 FMRP y causa el síndrome de retraso mental del cromosoma X frágil. [51] En las mujeres, las grandes expansiones de repeticiones se basan en la reparación, mientras que en los hombres, el acortamiento de las expansiones de repeticiones largas se debe a la replicación; por lo tanto, sus espermatozoides carecen de estas repeticiones y no se produce la herencia paterna de las expansiones de repeticiones largas. [52] [53] [54] Entre las semanas 13 y 17 del desarrollo fetal humano , las grandes repeticiones CGG se acortan. [54]
Se pueden establecer muchas similitudes entre DM1 y FXS que involucran aspectos de mutación. La herencia materna completa está presente en DM1, la longitud de expansión de repetición está vinculada a la edad materna y la instancia más temprana de expansiones se ve 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 de la repetición CTG era durante el desarrollo de las espermatogonias . [58] En DM1 y FXS, se plantea la hipótesis de que la expansión de TNR ocurre por medio de múltiples errores de la ADN polimerasa en la replicación. [59] [60] Una incapacidad de la ADN polimerasa para moverse adecuadamente a través del TNR puede causar la transactivación de las polimerasas de translesión (TLP), que intentarán completar el proceso de replicación y superar el bloqueo. Se entiende que a medida que la ADN polimerasa falla de esta manera, los bucles monocatenarios resultantes que quedan atrás en la cadena de plantilla sufren una eliminación, lo que afecta la longitud del TNR. Este proceso deja abierta la posibilidad de que se produzcan expansiones de TNR. [15]
En la enfermedad de Huntington (EH), no se ha determinado el momento exacto; sin embargo, hay una serie de puntos propuestos durante el desarrollo de las células germinales en los que se cree que ocurre la expansión. [61] [62]
Las repeticiones CAG de la ataxia espinocerebelosa tipo 1 (SCA1) se transmiten con mayor frecuencia por herencia paterna y se pueden observar similitudes con la HD. [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 de TNR no está presente en ratones hembra jóvenes, y la edad y la inestabilidad de las pacientes con SCA1 hembra están directamente relacionadas, las expansiones deben ocurrir en ovocitos inactivos. [65] Parece haber surgido una tendencia de expansiones más grandes que ocurren en células inactivas en la división y expansiones más pequeñas que ocurren en células que se dividen activamente o que no se dividen. [15]
La expansión de repeticiones de trinucleótidos es una mutación del ADN que es responsable de causar cualquier tipo de trastorno clasificado como un trastorno de repetición de trinucleótidos. Estos trastornos son progresivos y afectan las secuencias del genoma humano, con frecuencia dentro del sistema nervioso. Hasta ahora, las terapias disponibles solo tienen 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 dirigirse a la expresión génica mutada mediante el uso de oligonucleótidos antisentido (ASO) o interferencia de ARN (RNAi) para dirigirse al ARN mensajero (ARNm). [66] Si bien las soluciones para las intervenciones de esta enfermedad son una prioridad, el ARNi y el ASO solo han alcanzado etapas de ensayos clínicos.
La interferencia de ARN es un mecanismo que se puede utilizar para silenciar la expresión de genes, el ARNi es un proceso natural que se aprovecha utilizando pequeños ARN interferentes sintéticos (siRNA) que se utilizan para cambiar la acción y la duración del proceso natural de ARNi. [67] Otro ARN sintético son los ARN de horquilla corta (shRNA) [67] estos también se pueden utilizar para monitorear la acción y la previsibilidad del proceso de ARNi.
El RNAi comienza con la RNasa Dicer que corta una cadena de 21-25 nucleótidos de sustratos de ARN bicatenario en fragmentos pequeños. Este proceso da como resultado la creación de los dúplex de ARNi que serán utilizados por el complejo de silenciamiento inducido por ARN (RISC). [67] El RISC contiene el antisentido que se unirá a las cadenas complementarias de ARNm, una vez que están unidas, son escindidas por la proteína que se encuentra dentro del complejo RISC llamada Argonaute 2 (Ago2) entre las bases 10 y 11 en relación con el extremo 5'. Antes de la escisión de la cadena de ARNm, el antisentido bicatenario del ARNi también es escindido por el complejo Ago2, esto deja una guía monocatenaria dentro del compuesto RISC que se utilizará para encontrar la cadena de ARNm deseada, lo que da como resultado que este proceso tenga especificidad. [68] Algunos problemas que pueden surgir son si la cadena guía de ARNi monocatenario dentro del complejo RISC puede volverse inestable al ser escindida y comenzar a desenrollarse, lo que resulta en la unión a una cadena de ARNm desfavorable. Las guías complementarias perfectas para los ARN objetivo se reconocen fácilmente y se escindirán dentro del complejo RISC; si solo hay un emparejamiento complementario parcial entre la cadena guía y el ARNm objetivo, puede causar una traducción incorrecta o desestabilización en los sitios objetivo. [68]
Los oligonucleótidos antisentido (ASO) son oligodesoxirribonucleótidos monocatenarios de cadena pequeña de aproximadamente 15 a 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 un objetivo específico generalmente mediante la inhibición de la endonucleasa ARNasa H, así como la inhibición de la formación de la tapa 5' o la alteración del proceso de empalme. [70] En el estado nativo, los ASO se digieren rápidamente, esto requiere el uso de la orden de fosforilación para que el ASO pase a través de las membranas celulares.
A pesar de los obvios beneficios que las terapias antisentido pueden aportar 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 cuando se altera 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 intenta alcanzar las cadenas de ADN o ARNm objetivo. Con todas estas barreras, las modificaciones químicas pueden provocar efectos devastadores cuando se introducen en el cuerpo, lo que hace 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 problemas que surgen de este proceso son la toxicidad y la variabilidad que puede surgir con la modificación química. [70] El objetivo del ASO es modular la expresión génica a través de proteínas, lo que se puede hacer de dos formas complejas; a) los oligonucleótidos dependientes de la ARNasa H, que inducen la degradación del ARNm, y (b) los oligonucleótidos bloqueadores estéricos, que previenen o inhiben físicamente la progresión del empalme o la maquinaria de traducción. La mayoría de los ASO investigados utilizan el primer mecanismo con la enzima ARNasa H que hidroliza una cadena de ARN, cuando esta enzima es asistida por los oligonucleótidos, la reducción de la expresión del ARN se reduce de manera eficiente en un 80-95% y aún puede inhibir la expresión en cualquier región del ARNm.
