stringtranslate.com

Нарушение тринуклеотидного повтора

В генетике , нарушения тринуклеотидных повторов , подмножество заболеваний микросателлитной экспансии (также известных как нарушения экспансии повторов), представляют собой набор из более чем 30 генетических нарушений, вызванных экспансией тринуклеотидных повторов , разновидностью мутации , при которой повторы из трех нуклеотидов (тринуклеотидные повторы) увеличиваются в количестве копий до тех пор, пока не перейдут порог, выше которого они вызывают нарушения развития, неврологические или нервно-мышечные нарушения. [1] [2] [3] В дополнение к расширениям этих тринуклеотидных повторов, расширения одного тетрануклеотида (CCTG), [4] пяти пентануклеотидов (ATTCT, TGGAA, TTTTA, TTTCA и AAGGG), трех гексануклеотидов (GGCCTG, CCCTCT и GGGGCC) и одного додекануклеотида (CCCCGCCCCGCG) вызывают 13 других заболеваний. [5] В зависимости от своего местоположения, нестабильный тринуклеотидный повтор может вызывать дефекты в белке, кодируемом геном ; изменять регуляцию экспрессии гена ; вырабатывают токсичную РНК или приводят к выработке токсичного белка. [1] [2] В целом, чем больше расширение, тем быстрее наступает заболевание и тем тяжелее становится заболевание. [1] [2]

Тринуклеотидные повторы представляют собой подмножество более крупного класса нестабильных микросателлитных повторов, которые встречаются во всех геномах .

Первым заболеванием с тринуклеотидными повторами, которое было идентифицировано, был синдром ломкой Х-хромосомы , который с тех пор был сопоставлен с длинным плечом Х-хромосомы . Пациенты несут от 230 до 4000 повторов CGG в гене, который вызывает синдром ломкой Х-хромосомы, в то время как у здоровых людей имеется до 50 повторов, а у носителей заболевания — от 60 до 230 повторов. Хромосомная нестабильность, возникающая в результате этого расширения тринуклеотидов, клинически проявляется в виде умственной отсталости , отличительных черт лица и макроорхизма у мужчин. Второе заболевание с тринуклеотидными повторами ДНК, синдром ломкой ХЕ , также было идентифицировано на Х-хромосоме, но было обнаружено, что оно является результатом расширенного повтора CCG. [6] Открытие того, что тринуклеотидные повторы могут расширяться во время межпоколенческой передачи и могут вызывать заболевание, стало первым доказательством того, что не все мутации, вызывающие заболевания, стабильно передаются от родителя к потомству. [1]

Нарушения тринуклеотидных повторов и связанные с ними нарушения микросателлитных повторов затрагивают примерно 1 из 3000 человек во всем мире. [ необходима цитата ] Однако частота возникновения любого конкретного нарушения последовательности повторов сильно варьируется в зависимости от этнической группы и географического положения. [7] Многие регионы генома (экзоны, интроны, межгенные регионы) обычно содержат последовательности тринуклеотидов или повторяющиеся последовательности одного конкретного нуклеотида или последовательности из 2, 4, 5 или 6 нуклеотидов. Такие повторяющиеся последовательности встречаются на низком уровне, который можно считать «нормальным». [8] Иногда у человека может быть больше обычного количества копий последовательности повторов, связанных с геном, но недостаточно, чтобы изменить функцию этого гена. Таких людей называют «носителями премутации». Частота носителей во всем мире, по-видимому, составляет 1 из 340 человек. [ необходима цитата ] Некоторые носители во время формирования яйцеклеток или сперматозоидов могут вызывать более высокие уровни повторения повтора, который они несут. Более высокий уровень может затем оказаться на уровне «мутации» и вызвать симптомы у потомства.

Буавен и Шарле-Бергеран описали три категории нарушений тринуклеотидных повторов и связанных с ними нарушений микросателлитов (4, 5 или 6 повторов). [2]

Первая основная категория, которую обсуждают эти авторы, — это повторные расширения, расположенные в промоторной области гена или расположенные близко к промоторной области гена, но выше ее. Эти повторы способны способствовать локализованным эпигенетическим изменениям ДНК, таким как метилирование цитозинов . Такие эпигенетические изменения могут подавлять транскрипцию, [9] вызывая снижение экспрессии связанного кодируемого белка. [2] Эпигенетические изменения и их эффекты более полно описаны Барбе и Финкбейнером [10]. Эти авторы приводят доказательства того, что возраст, в котором человек начинает испытывать симптомы, а также тяжесть заболевания определяются как размером повтора, так и эпигенетическим состоянием внутри повтора и вокруг него. Часто наблюдается повышенное метилирование на CpG-островках вблизи области повтора, что приводит к закрытому состоянию хроматина , вызывающему подавление гена . [10] Эта первая категория обозначается как «потеря функции». [2]

Вторая основная категория нарушений тринуклеотидных повторов и связанных с ними микросателлитных нарушений включает механизм токсического усиления функции РНК. При этом втором типе расстройства большие повторные расширения в ДНК транскрибируются в патогенные РНК, которые формируют ядерные РНК-фокусы. Эти фокусы привлекают и изменяют местоположение и функцию РНК-связывающих белков. Это, в свою очередь, вызывает множественные дефекты процессинга РНК, которые приводят к разнообразным клиническим проявлениям этих заболеваний. [2]

Третья основная категория нарушений тринуклеотидных повторов и связанных с ними микросателлитных нарушений обусловлена ​​трансляцией повтора, секвенированного в патогенные белки, содержащие участок повторяющихся аминокислот. Это приводит, по-разному, к токсическому усилению функции, потере функции, доминантному отрицательному эффекту и/или к сочетанию этих механизмов для белка, принимающего расширение. Трансляция этих повторных расширений происходит в основном посредством двух механизмов. Во-первых, может быть трансляция, инициированная обычным AUG или аналогичным (CUG, GUG, UUG или ACG) стартовым кодоном. Это приводит к экспрессии патогенного белка, кодируемого одной конкретной кодирующей рамкой. Во-вторых, механизм, называемый «повторно-ассоциированная не-AUG (RAN) трансляция», использует инициацию трансляции, которая начинается непосредственно в повторном расширении. Это потенциально приводит к экспрессии трех различных белков, кодируемых тремя возможными рамками считывания. Обычно один из трех белков более токсичен, чем два других. Типичными для этих расширений типа RAN являются те, которые содержат тринуклеотидный повтор CAG. Они часто транслируются в полиглутаминсодержащие белки, которые образуют включения и токсичны для нейрональных клеток. Примерами расстройств, вызванных этим механизмом, являются болезнь Хантингтона и болезнь Хантингтона-подобная 2, спинально-бульбарная мышечная атрофия, дентаторубрально-паллидолуизианская атрофия и спиноцеребеллярная атаксия 1–3, 6–8 и 17. [2]

Первая основная категория, потеря функции типа с эпигенетическим вкладом, может иметь повторы, расположенные либо в промоторе, либо в 5'-нетранслируемых областях выше промоторов, либо в интронах. Вторая категория, токсичные РНК, имеет повторы, расположенные в интронах или в 3'-нетранслируемой области кода за стоп-кодоном. Третья категория, в основном производящая токсичные белки с полиаланинами или полиглутаминами, имеет тринуклеотидные повторы, которые встречаются в экзонах затронутых генов. [2]

Типы

Некоторые из проблем при синдромах тринуклеотидных повторов возникают из-за изменений в кодирующей области гена, в то время как другие вызваны измененной регуляцией гена . [1] В более чем половине этих расстройств повторяющийся тринуклеотид, или кодон , является CAG. В кодирующей области CAG кодирует глутамин (Q), поэтому повторы CAG приводят к расширенному полиглутаминовому тракту . [11] Эти заболевания обычно называют полиглутаминовыми (или полиQ) заболеваниями . Повторяющиеся кодоны в остальных расстройствах не кодируют глутамин, и их можно классифицировать как не-полиQ или некодирующие тринуклеотидные повторы расстройства .

Полиглутаминовые (PolyQ) заболевания

Некодирующие тринуклеотидные повторные нарушения

Симптомы и признаки

По состоянию на 2017 год было известно, что десять неврологических и нервно-мышечных расстройств вызваны повышенным количеством повторов CAG. [11] Хотя эти заболевания имеют один и тот же повторяющийся кодон (CAG) и некоторые симптомы, повторы обнаруживаются в разных, не связанных между собой генах. За исключением расширения повторов CAG в 5' UTR PPP2R2B в SCA12, расширенные повторы CAG транслируются в непрерывную последовательность остатков глутамина, образуя тракт polyQ, а накопление белков polyQ повреждает ключевые клеточные функции, такие как система убиквитин-протеасома . Распространенным симптомом заболеваний polyQ является прогрессирующая дегенерация нервных клеток , обычно поражающая людей в более позднем возрасте. Однако различные белки, содержащие polyQ, повреждают различные подмножества нейронов, что приводит к различным симптомам. [19]

НеполиQ-заболевания или некодирующие тринуклеотидные повторные расстройства не имеют общих специфических симптомов и не похожи на полиQ-заболевания. В некоторых из этих заболеваний, таких как синдром ломкой Х-хромосомы, патология вызвана отсутствием нормальной функции белка, кодируемого пораженным геном. В других, таких как миотоническая дистрофия типа 1, патология вызвана изменением экспрессии белка или функции, опосредованной изменениями в матричной РНК, произведенной экспрессией пораженного гена. [1] В третьих патология вызвана токсичными сборками РНК в ядрах клеток. [20]

Генетика

Нарушения тринуклеотидных повторов обычно показывают генетическое предвосхищение : их тяжесть увеличивается с каждым последующим поколением, которое их наследует. Это, вероятно, объясняется добавлением повторов CAG в пораженный ген, поскольку ген передается от родителя к ребенку. Например, болезнь Гентингтона возникает, когда в гене, кодирующем белок HTT , имеется более 35 повторов CAG . Родитель с 35 повторами будет считаться нормальным и не будет проявлять никаких симптомов заболевания. [21] Однако потомство этого родителя будет подвергаться повышенному риску развития болезни Гентингтона по сравнению с общей популяцией, поскольку для того, чтобы вызвать выработку mHTT (мутантного HTT), белка, ответственного за заболевание, потребуется всего лишь добавление еще одного кодона CAG.

Болезнь Хантингтона очень редко возникает спонтанно; она почти всегда является результатом наследования дефектного гена от пораженного родителя. Однако спорадические случаи болезни Хантингтона у людей, в семьях которых не было истории этого заболевания, случаются. Среди этих спорадических случаев чаще встречаются люди, у которых у родителя уже есть значительное количество повторов CAG в гене HTT , особенно те, чьи повторы приближаются к числу (36), необходимому для проявления болезни. Каждое последующее поколение в семье, пораженной болезнью Хантингтона, может добавлять дополнительные повторы CAG, и чем больше число повторов, тем тяжелее заболевание и тем раньше оно начинается. [21] В результате семьи, в которых болезнь Хантингтона наблюдается на протяжении многих поколений, демонстрируют более ранний возраст начала заболевания и более быстрое прогрессирование заболевания. [21]

Нетринуклеотидные расширения

Большинство заболеваний, вызванных расширениями простых повторов ДНК, включают тринуклеотидные повторы, но известны также расширения тетра-, пента- и додекануклеотидных повторов, которые вызывают заболевания. Для любого конкретного наследственного расстройства только один повтор расширяется в определенном гене. [22]

Механизм

Расширение триплета вызвано проскальзыванием во время репликации ДНК или во время синтеза репарации ДНК . [23] Поскольку тандемные повторы имеют идентичную последовательность друг другу, спаривание оснований между двумя цепями ДНК может происходить в нескольких точках вдоль последовательности. Это может привести к образованию структур «loop out» во время репликации ДНК или синтеза репарации ДНК. [24] Это может привести к повторному копированию повторяющейся последовательности, увеличивая количество повторов. Были предложены дополнительные механизмы, включающие гибридные РНК:ДНК-интермедиаты. [25] [26]

Диагноз

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefg Orr HT, Zoghbi HY (2007). «Расстройства тринуклеотидных повторов». Annual Review of Neuroscience . 30 (1): 575–621. doi :10.1146/annurev.neuro.29.051605.113042. PMID  17417937.
  2. ^ abcdefghi Boivin M, Charlet-Berguerand N (2022). «Заболевания тринуклеотидных повторов CGG: расширяющееся поле полиглициновых белков?». Front Genet . 13 : 843014. doi : 10.3389/fgene.2022.843014 . PMC 8918734. PMID  35295941 . 
  3. ^ Депьен, Кристель; Мандель, Жан-Луи (2021). «30 лет нарушений повторного расширения: чему мы научились и какие проблемы еще остались?». Am J Hum Genet . 108 (5): 764–785. doi : 10.1016 /j.ajhg.2021.03.011 . PMC 8205997. PMID  33811808. 
  4. ^ Папп, Дэвид; Эрнандес, Луис А; Май, Тереза ​​​​А; Хаанен, Терренс Дж; О'Доннелл, Меган А; Дюран, Ариэль Т; Эрнандес, София М; Нарванто, Дженни Э; Аргуэлло, Беренис; Онвукве, Марвин О; Миркин Сергей М; Ким, Джейн С. (07 февраля 2024 г.). Ринд, Н. (ред.). «Массивные сокращения тетрануклеотидных повторов CCTG, связанных с миотонической дистрофией 2-го типа, происходят посредством репарации двухцепочечных разрывов с особыми требованиями к ДНК-хеликазам». G3: Гены, геномы, генетика . 14 (2). doi : 10.1093/g3journal/jkad257. ISSN  2160-1836. ПМЦ 10849350 . PMID  37950892. 
  5. ^ Христич, Александра Н.; Миркин, Сергей М. (март 2020 г.). «На неправильном пути ДНК: молекулярные механизмы нестабильности генома, опосредованной повторами». Журнал биологической химии . 295 (13): 4134–4170. doi : 10.1074 /jbc.rev119.007678 . ISSN  0021-9258. PMC 7105313. PMID  32060097. 
  6. ^ "Синдром ломкой Х-Э". Genetic and Rare Diseases Information Center (GARD). Архивировано из оригинала 9 марта 2013 года . Получено 14 сентября 2012 года .
  7. ^ Рамакришнан С., Гупта В. Нарушения тринуклеотидных повторов. 2023 22 августа. В: StatPearls [Интернет]. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing; 2023 январь–. PMID 32644680.
  8. ^ Tóth G, Gáspári Z, Jurka J (июль 2000 г.). «Микросателлиты в различных эукариотических геномах: обзор и анализ». Genome Res . 10 (7): 967–81. doi :10.1101/gr.10.7.967. PMC 310925. PMID  10899146 . 
  9. ^ Irvine RA, Lin IG, Hsieh CL (октябрь 2002 г.). «Метилирование ДНК оказывает локальное влияние на транскрипцию и ацетилирование гистонов». Mol Cell Biol . 22 (19): 6689–96. doi :10.1128/MCB.22.19.6689-6696.2002. PMC 134040. PMID  12215526 . 
  10. ^ ab Barbé L, Finkbeiner S (2022). «Генетическое и эпигенетическое взаимодействие определяет начало и тяжесть заболевания при повторных заболеваниях». Front Aging Neurosci . 14 : 750629. doi : 10.3389/fnagi.2022.750629 . PMC 9110800 . PMID  35592702. 
  11. ^ ab Adegbuyiro A, Sedighi F, Pilkington AW, Groover S, Legleiter J (март 2017 г.). «Белки, содержащие расширенные полиглутаминовые пути, и нейродегенеративные заболевания». Биохимия . 56 (9): 1199–1217. doi :10.1021/acs.biochem.6b00936. PMC 5727916. PMID  28170216 . 
  12. ^ Laskaratos A, Breza M, Karadima G, Koutsis G (июнь 2021 г.). «Широкий диапазон аллелей с пониженной пенетрантностью при спинальной и бульбарной мышечной атрофии: подход на основе модели». Журнал медицинской генетики . 58 (6): 385–391. doi : 10.1136/jmedgenet-2020-106963. PMID  32571900. S2CID  219991108.
  13. ^ Gao FB, Richter JD (январь 2017 г.). «Заболевания, связанные с расширением микросателлитов: повторная токсичность, обнаруженная при трансляции». Neuron . 93 (2): 249–251. doi : 10.1016/j.neuron.2017.01.001 . PMID  28103472.
  14. ^ LaCroix AJ, Stabley D, Sahraoui R, Adam MP, Mehaffey M, Kernan K и др. (январь 2019 г.). «Расширение повторов GGC и метилирование экзона 1 XYLT1 — распространенный патогенный вариант при синдроме Баратела-Скотта». American Journal of Human Genetics . 104 (1): 35–44. doi : 10.1016/j.ajhg.2018.11.005 . PMC 6323552 . PMID  30554721. 
  15. ^ Schoser, Benedikt (1993), Adam, Margaret P.; Feldman, Jerry; Mirzaa, Ghayda M.; Pagon, Roberta A. (ред.), "Myotonic Dystrophy Type 2", GeneReviews® , Сиэтл (WA): Университет Вашингтона, Сиэтл, PMID  20301639 , получено 2024-07-02
  16. ^ Меола, Джованни; Кардани, Розанна (2015-07-22). «Миотоническая дистрофия типа 2: обновление клинических аспектов, генетических и патомолекулярного механизма». Журнал нервно-мышечных заболеваний . 2 (Приложение 2): S59–S71. doi :10.3233/JND-150088. ISSN  2214-3599. PMC 5240594. PMID 27858759  . 
  17. ^ Шривастава АК, Таккар А, Гарг А, Фарук М (январь 2017 г.). «Клиническое поведение спиноцеребеллярной атаксии типа 12 и аномальные повторы CAG средней длины в PPP2R2B». Мозг . 140 (1): 27–36. doi : 10.1093/brain/aww269 . PMID  27864267.
  18. ^ O'Hearn E, Holmes SE, Margolis RL (2012-01-01). "Глава 34 - Спиноцеребеллярная атаксия типа 12". В Subramony SH, Dürr A (ред.). Справочник по клинической неврологии . Атаксические расстройства. Том 103. Elsevier. стр. 535–547. doi :10.1016/b978-0-444-51892-7.00034-6. ISBN 9780444518927. PMID  21827912. S2CID  25745894 . Получено 2022-12-07 .
  19. ^ Fan HC, Ho LI, Chi CS, Chen SJ, Peng GS, Chan TM и др. (май 2014 г.). «Заболевания полиглутамина (PolyQ): от генетики до лечения». Cell Transplantation . 23 (4–5): 441–458. doi : 10.3727/096368914X678454 . PMID  24816443.
  20. ^ Sanders DW, Brangwynne CP (июнь 2017 г.). «Нейродегенеративное заболевание: повторы РНК замораживают клетки». Nature . 546 (7657): 215–216. Bibcode :2017Natur.546..215S. doi : 10.1038/nature22503 . PMID  28562583.
  21. ^ abcd Walker FO (январь 2007). «Болезнь Гентингтона». Lancet . 369 (9557): 218–228. doi :10.1016/S0140-6736(07)60111-1. PMID  17240289. S2CID  46151626.
  22. ^ Миркин SM (июнь 2007). «Расширяемые повторы ДНК и болезни человека». Nature . 447 (7147): 932–940. Bibcode :2007Natur.447..932M. doi :10.1038/nature05977. PMID  17581576. S2CID  4397592.
  23. ^ Usdin K, House NC, Freudenreich CH (2015). «Повторная нестабильность во время репарации ДНК: выводы из модельных систем». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии . 50 (2): 142–167. doi :10.3109/10409238.2014.999192. PMC 4454471. PMID  25608779 . 
  24. ^ Petruska J, Hartenstine MJ, Goodman MF (февраль 1998 г.). «Анализ проскальзывания нитей в расширениях ДНК-полимеразы триплетных повторов CAG/CTG, связанных с нейродегенеративными заболеваниями». Журнал биологической химии . 273 (9): 5204–5210. doi : 10.1074/jbc.273.9.5204 . PMID  9478975.
  25. ^ Макайвор EI, Полак U, Напиерала M (2010). «Новые взгляды на нестабильность повторов: роль гибридов РНК•ДНК». Биология РНК . 7 (5): 551–558. doi :10.4161/rna.7.5.12745. PMC 3073251. PMID 20729633  . 
  26. ^ Салинас-Риос В., Белоцерковский Б.П., Ханавальт П.К. (сентябрь 2011 г.). «Выскальзывания ДНК вызывают остановку РНК-полимеразы II in vitro: потенциальные последствия для генетической нестабильности». Nucleic Acids Research . 39 (17): 7444–7454. doi :10.1093/nar/gkr429. PMC 3177194 . PMID  21666257. 

Внешние ссылки