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R ES U M O C IC LO B Á SI C O TÍTULO DO RESUMO DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO CURSO: GENÉTICA CLÍNICA CONTEÚDO: NATHALIA LESTARD CURADORIA: FABRÍCIO MONTALVÃO Amplie as possibilidades deste conteúdo em https://www.jaleko.com.br/ 4 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO 1.1 INTRODUÇÃO Existem mutações que são transmitidas de forma estável de uma geração para a outra, em que todos os membros afetados em uma família compar- tilham a mesma mutação de forma idêntica. Porém, já foi identificada uma classe diferente de distúrbios genéticos que são consequência de mutações dinâmicas, sendo assim, mudam de geração para geração. Essas condições são caracterizadas por uma expansão instável dentro de um gene afetado ou de outro segmento de ácido desoxirribonucleico (DNA). Alguns genes são caracterizados por possuírem sequências repetidas de nucleotídeos (ex. [CTG]n; o n indica quantas vezes essa sequência se repe- te). Na maioria dos casos, os genes associados a essas doenças apresentam alelos polimórficos, ou seja, que já apresentam uma variação no número de repetições que é normal na população. Contudo, quando o gene é transmitido para a geração seguinte, em alguns casos, o número de repetições dos nucleotídeos pode aumentar e resultar em uma expansão, muito acima do limite considerado normal, resultando em anormalidades na função e na expressão gênica. Tais expansões de nucleotídeos podem ter sua constituição variando de tamanho, isto é, podem ser formadas por blocos de três, quatro, dez ou mais nucleotídeos que se repetem ao longo de determinado segmento do DNA. Não há uma restrição ou uma regra quanto ao número de nucleotídeos que estarão presentes, como pode ser visto em alguns exemplos presentes no QUADRO 1. QUADRO 1 EXEMPLOS DE EXPANSÕES INSTÁVEIS E SEUS RESPEC- TIVOS DISTÚRBIOS GENÉTICOS Expansão Doença CAG Huntington, Atrofia muscular bulboespinal CGG X frágil CTG Distrofia miotônica tipo 1 GAA Ataxia de Friedreich ATTCT Ataxia espinocerebelar tipo 10 TGGAA Ataxia espinocerebelar tipo 31 GGCCTG Ataxia espinocerebelar tipo 36 Além disso, também não há uma regra quanto à localização das expansões instáveis. Elas podem ocorrer nas mais variadas regiões do DNA, como em untranslated region 5 (UTR 5’), UTR 3’, em éxons e até em íntrons. A FIGURA 1 traz exemplos de diferentes regiões do DNA que podem apresentar ex- pansões de nucleotídeos, mostrando exemplos de expansões e as doenças que estão associadas. 5DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO Na FIGURA 1, pode-se notar como o bloco de nucleotídeos que se repetem pode variar de comprimento, sendo curtos, como na oculopharyngeal muscu- lar dystrophy (OPMD), ou largos, como na egg plasma membrane 1 (EPM1). Ademais, é possível perceber, pela base dos triângulos, que uns blocos vão se repetir mais e outros menos a depender de cada caso também. FIGURA 1 Figura 1: Gene esquemático contendo diferentes exemplos de distúrbios genéticos de expansões repetidas, suas localizações no gene, suas expansões específicas entre parênteses e a representação dos distintos comprimentos das expansões tolerados em cada caso, representado pelas bases dos triângulos. Fonte: Henry Paulson. Repeat expansion diseases. Handb. Clin. Neurol. 2018. Todavia, um ponto em comum é que todas essas expansões de nucleotídeos causam, primariamente, consequências neurológicas. Inclusive, algumas estão entre os distúrbios genéticos mais comumente vistos por um neurologista. 1 CARACTERÍSTICAS GERAIS Outro ponto de convergência é que a maioria dessas doenças tende a mos- trar uma correlação genótipo-fenótipo notável entre o comprimento da repetição e a gravidade da doença. Assim, quanto mais longa for a repetição, mais grave será a doença e mais cedo será o início dos sintomas. Várias dessas doenças neurológicas diferentes compartilham uma proprie- dade conferida por um cordão variável de resíduos de glutamina e por isso são chamadas de distúrbios de poliglutamina. Elas ocorrem quando há a expansão da repetição CAG, resultando em uma proteína mutante com mais glutaminas do que o compatível com uma função normal. Esse grupo de doenças, dos distúrbios de poliglutamina, é constituído por nove doenças diferentes. Nelas, é possível observar uma forte correlação inversa entre o tamanho da repetição e a idade do sintoma início; ou seja, 6 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO repetições mais longas causam doença anterior que, geralmente, tem sinais e sintomas mais profundos. Mas a idade de início não vai ser só determinada pelo comprimento da extensão da repetição. A contribuição restante para a idade de início vem de outros modificadores genéticos menores e fatores ambientais que permanecem sob investigação. O grau de complexidade das repetições também pode impactar na gravidade da doença e resultar, em alguns casos, na dissociação dessa correlção entre comprimento e gravidade. Por exemplo, a correlação entre o comprimento da repetição e a gravidade da doença em ataxia espinocerebelar 8 (SCA8) e na C9 myotrophic lateral sclerosis/ frontotemporal dementia (C9-ALS/FTD) é muito menos robusta. Esta última doença tem uma grande extensão de repetição, além de ser mais complexa. A característica mais marcante sobre doenças de expansão repetida é a diversidade de fenótipos manifestados para uma determinada doença. Esse fenótipo variado é reflexo, principalmente, das diferenças no tamanho da repetição que é possível verificiar em indivíduos distintos com a mesma doença. O modo de herança dos distúrbios genéticos causados por expansão de repetição também varia. Apesar da maioria apresentar padrão autossômico dominante, é possível identificar casos de herança autossômica recessiva e ligada ao X. Os diferentes modos de herança refletem diferentes meca- nismos moleculares de doença. As doenças de expansão de repetições instáveis são diferentes em seus mecanismos patogênicos e, de acordo com eles, podem ser divididas em três classes: ■ classe 1: doenças decorrentes da expansão de repetições que causam uma perda da expressão de proteínas; ■ classe 2: distúrbios resultantes de expansões de repetições não codifi- cantes que conferem propriedades novas ao ácido ribonucleico (RNA); ■ classe 3: doenças decorrentes da expansão de repetições de um códon que confere novas propriedades à proteína afetada. 1.1 CLASSE 1 Um dos principais exemplos da classe 1 é a síndrome do X frágil, que é a forma hereditária mais comum de deficiência intelectual de grau modera- do, acomete principalmente os homens e é uma das principais doenças de expansão de trinucleotídeos. Ela ocorre devido à expansão massiva de repetição da trinca CGG na região 5’ não traduzida do gene fragile X mental retardation-1 (FMR1). O produto 7DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO de gene FMR1, a fragile X mental retardation protein (FMRP), é expresso em muitos tipos celulares, porém mais abundantemente nos neurônios. Nesse caso, o número de repetições normais é de até 55, enquanto mais de 200 repetições (podendo chegar até alguns milhares) são vistas em pacientes com a mutação completa da síndrome do X frágil. Nos casos de mutação completa, a expressão do gene FMR1 é afetada e há falha na produção da proteína que ele codifica. Tal fato ocorre porque esse aumento da repetição de CGG resulta em um aumento da metilação das citosinas na região promotora do FMR1 (controle epigenético) impedindo a função normal do promotor e assim levando ao silenciamento gênico. As repetições de trincas entre 56 e 200 vezes constituem um estado in- termediário, identificado como pré-mutação na síndrome do X frágil. As expansões nessa faixa são instáveis quando transmitidas das mães para os filhos e têm uma tendência a aumentar para a mutação completa com mais de 200 repetições durante a gametogênese nas mulheres (mas quase nunca nos homens), sendo que o risco para expansão completa aumentadrasticamente conforme o tamanho da pré-mutação. A perda da proteína FMR é a causa da deficiência intelectual, do déficit de aprendizagem e das características não neurológicas do fenótipo clínico, que incluem macro-orquidismo (testículos aumentados) e displasia do tecido conjuntivo. Isso se deve ao fato de que a FMR é uma proteína de ligação ao RNA que se associa com polirribossomos para suprimir a tradução de proteínas a partir dos seus alvos de RNA. Esses alvos estão envolvidos na estrutura do citoesqueleto, na transmissão sináptica e na maturação neuronal. Consequentemente, a perturbação desses processos é, provavel- mente, a base da deficiência intelectual e das alterações de aprendizagem observadas nos pacientes com X frágil. A FMRP parece regular a tradução de proteínas necessárias para a formação de sinapses. Além disso, uma das suas funções é a de regular a plasticidade sináptica e a capacidade de alterar a força de uma conexão sináptica, um processo fundamental para a aprendizagem e a memória. No entanto, é importante destacar que, quando a repetição fica na faixa da pré-mutação, podemos observar, nos homens, um quadro clinicamente distinto da síndrome do X frágil, que é chamada de síndrome de ataxia/ tremor do X frágil (FXTAS). Apesar da diminuição da eficiência na tradução prejudicar a expressão da proteína FMRP nessa condição, esta não parece ser a responsável por esse quadro. Em vez disso, evidências sugerem que a FXTAS resulta de níveis de duas a cinco vezes aumentados de RNAm do FMR1 presentes nesses pacientes, e esse RNA patogênico leva à formação de inclusões neuronais intranucleares, que é a assinatura celular da doença. 8 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO Outro exemplo importante de doença da classe 1 é a Ataxia de Friedreich, que apresenta padrão de herança autossômica recessiva e está presente, principalmente, nas populações indianas e europeias. A grande maioria dos pacientes apresentam expansão do trinucelotideo GAA na região de íntron do gene FXTN em homozigose. Porém, haverá casos de heterozigose em que se encontra a expansão em um dos genes e no outro há outro tipo de mutação, como uma mutação pontual ou uma deleção, por exemplo. Fato é que a expansão nessa região vai levar à falha na transcrição e à falta da proteína frataxina, que é uma pequena proteína mitocondrial e, portanto, culmina com o mau funcionamento dessa organela, que é justamente a base do quadro patológico desse distúrbio genético. A ataxia de Friedreich é tipicamente uma doença de jovens e afeta tanto homens quanto mulheres. Inicialmente, ela foi identificada como uma do- ença que só acometia pessoas com até 25 anos, porém hoje já se sabe que existe uma forma não clássica da doença, em que se vê indivíduos que desenvolvem a doença com idade superior a 25 anos. As manifestações clínicas são escoliose e deformidade dos pés que, assim como a cardiomiopatia, tendem a surgir em momentos iniciais, antes mesmo da ataxia. A ataxia de marcha (desequilíbrio ao caminhar) é um dos principais sinais neurológicos que podem ser observados; 32% dos pacientes com Ataxia de Friedreich apresentarem diabetes mellitus, sendo uma pista importante no processo investigativo do diagnóstico. Aqui, nota-se a relação inversa entre a idade de início da doença e o número de trinucleotídeos GAA. Além de se observar, nesse caso, uma correlação direta do comprimento da expansão e da probabilidade de disfunção cardíaca significativa. 1.2 CLASSE 2 Um dos principais exemplos dessa classe de distúrbios de expansão de nucle- otídeos é a distrofia miotônica do tipo 1. Essa é uma condição autossômica dominante com o fenótipo mais pleiotrópico de todos os distúrbios de expansão de repetições instáveis. A forma mais grave de distrofia miotônica tipo I (DM1) é a distrofia miotônica congênita, que, por sua vez, é quase sempre transmitida a partir da mãe. Entre as manifestações clínicas, além da miotonia (que é o fenômeno da diminuição da velocidade de relaxamento muscular após contração, o que pode causar rigidez), pode-se destacar também a perda de massa muscular e fraqueza, defeitos da condução cardíaca, atrofia testicular, resistência à insulina, catarata e deficiência intelectual, esta última observada na forma congênita. 9DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO A distrofia miotônica tipo 1 resulta de uma expansão CTG na região 3’ UTR do gene dystrophia myotonica-protein kinase (DMPK), que codifica uma proteína quinase. A expansão CTG que reside nessa região do gene DMPK não altera a expressão da proteína quinase codificada por esse gene, mas forma focos de RNA, e estes ligam e sequestram fatores de splicing es- senciais. Esse efeito de RNA tóxico leva a uma falha em gerar isoformas da proteína, principalmente, no músculo. O resultado é a miotonia e outros sintomas da doença. Nessa classe, ainda se pode verificar a distrofia miotônica do tipo 2 (DM2), que, apesar de compartilhar muitas características clínicas com a distrofia miotônica do tipo 1, também vai apresentar suas particularidades. Seu padrão de herança também é autossômico dominante; porém, nesse caso, não há apresentação congênita associada. A distrofia miotônica do tipo 2 é muito menos comum que a do tipo 1, e, entre as particularidades dessa condição, podemos destacar: ■ a distrofia miotônica do tipo 2 comumente se apresenta como fraqueza muscular proximal com miotonia variável, daí seu nome anterior de miopatia miotônica proximal; ■ ela mostra um quadro clínico significativamente heterogêneo, variando de formas leves de doença que podem ser difíceis de detectar até fraqueza muscular proximal profunda e incapacitante; ■ não apresenta forma congênita de doença nem correlação entre a extensão da expansão, a gravidade e o momento de início da doença (o que é visto na distrofia miotônica do tipo 1); ■ o envolvimento cardíaco é menos comum na distrofia miotônica do tipo 2 do que na do tipo 1, mas ainda requer monitoramento cuidadoso; ■ no tipo 2, também não é comum a observação de deficiência cognitiva. Além disso, os aspectos moleculares entre as duas distrofias miotônicas também são diferentes. A distrofia miotônica do tipo 2 é causada pela repetição CCTG na região intrônica do gene CBNP. Essa expansão é complexa, inclui elementos de repetição além do CCTG e tolera uma grande expansão (de 75 unidades a até 11.000 unidades, sendo a média de, aproximadamente, 5000 repeti- ções). Já a base patogênica dessa condição é menos clara, mas os principais candidatos incluem um efeito de RNA tóxico. 1.3 CLASSE 3 Nessa classe, destaca-se a doença de Huntington, a qual é um distúrbio neurodegenerativo autossômico dominante associado. O processo patológico é causado pela expansão superior a 40 repetições do códon CAG no gene doença de Huntington (HD), resultando em longos tratos de poliglutamina na proteína mutante da huntingtina. 10 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO Entretanto, os números de repetição variam. Quando há menos de 27 re- petições, não há manifestação da doença de Huntington, e o gene é estável após a transmissão aos descendentes. Repetições entre 27 e 35, apesar de não levarem ao distúrbio em si, aumentam a possibilidade de expansão após a transmissão aos descendentes. Já as repetições CAG na faixa de 36 a 39 são de penetrância incompleta, portanto com doença variável, mas costuma ser encontrada em poucos indi- víduos, sendo comum não apresentarem sinais da doença mesmo em idade avançada. Por outro lado, expansões mais longas do que 40 a 49 tendem a causar doenças mais graves de início mais precoce, inclusive a forma mais grave, doença de Huntington juvenil (JHD), como pode ser vista na FIGURA 2. FIGURA 2 Figura 2: Doença de Huntington. Fonte: Peggy C. Nopoulos. Huntington disease: a single-gene degenerative disorder of the striatum. 2016. A doença é transmitida de geração a geração com um risco de 50% para cada descendente,padrão de herança autossômica dominante. Os pacien- tes heterozigotos e homozigotos, para a mutação, têm um fenótipo muito semelhante, embora os homozigotos possam ter um curso mais rápido da doença. A expansão na transmissão é mais provável de ocorrer em comprimentos de repetição mais longos e também é mais provável de acontecer durante a transmissão masculina (principalmente no JHD). Ao se observar um heredograma, pode-se notar que a doença parece se desenvolver de forma cada vez mais precoce ao longo de sua transmissão. Esse é o fenômeno da antecipação. A expansão intergeracional das repetições explica o fenômeno da antecipa- ção. Assim, há o aparecimento da doença em idade mais precoce e de maior gravidade, à medida que é transmitida por meio de uma família. Quanto ao fenótipo associado a esse distúrbio, normalmente, os pacientes começam a apresentar clínica na meia-idade, em que se observam alterações motoras como coreia e distonia, mudanças de personalidade, perda gradual das funções cognitivas e, por fim, óbito. 11DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO Sua neuropatologia é regida pela degeneração do corpo estriado e do córtex. A maior parte das evidências sugere que as proteínas mutantes com sequ- ências de poliglutamina expandidas são mutantes com novas propriedades. O trato expandido confere características novas na proteína, que danifica populações específicas de neurônios e produz neurodegeneração por meio de mecanismos tóxicos únicos. A característica celular mais marcante da doença é a presença de agrega- dos insolúveis de proteína mutante e outros polipeptídeos agrupados em inclusões nucleares em neurônios. Acredita-se que os agregados sejam resultantes de respostas celulares normais para o dobramento incorreto da proteína huntingtina, que resulta da expansão da poliglutamina. Um modelo unificador da morte neuronal mediada pela proteína huntingtina mutante não está claro. Contudo, muitos processos celulares demonstram ser prejudicados pela proteína mutante na sua forma solúvel ou agregada, incluindo a transcrição, o transporte vesicular, a fissão mitocondrial e a transmissão e plasticidade sinápticas. 2 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os distúrbios da poliglutamina são um grupo de doenças que inclui nove distúrbios que apresentam algumas características em comum à codificação de um longo resíduo de glutamina na proteína mutante. Um bom exemplo é a doença de Huntington. Todas são classificadas como raras. Muitas apresentam uma faixa de repetição que está acima do normal, mas abaixo do associado à mutação completa (logo abaixo da faixa de manisfestação da condição clínica). Essa região se divide em faixa de pré-mutação (região de grande instabilidade da expansão) e faixa de penetrância incompleta (manifestação varável da doença). Na FIGURA 3, elas estão representadas, respectivamente, pelas áreas cinza e amarelas. 12 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO FIGURA 3 Figura 3: Quadro comparativo de distúrbios de poliglutamina. Fonte: Henry Paulson. Repeat expansion diseases. Handb. Clin. Neurol. 2018. Na faixa de 35 a 40 repetições, é possível observar in vitro que as proteínas começam a formar agregados. Esse ponto é importante, pois esses distúrbios partilham essa característica de formação de agregados, particularmente, em neurônios. No entanto, por meio da análise dessa FIGURA 3, também percebemos que alguns distúrbios vão tolerar mais expansões do que outros; perceba pelo comprimento da região vermelha, associada à mutação completa, e da verde, associada à normalidade. Por acometerem regiões do DNA diferentes, isso vai impactar nas diferen- tes manifestações clínicas apresentadas por qualquer uma dessas. Uma comparação entre as duas mutações dinâmicas que mais se destacam, a síndrome do X frágil e a doença de Huntington está nos tópicos a seguir: ■ as duas condições apresentam, como regra, a expansão da pré-mutação para mutação completa, e a antecipação é frequentemente vista em ambas; ■ enquanto a doença de Huntington apresenta poucas expansões para ter a doença manifestada e, portanto, como faixa de pré-mutação, apresenta somente de 29 a 35 trincas CAG; a síndrome do X frágil é manifestada quando se tem mais de 200 repetições da trinca CGG, e a faixa de pré-mutação está entre 55 a 200 repetições; ■ pacientes homens da pré-mutação na síndrome do X frágil estão sob risco de desenvolver ataxia na idade adulta. Em mulheres, observa-se 13DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO falência ovariana; por outro lado, pacientes da pré-mutação na doença de Huntington são, por definição, isentos de doença; ■ a expansão dos alelos de pré-mutação ocorre, essencialmente, na linhagem germinativa das mulheres na síndrome do X frágil, enquanto a grande maioria das expansões causadoras da doença de Huntington de início juvenil, acontece na linhagem germinativa dos homens. As expansões das repetições parecem ocorrer tanto em células prolife- rativas, tais como as espermatogônias, quanto nas células somáticas não proliferativas, como os neurônios. Isso porque a expansão pode ocorrer tanto durante a replicação do DNA quanto no reparo do DNA. Fatores de reparo de DNA têm sido implicados como modificadores genéticos potenciais da idade de início da doença de Huntington e, possivelmente, de outros distúrbios de poliglutamina. Polimorfismos em fatores de reparo de DNA específicos podem modular o grau de instabilidade somática e, assim, influenciar na gravidade da doença. A instabilidade meiótica de cada sequência vai variar de acordo com vários fatores, incluindo o tamanho da repetição, se a repetição é pura ou inter- rompida, com a sequência da repetição e o posicionamento da repetição em relação aos nucleossomos. A instabilidade somática é mais difícil de avaliar, mas já se sabe que ela ocorre em numerosos distúrbios, incluindo doença de Huntington e distrofia miotô- nica tipo 1. Essa instabilidade somática dentro do sistema nervoso contribui, significativamente, para a gravidade da doença. Além do fato de que quanto mais longa a repetição maior a probabilidade de instabilidade somática. O fato de que parte dessas doenças é consequência da repetição expandida específica de uma única repetição simplifica a investigação diagnóstica genética. Nesses casos, a utilização de polimerase chain reaction (PCR) direcionado para a expansão desejada é simples, sensível, específica e barata. Todavia, em doenças com expansões muito grandes e complexas ou com a possível interrupção de repetições puras em alguns indivíduos, a inves- tigação diagnóstica pode exigir outros métodos de triagem (por exemplo, hibridização southern blot, sequenciamento do DNA, exoma completo), consequentemente, dificultando o diagnóstico. A FIGURA 4 e a FIGURA 5 apresentam mapas mentais sobre o conteúdo abordado no resumo. 14 DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO FIGURA 4 Figura 4: PEP. 15DOENÇAS DA EXPANSÃO REPETIDA DE TRINUCLEOTÍDEO FIGURA 5 Figura 5: Vigilância. 3 REFERÊNCIAS 1. NOPOULOS, P. C. Huntington disease: a single-gene degenerative disorder of the striatum. Dialogues Clin. Neurosci. 2016 Mar;18(1):91-8. 2. PAULSON, H. Repeat expansion diseases. Handb. Clin. Neurol. 2018;147:105- 123. 3. ROBERT, L. N.; RODERICK, R. M.; HUNTINGTON, F. W. Thompson & Thompson genética médica. 8. ed. Rio de Janeiro: Elsevier, 2016. Cap 7, 202-207. Visite nossas redes sociais @jalekoacademicos Jaleko Acadêmicos @grupojaleko