NEURODEGENERATIVE DISORDERS CAUSED BY TRINUCLEOTIDE REPEAT EXPANSIONS

Transkrypt

1 Nowiy Lekarskie 2006, 75, 4, ANNA WAWROCKA, MACIEJ KRAWCZYŃSKI CHOROBY NEURODEGENERACYJNE POWODOWANE PRZEZ EKSPANSJĘ POWTÓRZEŃ TRÓJNUKLEOTYDOWYCH NEURODEGENERATIVE DISORDERS CAUSED BY TRINUCLEOTIDE REPEAT EXPANSIONS Katedra i Zakład Geetyki Medyczej Akademii Medyczej im. Karola Marcikowskiego w Pozaiu Kierowik: prof. dr hab. med. Aa Latos-Bieleńska Streszczeie Grupa chorób eurodegeeracyjych określaa wspólą azwą TREDs (ag. Triucleotide Repeat Expasio Diseases) powodowaa jest przez międzypokoleiową ekspasję powtórzeń trójukleotydowych. W pierwszej części artykułu zostały omówioe podstawowe pojęcia związae z tą grupą chorób eurodegeeracyjych. Druga część dotyczy patogeezy chorób powodowaych ekspasją trójukleotydów oraz podejmuje próbę wyjaśieia mechaizmu ekspasji. W końcowej części scharakteryzowao ajczęstsze choroby wywołae ekspasją powtórzeń trójukleotydowych. SŁOWA KLUCZOWE: powtórzeia trójukleotyowe, ekspasja powtórzeń, mutacja dyamicza, TREDs -choroby spowodowae ekspasją powtórzeń trójukleotydowych. Summary The triucleotide repeat expasio diseases (TREDs) are a group of geetic disorders caused by itergeeratioal triucleotide expasios of specific tadem DNA repeat. The first part of this review describes basic terms related to this group of eurodegeerative disorders. I the secod part the authors describe pathogeesis of triucleotide repeat expasio diseases ad try to clarify the mechaism of triucleotide repeats expasio. The fial part characterizes some of the most commo eurodegeerative disorders caused by triucleotide repeat expasios. KEY WORDS: triplet repeats, repeat expasio, dyamic mutatio, TREDs-Triucleotide Repeat Expasio Diseases. Powtórzeia trójukleotydowe ależą do grupy powtórzeń mikrosatelitarych, tworzących proste, tademowe powtórzeia złożoe z jedego do sześciu ukleotydów. Charakteryzują się oe wysokim polimorfizmem i występują rówomierie w geomie co 6 10 kpz. Sekwecje mikrosatelitare zlokalizowae są ie tylko w itroach i w sekwecjach flakujących, ale rówież w sekwecjach kodujących czyli eksoach rycia 2. W obrębie sekwecji powtórzeń trójukleotydowych może dojść do zjawiska zwielokrotieia motywu trójukleotydowego, czyli do ekspasji powtórzeń. Mechaizm ekspasji trójukleotydowych powtórzeń związay jest z błędami w czasie replikacji DNA. Wzrost liczby powtórzeń poad ormę (określoą dla każdego geu tabela 1.) zway jest mutacją dyamiczą rycia 1. Mutacje dyamicze dotyczą ajczęściej zwielokrotieia awet 300-krotego trójukleotydowej sekwecji powtórzoej, co w efekcie prowadzi do wystąpieia choroby geetyczej [1]. Grupa chorób eurodegeeracyjych powodowaa przez ekspasję mikrosatelitarych powtórzeń trójukleotydowych określaa jest wspólą azwą TREDs (ag. Triucleotide Repeat Expasio Diseases) [2]. Objawy chorobowe związae są główie z upośledzeiem czyości układu erwowego. W większości chorób objawy asilają się u osób w średim wieku. W trakcie przekazywaia geu z mutacją, liczba powtórzeń prawie zawsze wzrasta z pokoleia a pokoleie. Tylko dla ieliczych przypadków wykazao, że dzieci dziedziczą po rodzicach zmiejszoą liczbę powtórzeń. Nie jest wykluczoe, że mechaizm wydłużaia lub, zaczie rzadziej, skracaia sekwecji o kilka ukleotydów jest prawdopodobie taki sam w przypadku sekwecji trójukleotydowej, jak i dwuukleoty- Ryc. 1. Schemat mutacji dyamiczej a przykładzie geu SCA3.

2 390 Aa Wawrocka, Maciej Krawczyński dowej, jedak duży przyrost liczby powtórzeń podczas pojedyczej mejozy może być skutkiem wielokrotej wymiay siostrzaych chromatyd. Wraz z wydłużaiem się ciągu powtórzeń obiża się wiek wystąpieia pierwszych objawów choroby w kolejych pokoleiach, poadto choroba ma cięższy przebieg. Zjawisko to osi azwę atycypacji i występuje w większości przypadków chorób związaych z ekspasją powtórzeń trójukleotydowych [3]. Wyjątek staowi ataksja rdzeiowo-móżdżkowa typu 8 SCA8, w której allele zawierające średiej długości trakty powtórzeń są patogee. Prawdopodobieństwa wystąpieia mutacji w astępym pokoleiu ie moża dokładie określić. U części geów występują zmiay premutacyje, które ie prowadzą bezpośredio do choroby, ale zwiększają prawdopodobieństwo jej wystąpieia w kolejym pokoleiu [4]. Choroby związae z ekspasją powtórzeń trójukleotydowych moża podzielić ze względu a miejsce występowaia powtórzeń: 1. Trójukleotydowe powtórzeia zlokalizowae w regioie ulegającym traslacji. Do tej grupy chorób zalicza się: pląsawicę Hutigtoa HD, ataksję rdzeiowomóż-dżkową typu pierwszego SCA1, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu drugiego SCA2, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu trzeciego SCA3, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu szóstego SCA6, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu siódmego SCA7, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu siedemastego SCA17, zwyrodieie zębato-czerwiee DRPLA, rdzeiowoopuszkowy zaik mięśi typu Keedy`ego SBMA, dystrofię mięśiową oczo-gardzielową OPMD, achodroplazję rzekomą COMP. 2. Trójukleotydowe powtórzeia zlokalizowae w regioie ie ulegającym traslacji oraz w itroie. Do tej grupy chorób zalicza się: zespół łamliwego chromosomu X FRAXA, upośledzeie umysłowe związae z FRAXE, dystrofię miotoiczą DM, ataksję rdzeiowo-móżdżkową typu ósmego SCA8, ataksję móżdżkowo-rdzeiową typu dwuastego SCA12, ataksję Friedreicha FRDA. Charakterystkę wymieioych chorób przedstawioo w tabeli 1. TRANSKRYPCJA TRANSLACJA Zespół łamliwego chromosomu X (CGG) Opóźieie umysłowe związae z FRAXE (GCC) SCA 12 (CAG) Friedreicha (GAA) Pląsawica Hutigtoa SCA 1, SCA 2 SCA 3, SCA 7, DRPLA (CAG) Dystrofia miotoicza (CAG) SCA 8 (CTG) 5 UTR INTRON ORF 3 UTR m RNA Białko Ryc. 2. Lokalizacja trójukleotydowych powtórzeń w geie, w przypadku chorób związaych z ekspasją powtórzeń mikrosatelitarych. Krzyżyk ozacza zahamowaie procesu traskrypcji spowodowaego ekspasją powtórzeń trójukleotydowych. Mechaizm ekspasji powtórzeń trójukleotydowych Mechaizm ekspasji powtórzeń trójukleotydowych związay jest z błędami w czasie replikacji DNA, wywołaymi poślizgiem polimerazy a matrycy DNA. Uważa się jedak, że mechaizm dużych ekspasji różi się od mechaizmów powodujących iewielką iestabilość geetyczą. Duże ekspasje wywołae są poślizgiem polimerazy a DNA z wytworzeiem tzw. struktury spiki do włosów (zdolość do tworzeia tej struktury posiadają fragmety jedoiciowe; mogą oe ulegać wybrzuszeiu tworząc w efekcie fragmet dwuiciowej helisy przypomiającej spikę do włosów, stabilizowaej dużą obecością par GC). Natomiast wydłużaie o kilka powtórzeń wyika z iewielkiego poślizgu polimerazy DNA powodującego powstaie iesparowań pomiędzy dwoma komplemetarymi ićmi DNA w regioie sekwecji powtarzającej się. W takiej sytuacji w helisie DNA aprzeciw siebie występują ie pary zasad iż G i C lub A i T, które tworzą ze sobą wiązaia wodorowe [5]. Zaych jest kilka mechaizmów powodujących poślizg polimerazy. Najważiejsze z ich to: oddysocjowaie polimerazy DNA od matrycy w trakcie replikacji, zatrzymaie polimerazy DNA w trakcie replikacji sekwecji mikrosatelitarej oraz poślizg końca 5 i/lub 3 fragmetów Okazaki. Zgodie z pierwszym mechaizmem oddysocjowaie polimerazy DNA od matrycy w trakcie replikacji może powodować, że koiec 3 ici potomej po rozerwaiu wiązań wodorowych łączących go z icią macierzystą utworzy stabilą strukturę spiki do włosów. Kolejy mechaizm to zatrzymaie polimerazy DNA w trakcie replikacji sekwecji mikrosatelitarej. Zatrzymaie polimerazy a sekwecji powtórzeń trójukleotydowych może prowadzić do ciągłego przesuwaia ici potomej w kieruku końca 5 i poowej sytezy DNA a tym samym fragmecie ici macierzystej. Oba opisae mechaizmy mogą działać zarówo a ici wiodącej, jak i opóźioej widełek replikacyjych. W przeciwieństwie do tych mechaizmów poślizg końca 5 i/lub 3 fragmetów Okazaki dotyczy wyłączie ici opóźioej (fragmety Okazaki to część owo zsytetyzowaego DNA występującego w postaci krótkich fragmetów ok t., które podczas replikacji łączoe są przez ezym ligazę DNA w jedą ić potomą). Zgodie z tym modelem początkowa długość regiou sekwecji powtarzającej się decyduje o rozmiarze ekspasji. Patogeeza chorób spowodowaych ekspasją sekwecji trójukleotydowych Mutacje odpowiedziale za choroby dziedzicze mogą powodować : iaktywację jedego z etapów ekspresji geu, czyli utratę jego fukcji (LOF loss of fuctio) powstaie produktu o iych właściwościach iż produkt geu bez mutacji (GOF gai of fuctio). Badaia, które zostały przeprowadzoe ad chorobami powstałymi w wyiku wydłużaia ciągów powtórzeń złożoych z tripletów CAG kodujących poliglutamię, suge-

3 Choroby eurodegeeracyje powodowae przez ekspasję powtórzeń trójukleotydowych 391 Tab. 1. Choroby związae z ekspasją powtórzeń trójukleotydowych (*premutcja) Choroba Pląsawica Hutigtoa Zwyrodieie zębatoczerwiee Rdze. zaik mięśi typu Keedyego rdze.- móżdżkowa 1 rdze.- móżdżkowa Dystrofia mięś. oczogardzielowa Achodroplazja rzekoma Zespół łamliwego chromosomu X Upośledzeie umysł. związae z FRAXE Dystrofia miotoicza rdze.- móżdżkowa 8 12 Friedreicha Ge Dziedziczeie Lokalizacja chromosomowa Białko Liczba powtórzeń ormala zmutowaa Powtórzeia Usytuowaie powtórzeń IT15 A D 4p16.3 CAG hutigtya ORF DRPLA (B37) A D 12p13.31 CAG atrofia ORF AR XR Xq13-21 CAG receptor adrogeu ORF SCA1 A D 6p23 CAG ataksya ORF SCA2 A D 12q24.1 CAG ataksya ORF SCA3 (MJD) A D 14q32.1 CAG ataksya ORF TBP A D 6q27 CAG CACNA 1A A D 19p13 CAG TBPpodjedostka TFIID wiążąca DNA α1a podjed. kaału wapiowego apięciowo zależego ORF ORF SCA7 A D 3p12-13 CAG ataksya ORF PABP2 A D 14q11.2-q13 GCG PABP2 (poli{a}bp2) ORF COMP A D 19p13.1 GAC COMP 5 6/7 ORF FMR1 (FRAXA) FMR2 (FRAXE) XD Xq27.3 CGG FMRP XD Xq28 GCC FMR2 DMPK A D 19q13 CTG kiaza miotoicza p p UTR UTR UTR SCA8 A D 13q21 CTG ataksya UTR SCA12 A D 5q31-33 CAG ataksya UTR FRDA A R 9q GAA frataksya p itro 1 AD autosomale domiujące AR autosomale recesywe XD sprzężoe z chromosomem X domiujące XR sprzężoe z chromosomem X recesywe UTR (ag. Utraslated regio) regioy geu ie ulegające traslacji ORF (ag. Ope readig frame) regioy geu ulegające traslacji

4 392 Aa Wawrocka, Maciej Krawczyński rowały mechaizm typu GOF [6]. Możliwe jest rówież współwystępowaie obu tych mechaizmów. Większość chorób wywołaych ekspasją powtórzeń trójukleotydowych w regioach ulegających traslacji związaa jest z powtórzeiami CAG (tabela 1.). W rozwoju chorób spowodowaych ekspasją powtórzeń CAG moża określić astępujące etapy: 1. Domea białka zawierająca zwiększoą liczbę reszt glutamiy tworzy koformację zwrotu β (zwrot β to często występujący w białkach elemet strukturaly powodujący zmiay kieruku łańcucha polipeptydowego, co umożliwia przyjęcie przez białko odpowiediej koformacji, jest o stabilizoway wiązaiami wodorowymi). Struktura ta może zaburzać oddziaływaia z iymi białkami cytoplazmatyczymi. 2. Trawieie zmutowaego białka przez proteazy komórkowe. Koiec amiowy białka z ciągiem powtórzeń jest trasportoway do jądra komórkowego z cytoplazmy. W jądrze może wiązać się z białkami macierzy jądrowej. 3. Fragmety białka z ciągami powtórzeń glutamiowych mogą tworzyć w jądrze agregaty polipeptydów zbudowaych ze struktur typu β (struktura β harmoijki to motyw strukturaly białka, w którym łańcuch polipeptydowy jest prawie całkowicie rozciągięty; struktura ta jest stabilizowaa przez wiązaia wodorowe tworzoe pomiędzy sąsiadującymi łańcuchami polipeptydowymi). Obecość tego typu struktur stwierdzoo w badaiach i vitro, jak i w badaiach pośmiertych tkaki erwowej pacjetów zmarłych w wyiku DRPLA, pląsawicy Hutigtoa, ataksji rdzeiowo-móżdżkowej typu 1. i 3. W miarę tworzeia się tych struktur astępuje azaczaie polipeptydów ubikwityą. Jedak ie są oe trawioe. Struktury te pozostają w jądrze komórkowym w formie ikluzji, które mogą być uwidoczioe techikami immuofluorescecji [7]. Wewątrzjądrowe ikluzje uwidacziae są w regioach mózgu osób dotkiętych tą chorobą. Rola ikluzji ie jest jasa, wiadomo iż ich pojawieie się poprzedza wystąpieie pierwszych objawów choroby. Ikluzje te są obece tylko w tych komórkach układu erwowego, które ulegają degeeracji w wyiku rozwoju choroby. Poadto jest ich więcej w komórkach mózgu pacjetów z większą liczbą powtórzeń CAG. Nie dowodzi to jedak, że ikluzje są bezpośredią przyczyą degeeracji komórek erwowych. Badaia prowadzoe a zwierzętach, jak i kulturach komórkowych wskazują, że agregacja w ciałka ikluzyje ie jest wystarczająca ai koiecza do dysfukcji komórkowej. Sugerowao także, że ikluzje mogą spełiać rolę ochroą dla komórki poprzez wstrzymywaie iterakcji toksyczych polipeptydów z iymi czyikami komórkowymi. Charakterystyka ajczęściej występujących chorób eurodegeeracyjych spowodowaych ekspasją powtórzeń trójukleotydowych 1. Zespół łamliwego chromosomu X (ag. fragile X sydrome) Należy do grupy chorób sprzężoych z chromosomem X, dziedziczoych w sposób domiujący. Mutacja odpowiedziala za zespół łamliwego chromosomu X, związaa jest z ekspasją powtórzeń CGG w regioie 5 UTR (ag. Utraslated regio) geu FMR1 [8]. Nosiciele premutacji (posiadający od 60 do 200 powtórzeń CGG) zarówo mężczyźi, jak i kobiety są kliiczie zdrowi. Kobiety z pełą mutacją (powyżej 200 powtórzeń CGG) mogą być zupełie zdrowe lub wykazywać w stopiu lekkim upośledzeie umysłowe (20 30%), umiarkoway stopień upośledzeia ma miejsce u 1% kobiet. U mężczyz z pełą mutacją stwierdza się głębokie upośledzeie umysłowe, zaś u pacjetów po okresie dojrzewaia ma miejsce powiększeie jąder (makroorchidyzm). Objawy występujące z miejszą częstością to: duże małżowiy usze oraz długa twarz z wysuiętą żuchwą. Zespół FRA X jest ajczęstszą przyczyą dziedziczego upośledzeia umysłowego. Częstość występowaia u mężczyz wyosi 1:1250. Częstość występowaia premutacji to 1: u mężczyz i 1: u kobiet [9]. Zaczie rzadszą chorobą sprzężoą z chromosomem X jest upośledzeie umysłowe związae z FRAXE (ag. FRAXE metal retardatio). Mutacja odpowiedziala za wystąpieie choroby spowodowaa jest ekspasją trójukleotydowych powtórzeń GCC w regioie 5 UTR geu FMR2. Objawy kliicze choroby charakteryzują się łagodiejszym upośledzeiem umysłowym w porówaiu z zespołem łamliwego chromosomu X, poadto pojawia się opóźieie w rozwoju mowy oraz problemy w czytaiu i pisaiu [4]. 2. Friedreicha FRDA (ag. Friedreich s ataxia) Należy do ajczęstszych ataksji dziedziczoych w sposób autosomaly recesywy. Mutacja odpowiedziala za ataksję Friedreicha, związaa jest z ekspasją powtórzeń GAA w itroie 1 geu FRDA. Objawy kliicze FRDA to: ataksja, zmiejszeie lub całkowita redukcja odruchów głębokich, objaw Babińskiego oraz zaburzeia czucia pozycji i wibracji. U 75% chorych a FRDA wykryto przerostową kardiomiopatię [4]. W 95% przypadków chorzy przed ukończeiem 45. roku życia mogą poruszać się wyłączie a wózku iwalidzkim. Częstość występowaia choroby 1: [9]. 3. Pląsawica Hutigtoa HD (ag. Hutigto s disease) Spośród chorób spowodowaych ekspasją powtórzeń CAG w regioie kodującym HD występuje ajczęściej, pojawiając się w 4 do 10 przypadków a osobików rasy białej. Dziedziczoa jest w sposób autosomaly domiujący. Pląsawica Hutigtoa ależy do tzw. chorób poliglutamiowych, tz. że wydłużające się ciągi powtórzeń złożoe z tripletów CAG kodują poliglutamię. Powtórzeia CAG zlokalizowae są w regioie ulegającym traslacji geu IT15 [4]. Początek choroby przypada a okres pomiędzy 30. a 50. rokiem życia. Wykazao, że im liczba powtórzeń

5 Choroby eurodegeeracyje powodowae przez ekspasję powtórzeń trójukleotydowych 393 CAG jest większa, tym wcześiej pojawiają się objawy chorobowe. Objawy kliicze HD to: pląsawicze ruchy mimowole, spowolieie ruchów celowych, zaburzeia pozawcze, zaburzeia psychiatrycze oraz postępujące otępieie [10]. Badaie komputerowe mózgu może wykazać cechy zaiku jądra ogoiastego. Zmiay europatologicze pojawiają się z opóźieiem w stosuku do objawów kliiczych. Choroba ma charakter postępujący. Zwykle chorzy umierają w ciągu 17 lat od pojawieia się pierwszych objawów. U około 3% początek choroby przypada przed 15. rokiem życia [9]. 4. Ataksje rdzeiowo-móżdżkowe SCA (ag. spiocerebellar ataxia) Autosomale domiujące ataksje rdzeiowo-móżdżkowe (ADCA ag. autosomal domiat cerebellar ataxias) spowodowae są ekspasją powtórzeń CAG [11]. Do mometu odkrycia geów, których mutacje są przyczyą tej grupy ataksji, ich podział budził kotrowersje przede wszystkim ze względu a duże podobieństwo objawów feotypowych. Różicowaie wyłączie a podstawie badań kliiczych ataksji typu 1, 2 czy 3 zawsze jest obarczoe błędem (charakterystykę poszczególych ataksji przedstawioo w tabeli 1.). Bezsporą diagozę moża postawić tylko a podstawie badań molekularych. Typ I ataksji rdzeiowo-móżdżkowej SCA1 staowi 50% spośród wszystkich typów ataksji rdzeiowo-móżdżkowych [9]. Pierwsze objawy SCA1 występują zwykle w czwartej lub piątej dekadzie życia i polegają a pojawieiu się ataksji móżdżkowej oraz porażeia spastyczego. Objawy chorobowe towarzyszące ataksjom rdzeiowo-móżdżkowym to: zaik mięśi, przykurcze mięśi, porażeie mięśi oka (oftalmoplegia) oraz róże zaburzeia wrodzoe [12]. 5. Dystrofia miotoicza DM (ag. myotoic dystrophy) DM jest ajczęstszym mięśiowym zaburzeiem występującym u osób dorosłych. Dziedziczoa jest w sposób autosomaly domiujący, mutacja odpowiedziala za tę chorobę to ekspasja powtórzeń CTG w regioie 3 UTR geu DMPK. Początek choroby przypada a lata młodzieńcze i polega a postępującym osłabieiu mięśi, szczególie mięśi twarzy, mostkowo-obojczykowosutkowych oraz mięśi odsiebych kończy. Pojawiają się trudości w rozluźieiu zaciśiętych dłoi. Najczęstsze powikłaia to: zaćma (85% chorych), łysieie czołowe oraz hipogoadyzm z zaikiem jąder u mężczyz. W miarę rozwoju choroby mogą pojawiać się: zmiay barwikowe a die oka, zaburzeia układu bodźcoprzewodzącego serca oraz po około latach trwaia choroby ciężkie kalectwo fizycze. Częstość występowaia choroby to 1:7500 urodzeń [9]. Piśmieictwo 1. Słomski R. (red.): Przykłady aaliz DNA. Wydawictwo Akademii Roliczej im. Augusta Cieszkowskiego, Pozań Mitas M. i wsp.: The triucleotide repeat sequece d(cgg) 15 forms a heat stable hairpi cotaiig. Biochemistry, 1995, 34, Harper P.S. i wsp.: Aticipatio i myotoic dystrophy: ew light o a old problem. Am. J. Hum. Geet., 1992, 51, Usdi K., Grabczyk E.: DNA repeat expasios ad huma disease. CMLS, 2000, 57, Steibach P. i wsp.: The DMPK gee of severely affected myotoic dystrophy patiets is hypermethylated proximal to the largely expaded CTG repeat. Am. J. Hum. Geet., 1998, 62, Galvao R. i wsp.: Triplet repeats, RNA secodary structure ad toxic gai-of-fuctio models for pathogeesis. Brai Research Bulleti, 2001, 56, Gaspar C. i wsp.: CAG tract of MJD-1 may be proe to frameshifts causig polyalaie accumulatio. Hum. Mol. Ge., 2000, 9, Ashley C.T. i wsp.: FMR1 protei: coserved RNP family domais ad selective RNA bidig. Sciece, 1993, 262, Coor M., Ferguso-Smith M.: Podstawy geetyki medyczej. Wydawictwo Lekarskie PZWL, Warszawa, Carmichael J. i wsp.: Bacterial ad yeast chaperoes reduce both aggregate formatio ad cell death i mammalia cell models of Hutigto s disease. PNAS, 2000, 97, Ichikawa Y. i wsp.: The geomic structure ad expressio of MJD the Machado-Joseph disease gee. J. Hum. Geet., 2001, 46, Burk K. i wsp.: Autosomal domiat cerebellar ataxia type I cliical features ad MRI i families with SCA1, SCA2 ad SCA3. Brai, 1996, 119,