Введение
Мутация ДНК, включающая увеличение числа тринуклеотидных повторений Расширение тринуклеотидных повторений, также известное как расширение триплетных повторений, является мутацией ДНК, ответственной за возникновение любого типа расстройства, классифицируемого как тринуклеотидные повторения. В динамической генетике они называются динамическими мутациями. Расширение триплетов вызвано скольжением во время репликации ДНК, также известной как репликация ДНК "выбор копии". Из-за повторяющегося характера последовательности ДНК в этих областях во время репликации ДНК могут образовываться структуры "выхода", сохраняя при этом комплементарную пару оснований между родительской и дочерней цепью, синтезируемой. Если структура выходящей петли формируется из последовательности на дочерней нити, это приведет к увеличению количества повторений. Однако, если структура выходящей петли формируется на материнской нити, происходит уменьшение количества повторений. Похоже, что увеличение этих повторений чаще, чем уменьшение. Как правило, чем больше расширение, тем больше вероятность того, что они вызовут заболевание или увеличат тяжесть заболевания. Другие предлагаемые механизмы расширения и уменьшения включают взаимодействие молекул РНК и ДНК. В дополнение к тому, что происходит во время репликации ДНК, тринуклеотидное повторное расширение может также происходить во время ремонта ДНК. Когда повторяющаяся последовательность тринуклеотидов ДНК повреждена, она может быть восстановлена такими процессами, как гомологичная рекомбинация, не гомологичное соединение концов, восстановление несоответствия или исправление выделения оснований. Каждый из этих процессов включает в себя шаг синтеза ДНК, в котором может произойти скольжение нитей, приводящее к повторному расширению тринуклеотидов. Другие заболевания человека, при которых происходит повторное расширение тройниц, - это хрупкий синдром Х, несколько спиноцеребелярных атаксий, миотоническая дистрофия и атаксия Фридрейха. Следующие выводы служили в качестве поддержки связи TNR с началом заболевания; обнаружение различных повторений в этих заболеваниях продемонстрировало эту связь. В 1991 году для синдрома хрупкого Х обнаружилось, что ген хрупкой Х умственной отсталости 1 (FMR 1) содержит экспансию CGG в его 5'-нетранслируемой области (UTR). Кроме того, экспансия CAG была обнаружена в последовательностях X- связанной спинальной и булбарной мышечной атрофии (SBMA). SMBA - первая "CAG / полигутаминная" болезнь, которая является подкатегорией повторяющихся расстройств. В 1992 году для миотонической дистрофии типа 1 (DM1) было обнаружено расширение CTG в 3' UTR белковой киназе миотонической дистрофии (DMPK). В 1993 году для болезни Хантингтона (БВ) в кодирующей последовательности экзона 1 было обнаружено более длительное, чем обычно, повторение CAG. Благодаря этим открытиям начали развиваться идеи, связанные с предсказанием болезни, и возникло любопытство о том, как причины могут быть связаны с ТНР. В течение десятилетия после того, как были обнаружены доказательства, связывающие ТНР с началом заболевания, основное внимание было уделено изучению длины повторения и динамики заболеваний, а также исследованию механизма наследования болезни от родителей к ребенку. В дополнение к этому выводу был выявлен еще один аспект заболеваний, высокая изменчивость начала. В настоящее время длина повторения CAG считается самым большим модификатором возраста начала заболеваний TNR. Обнаружение TNR было затруднено ограниченными технологиями и методами на ранних стадиях, и прошли годы, прежде чем были разработаны достаточные способы измерения повторений. С тех пор в течение многих лет были разработаны точные методы. В совокупности следующие клинически необходимые протоколы имеют 99% точность измерения TNR. Для измерения повторений CGG используются южные блотсы, поскольку регионы, богатые CG, ограничивают движение полимеразы в ПЦР.
A trinucleotide repeat expansion, also known as a triplet repeat expansion, is the DNA mutation responsible for causing any type of disorder categorized as a trinucleotide repeat disorder. These are labelled in dynamical genetics as dynamic mutations. Triplet expansion is caused by slippage during DNA replication, also known as "copy choice" DNA replication. Due to the repetitive nature of the DNA sequence in these regions, 'loop out' structures may form during DNA replication while maintaining complementary base pairing between the parent strand and daughter strand being synthesized. If the loop out structure is formed from the sequence on the daughter strand this will result in an increase in the number of repeats. However, if the loop out structure is formed on the parent strand, a decrease in the number of repeats occurs. It appears that expansion of these repeats is more common than reduction. Generally, the larger the expansion the more likely they are to cause disease or increase the severity of disease. Other proposed mechanisms for expansion and reduction involve the interaction of RNA and DNA molecules. In addition to occurring during DNA replication, trinucleotide repeat expansion can also occur during DNA repair. When a DNA trinucleotide repeat sequence is damaged, it may be repaired by processes such as homologous recombination, non homologous end joining, mismatch repair or base excision repair. Each of these processes involves a DNA synthesis step in which strand slippage might occur leading to trinucleotide repeat expansion. Other human diseases in which triplet repeat expansion occurs are fragile X syndrome, several spinocerebellar ataxias, myotonic dystrophy and Friedreich's ataxia. The following findings of served as support for TNR's link to onset of disease; the detection of various repeats within these diseases demonstrated this relationship. In 1991, for fragile X syndrome, the fragile X mental retardation 1 (FMR 1) gene was found to contain a CGG expansion in its 5' untranslated region (UTR). In addition, a CAG expansion was located in X linked spinal and bulbar muscular atrophy (SBMA) sequences. SMBA is the first "CAG / polygutamine" disease, which is a subcategory of repeat disorders. In 1992, for myotonic dystrophy type 1 (DM1), CTG expansion was found in the myotonic dystrophy protein kinase (DMPK) 3' UTR. In 1993, for Huntington's disease (HD), a longer than usual CAG repeat with was found in the exon 1 coding sequence. Because of these discoveries, ideas involving anticipation in disease began to develop, and curiosity formed about how the causes could be related to TNRs. During the decade after evidence that linked TNR to onset of disease was found, focus was placed on studying repeat length and dynamics on diseases, as well as investigating the mechanism behind parent child disease inheritance. In addition to this finding, another aspect of the diseases, the high variability of onset, was revealed. Currently, CAG repeat length is considered the biggest onset age modifier for TNR diseases. Detection of TNRs was made difficult by limited technology and methods early on, and years passed before the development of sufficient ways to measure the repeats. Since then, accurate methods have been established over the years. Together, the following clinically necessary protocols have 99% accuracy in measuring TNRs. Southern blots are used to measure CGG repeats because CG rich regions limit polymerase movement in PCR.
Общая структура
Эти повторяющиеся последовательности приводят к нестабильности между нитями ДНК после достижения определенного порогового числа повторений, что может привести к скольжению ДНК во время репликации. Наиболее распространенными и известными повторяющимися тройками являются CAG, GCG, CTG, CGG и GAA. Во время репликации ДНК синтезируемая нить может не совпадать с ее шаблоном из-за динамической природы и гибкости этих триплетных повторений. Это скольжение позволяет нитью найти стабильный промежуточный элемент между собой через соединение оснований, образуя вторичную структуру, отличную от дуплекса. В 5'- нетранслируемой области обнаруживаются повторяющиеся CGG и CAG, которые отвечают за синдром хрупкого Х и спиноцеребелярную атаксию 12.
Промежуточные вещества
В зависимости от последовательности повторения, как известно, образуются по меньшей мере три промежуточных соединения с различными вторичными структурами. Повторение CGG образует G-квадроплекс из-за пары оснований Hoogsteen, в то время как повторение GAA образует триплекс из-за отрицательного суперколинга. Чётное количество повторений образует структуру тетралупа, в то время как нечетное число приводит к образованию трилупа.
Порог
При тринуклеотидном расширении повторяемости существует определенный порог или максимальное количество повторяемости, которое может произойти до того, как последовательность станет нестабильной. Как только этот порог будет достигнут, повторения начнут быстро расширяться, вызывая все более длительные расширения в будущих поколениях. Как только аллель достигает минимального размера, который обычно составляет около 30 - 40 повторений, болезни и нестабильность могут быть зафиксированы, но если количество повторений, обнаруженных в последовательности, ниже порога, оно останется относительно стабильным. что будет формироваться в последовательности, что приведет к большему расширению тринуклеотидов.
Родительское влияние
Исследования показывают, что существует прямая, важная корреляция между полом родителя, который передает мутацию, и степенью и фенотипом расстройства у ребенка. Степень повторного расширения и возникновение или отсутствие расширения были напрямую связаны с полом передающего родителя как в кодирующих, так и в не кодирующих тринуклеотидных повторяющихся расстройствах. Хотя эта передача тринуклеотидной повторной экспансии считается результатом "мейотической нестабильности", степень, в которой мейоз играет роль в этом процессе, и механизм не ясны, и прогнозируется, что в этом процессе одновременно играют роль многие другие процессы. Эта инвалидность возникает из-за мутации в конце Х-хромосомы в гене FMR1 (Fragile X Mental Retardation Gene), который вырабатывает белок, необходимый для развития мозга, называемый FMRP. Носители, у которых повторяются повторения в диапазоне от 53 до 200 повторений, имеют "аллели премутации", поскольку аллели в этом диапазоне приближаются к 200, вероятность расширения до полной мутации увеличивается, а уровни мРНК повышаются в пять раз. Носители синдрома хрупкого Х (те, которые попадают в диапазон предмутации) обычно имеют неметилированные аллели, нормальный фенотип и нормальные уровни мРНК FMR1 и белка FMRP. Болезнь ХД затрагивает базальные ганглии и кору головного мозга и проявляется в виде таких симптомов, как когнитивные, двигательные и/или психические нарушения. Большинство всех случаев заболевания молодыми людьми вызвано передачей высокого числа повторений тринуклеотидов CAG, являющегося результатом гаметогенеза отцов. В то время как у человека без ХС есть несколько повторений CAG, которые находятся в диапазоне от 9 до 37, у человека с ХС обычно наблюдается повторение CAG в диапазоне от 37 до 102. У пациентов с миотонической дистрофией наблюдаются тяжелые, изнурительные физические симптомы, такие как мышечная слабость, проблемы с сердцебиением и затрудненное дыхание, которые могут быть улучшены с помощью лечения, чтобы максимизировать подвижность пациентов и повседневную активность, чтобы облегчить некоторый стресс у их опекунов. Мышцы людей с миотонической дистрофией характеризуются увеличением волокна 1 типа, а также увеличением ухудшения этих волокон 1 типа. Это (CTG) n тринуклеотидное повторение находится внутри лейкоцитов; длина повторения и возраст человека были напрямую связаны с прогрессированием заболевания и преобладанием мышечных волокон типа 1.
Причинно-следственные
Атаксия Фридрейха - аутосомно-рецессивное расстройство, вызванное экспансией ГАА в интроне гена FXN. Этот ген кодирует белок фратаксин, митохондриальный белок, участвующий в гомеостазе железа. Мутация нарушает транскрипцию белка, поэтому пораженные клетки производят только 5 - 10% фратаксина здоровых клеток. Это приводит к накоплению железа в митохондриях и делает клетки уязвимыми к окислительному повреждению. Исследования показывают, что продолжительность повторения ГАА коррелирует с тяжестью заболевания.
Синдром хрупкого хребта
Точный момент возникновения ТНР варьируется в зависимости от заболевания. Хотя точное время возникновения FXS неизвестно, исследования показали, что самые ранние расширения CGG для этого расстройства наблюдаются в первичных ооцитах. Было предложено, что повторное расширение происходит в материнской ооците во время остановки мейотического клеточного цикла в I профазе, однако механизм остается неясным. Премутационные аллели, унаследованные от матери, могут превращаться в аллели с полной мутацией (более 200 повторений), что приводит к снижению выработки продукта гена FMR 1 FMRP и вызывает синдром хрупкой умственной отсталости X. Для женщин большие повторные расширения основаны на восстановлении, в то время как для мужчин сокращение длинных повторных расширений связано с репликацией; поэтому у их сперматозоидов отсутствуют эти повторения, и отцовское наследование длинных повторных расширений не происходит. Между 13-й и 17-й неделями развития человеческого плода, большие повторения CGG сокращаются. Существует положительная корреляция между мужской наследственностью и длиной аллелей. Исследование на мышах показало, что точное время повторного расширения КТГ происходит во время развития сперматогонии. В DM1 и FXS, предполагается, что расширение TNR происходит с помощью множественных ошибок ДНК-полимеразы при репликации. Неспособность ДНК-полимеразы правильно перемещаться через TNR может вызвать трансактивацию транслезионных полимераз (TLP), которые попытаются завершить процесс репликации и преодолеть блокировку. Поскольку ДНК-полимераза не работает таким образом, полученные в результате одноцепочечные петли, оставленные в цепи шаблона, подвергаются делеции, влияя на длину TNR. Этот процесс оставляет потенциал для расширения TNR. В четырех исследованных образцах болезни Huntington длина повторного расширения CAG была более изменчивой у зрелой спермы, чем у спермы в развитии в яичках, что привело к выводу, что повторное расширение имело вероятность возникновения позже в развитии спермы. В зародышевых клетках, подвергающихся дифференциации, доказательства свидетельствуют о том, что возможно создание расширений после завершения мейоза, поскольку в постмейотических клетках были обнаружены более крупные мутации ВГ. Поскольку нестабильность TNR отсутствует у молодых мышей женского пола, а возраст и нестабильность женского пациента с SCA1 напрямую связаны, экспансии должны возникать в неактивных ооцитах. Появилась тенденция к более крупным экспансиям, происходящим в клетках, недействующих в делении, и меньшим экспансиям, происходящим в активно делящихся или не делящихся клетках. с акцентом на исследования и изучение геномных манипуляций. Наиболее передовые доступные методы лечения направлены на мутацию экспрессии генов с использованием антисмысловых олигонуклеотидов (ASO) или интерференции РНК (RNAi) для таргетинга РНК-мессенджера (мРНК). Другая синтетическая РНК - это короткие шнурки РНК (shRNA). Некоторые проблемы, которые могут возникнуть, заключаются в том, что если одноцепочечная сиРНК-гид в комплексе RISC может стать нестабильной при расщеплении и начать растворяться, в результате чего связывается с неблагоприятной цепью мРНК. Идеальные комплементарные гиды для целевых РНК легко распознаются и будут расщеплены в комплексе RISC; если между направляющей нитью и целевой мРНК существует только частичная комплементарная сопряженность, это может вызвать неправильную трансляцию или дестабилизацию в целевых участках. Целью использования этих антисмысловых олигонуклеотидов является снижение экспрессии белка конкретной мишени, как правило, путем ингибирования RNase H эндонуклеазы, а также ингибирование образования 5'- капочки или изменения процесса сплайсинга. В естественном состоянии ASO быстро перевариваются, это требует использования порядка фосфорилирования для ASO, чтобы пройти через клеточные мембраны. Несмотря на очевидные преимущества, которые антисмысловая терапия может принести миру благодаря своей способности замолчать о болезнях нервов, существует много проблем с разработкой этой терапии. Одна из проблем заключается в том, что ASO очень восприимчивы к деградации нуклеазами внутри организма. Это приводит к высокому количеству химических модификаций при изменении химии, чтобы нуклеазы могли превзойти деградацию этих синтетических нуклеиновых кислот. Урожденные ASO имеют очень короткий период полураспад...