En genética , los trastornos de repetición de trinucleótidos , un subconjunto de las enfermedades de expansión de microsatélites (también conocidas como trastornos de expansión de repeticiones), son un conjunto de más de 30 trastornos genéticos causados por la expansión de repeticiones de trinucleótidos , un tipo de mutación en la que las repeticiones de tres nucleótidos (repeticiones de trinucleótidos) aumentan en 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 un dodecanucleótido (CCCCGCCCCGCG) causan otras 13 enfermedades. [5] Dependiendo de su ubicación, la repetición de trinucleótido inestable 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 sea la expansión, más rápido será el inicio de la enfermedad y más grave se volverá. [1] [2]
Las repeticiones de trinucleótidos son un subconjunto de una clase más grande de repeticiones de microsatélites inestables que ocurren en todos los genomas .
La primera enfermedad de repetición de trinucleótidos que se identificó fue el síndrome del cromosoma X frágil , que desde entonces se ha mapeado en el brazo largo del cromosoma X. Los pacientes son portadores de 230 a 4000 repeticiones CGG en el gen que causa el síndrome del cromosoma 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 macroorquidismo en los varones. La segunda enfermedad de repetición de tripletes de ADN, el síndrome del cromosoma X frágil , también se identificó en el cromosoma X, pero se encontró que era el resultado de una repetición CCG expandida. [6] El descubrimiento de que las repeticiones de trinucleótidos podían expandirse durante la transmisión intergeneracional y podían causar enfermedades fue la primera evidencia de que no todas las mutaciones causantes de enfermedades se transmiten de manera estable de padres a hijos. [1]
Los trastornos de repetición de trinucleótidos y los trastornos de repetición de microsatélites relacionados afectan a aproximadamente 1 de cada 3000 personas en todo el mundo. [ cita requerida ] Sin embargo, la frecuencia de aparición de cualquier trastorno de secuencia repetida en particular varía en gran medida 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 en particular, o secuencias de 2, 4, 5 o 6 nucleótidos. Tales secuencias repetitivas ocurren en un nivel bajo que puede considerarse "normal". [8] A veces, una persona puede tener más del número habitual de copias de una secuencia repetida asociada con un gen, pero no lo suficiente como para alterar la función de ese gen. A estos individuos se los conoce como "portadores de premutación". La frecuencia de portadores en todo el mundo parece ser de 1 de cada 340 individuos. [ cita requerida ] 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 superior puede entonces estar en un nivel de "mutación" y causar síntomas en su descendencia.
Boivin y Charlet-Berguerand 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 estos autores discuten son las expansiones repetidas ubicadas dentro de la región promotora de un gen o ubicadas cerca, pero aguas arriba de, una región promotora de un gen. Estas repeticiones pueden promover cambios epigenéticos localizados en el ADN, como la metilación de citosinas . Tales alteraciones epigenéticas pueden inhibir la transcripción, [9] causando una expresión reducida de la proteína codificada asociada. [2] Las alteraciones epigenéticas y sus efectos son descritos más completamente por Barbé y Finkbeiner [10]. Estos autores citan evidencia de que la edad en la que un individuo comienza a experimentar síntomas, así como la gravedad de la enfermedad, está determinada tanto por el tamaño de la repetición como por el estado epigenético dentro de la repetición y alrededor de la repetición. A menudo hay un aumento de la metilación en las islas CpG cerca de la región repetida, lo que resulta en un estado de cromatina cerrada , causando una regulación negativa del gen . [10] Esta primera categoría se designa como "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 del ARN tóxico. En este segundo tipo de trastorno, grandes expansiones de repeticiones en el ADN se transcriben en ARN patógenos que forman focos de ARN nuclear. Estos focos atraen y alteran la ubicación y la función de las proteínas de unión del ARN. Esto, a su vez, causa múltiples defectos de procesamiento del ARN que conducen a las diversas manifestaciones clínicas de estas enfermedades. [2]
La tercera categoría principal de trastornos de repetición de trinucleótidos y trastornos de microsatélites relacionados se debe a la traducción de la repetición secuenciada en proteínas patógenas que contienen un tramo 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 mezcla de estos mecanismos para la proteína que alberga la expansión. La traducción de estas expansiones de repetición se produce principalmente a través de dos mecanismos. En primer lugar, puede haber una traducción iniciada 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 llamado "traducción no AUG asociada a repetición (RAN)" utiliza la iniciación de la traducción que comienza directamente dentro de la expansión de repetición. Esto potencialmente da como resultado la expresión de tres proteínas diferentes codificadas por los tres marcos de lectura posibles. Por lo general, 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. Entre los trastornos causados por este mecanismo se incluyen la enfermedad de Huntington y la enfermedad de Huntington similar a la de tipo 2, la atrofia muscular espinal-bulbar, la atrofia dentatorubral-palidoluisiana y la ataxia espinocerebelosa de tipo 1-3, 6-8 y 17. [2]
La primera categoría principal, la de pérdida de función con contribuciones epigenéticas, puede tener repeticiones ubicadas en un promotor, en regiones no transcritas 5' aguas arriba de los promotores, o en intrones. La segunda categoría, ARN tóxicos, tiene repeticiones ubicadas en intrones o en una región 3' no traducida del código más allá del codón de terminación. La tercera categoría, que produce principalmente proteínas tóxicas con polialaninas o poliglutaminas, tiene repeticiones de trinucleótidos que se encuentran en los exones de los genes afectados. [2]
Algunos de los problemas en los síndromes de repetición de trinucleótidos resultan de causar 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 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. A excepción de la expansión de la repetición CAG en el 5' UTR 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 el sistema ubiquitina-proteasoma . Un síntoma común de las enfermedades poliQ es la degeneración progresiva de las células nerviosas , que generalmente afecta a las personas más adelante en la vida. Sin embargo, diferentes proteínas que contienen poliQ dañan diferentes subconjuntos de neuronas, lo que lleva a diferentes síntomas. [19]
Las enfermedades no poliQ o trastornos de repetición de trinucleótidos no codificantes no comparten síntomas específicos y son diferentes a las enfermedades poliQ. En algunas de estas enfermedades, como el síndrome del cromosoma X frágil, la patología es causada por la falta de la función normal de la proteína codificada por el gen afectado. En otras, 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 otras, la patología es causada por ensamblajes tóxicos de ARN en los núcleos de las células. [20]
Los trastornos de 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 exhibiría ningún síntoma de la enfermedad. [21] Sin embargo, la descendencia de ese padre tendría un mayor riesgo de desarrollar Huntington en comparación con la población general, ya que solo se necesitaría la adición de un codón CAG más para causar la producción de mHTT (HTT mutante), la proteína responsable de la enfermedad.
La enfermedad de Huntington rara vez se presenta de forma espontánea; casi siempre es el resultado de heredar el gen defectuoso de un progenitor afectado. Sin embargo, se dan casos esporádicos de Huntington en individuos que no tienen antecedentes de la enfermedad en sus familias. Entre estos casos esporádicos, hay una mayor frecuencia de individuos con un progenitor que ya tiene una cantidad significativa de repeticiones CAG en su gen HTT , especialmente aquellos cuyas repeticiones se acercan al número (36) necesario para que la enfermedad se manifieste. Cada generación sucesiva en una familia afectada por Huntington puede añadir repeticiones CAG adicionales, y cuanto mayor sea la cantidad de repeticiones, más grave será la enfermedad y más temprana 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 tetranucleótidos, pentanucleótidos y dodecanucleótidos causan enfermedades. Para cualquier trastorno hereditario específico, solo se expande una repetición en un gen particular. [22]
La expansión de tripletes se produce 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 apareamiento 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 de "bucle" durante la replicación del ADN o la síntesis de reparación del ADN. [24] Esto puede conducir a la copia repetida de la secuencia repetida, expandiendo el número de repeticiones. Se han propuesto mecanismos adicionales que involucran intermediarios híbridos ARN:ADN. [25] [26]