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GenesCodonesAlelosCromomosomas
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Enero 2014 1
TRASTORNOS NEUROLÓGICOS POR
AMPLIFICACIÓN DE TRIPLETES
REPETIDOSPilar Mazzetti Soler y el Equipo de Investigadores
del Centro de Investigación en Neurogenética
Instituto Nacional de Ciencias Neurológicas1
[email protected]@icn.minsa.gob.pe
Enero 2014 2
TRIPLETES REPETIDOS Genética mendeliana: mutaciones trasmitidas
establemente de padres a hijos Fenómeno de anticipación: de generación en
generación, menor edad de inicio de una enfermedad 1918: Fleischer, distrofia miotónica 1950 a 1990: Penrose, sesgo de observador, sesgo
de la familia 1991: gen responsable de XFRA con triplete repetido
inestable; expansión de unas docenas a más de mil en una generación => mutación dinámica, genética no mendeliana
Repeticiones encontradas: Trinucleótidos a pentanucleótidos o dodecámeros inclusive
Enero 2014 3
INESTABILIDAD DE TRIPLETES Mutaciones dinámicas: tendencia a aumentar,
ocasionalmente tripletes disminuyen Secuencias repetidas difieren en:
Tipo de secuencia, tamaño del elemento que se repite, localización (codante o no codante)
Paulson, AAN 2011
Enero 2014 4
INESTABILIDAD DE TRIPLETES Repeticiones en región codante: expansión pequeña
(enfermedades tipo 1) Repeticiones en región no codante: expansión masiva (enfermedades tipo 2)) Tamaño: tractos más grandes, mayores expansiones Inestabilidad somática
5’-UTR 3’-UTRIntrónExón Exón
Enfermedad de HuntingtonEnfermedad de Kennedy SCA tipos 1,2,3,6,7 y 17Atrofia dentorubropalidoluysianaDistrofia muscular oculofaríngea
Distrofia miotónicaAtaxia de Friedreich
TIPO I
TIPO II
Enero 2014 5
Características Región codante (1)
Región no codante (2)
Genes Diferentes genes, diferentes funciones, diferentes estructuras
Tipo de secuencia CAG GAA, CTGTamaño del elemento
Decenas de repeticiones
Centenas de repeticiones
Menores expansiones
Mayores expansiones
Impresión del genoma
Paterna Materna, menor fertilidad en varones con gran amplificado
Tejidos Uno, selectivo VariosFenotipo en común No hay manifestaciones durante
muchos añosA mayor amplificación del triplete, menor edad de inicio de la enfermedadA mayor amplificación del triplete, mayor severidad y tasa de progresión de la enfermedad
Enero 2014 6
MECANISMO Se hereda un gen
mutado (AD) o dos (AR)
Inicio y progresión de enfermedad determinada por la tasa de expansión del trinucleótido repetido en ciertas células del cuerpo de la persona afectada
Kaplan S, PLoS Comput Biol 2010
Enero 2014 7Kaplan S, PLoS Comput Biol 2010
Enero 2014 8
CURVA DE INICIO EXPONENCIAL
(G) Tasa de expansión de un alelo en un momento dado del tiempo es una función que se incrementa linealmente en relación con el númerode repeticiones sobre el umbral de inicio. (I) Curva de inicio disminuyeexponencialmente: a mayor número de repeticiones, menor edad de inicio.
Kaplan S, PLoS Comput Biol 2010
Enero 2014 9
RANGO DE EXPANSIÓN DE TRIPLETES REPETIDOS
Patológico
Normal
Premutación
Efecto sobreARN de otros
genesEfecto sobre
gen
Enero 2014 10
MECANISMOS DE EXPANSIÓN Desplazamiento durante la replicación del
ADN Alineamiento inadecuado y ulterior escisión y
reparación “Crossing over” desigual Repeticiones largas forman estructuras en
fragmentos Okasaki que luego bloquean la replicación de la horquilla de replicación y aumentan probabilidad de expansión
Secuencias normales con tripletes interrumpidos por otras secuencias con tripletes, CAT por ejemplo, estabilizan tractos; al faltar, contribuyen a inestabilidad
Enero 2014 11
IMPRESIÓN DEL GENOMA Expansiones grandes: mayores en meiosis
masculinas Alelos transmitidos por mujeres: incremento
modesto Especialmente claro para enfermedades con
triplete CAG (impresión paterna); espermatozoide: hasta seis divisiones más que ovocito
Expansiones muy grandes en regiones no codificantes: evidencias de impresión genómica con transmisión materna
En DM1 amplificación grande en varones se asocia a baja fertilidad mientras que en mujeres se mantiene fertilidad
Enero 2014 12
IMPRESIÓN GENÓMICA
i: 63 años
i: 41 años
i: adolescencia
i: desde elnacimiento
57 tripletes
90 tripletes 82 tripletes
Impresión del genoma por líneaMaterna: enfermedad de Steinert
i: adolescencia
Impresión del genoma por línea Paterna: enfermedad de Huntington
Enero 2014 13
PATOGÉNESISRegión del gen con repeticiones
Efecto primario de la expansión
Efecto secundario
Enfermedades
No codificante
Pérdida de función de la proteína
Control traslacional, señalización, funciones mitocondriales
FRAXA, FRAXE, FRDA
No codificante
Alteración de funciones del ARN
Interacciones aberrantes entre ARN y proteína
DM1, DM2, FXTAS
Codificante Alteración de funciones de la proteína
Transcripción HD, SCAs, SBMA, DRLPA
Enero 2014 14
ENFERMEDADES TIPO 1 Ocurren en regiones del gen que codifican
para proteínas con propiedades nuevas neurotóxicas
La mayoría = tripletes CAG, codifican para tractos poliglutamina en proteína; repeticiones de corta extensión, herencia AD
Enfermedades progresivas neurodegenerativas con inclusiones intraneuronales, a menudo intranucleares
Tipos: AD: Huntington, DRPLA, SCA 1,2,3,6,7 y 17 Ligada a Xr: atrofia muscular bulbar y espinal
(enfermedad de Kennedy) Distrofia muscular óculo-faríngea: expansión de
GCG con tracto de polialanina en proteína
Enero 2014 15
INESTABILIDAD DE TRIPLETES Y ENFERMEDAD Mecanismos:
Interrupción de secuencia CAG Mecanismos de reparación diferentes Elementos que flanquean la secuencia Metilación CpG Posicionamiento del nucleosoma y del punto de origen de la
replicación Diagnóstico de recuento de tripletes repetidos anormales en
sangre periférica: No toma en cuenta existencia de secuencias intermedias No toma en cuenta amplificación diferente en tejido cerebral
Enfermedad en triplete con escaso margen de amplificación = escaso margen para cambio en proteína, proteína más patológica => más letalidad
Enfermedad en triplete con amplio margen de amplificación = proteína con mayor tolerancia a variación => menor letalidad.
Enero 2014 16
ENFERMEDADES TIPO 2 Expansiones de CTG, GAA, GCC, CAG o CGG
en región no codificante. Ocasionan enfermedad por diferentes
mecanismos: Procesamiento aberrante del ARN,
silenciamiento de genes adyacentes (Steinert) Asociación de hipermetilación que lleva a que el
gen no sea transcrito (FRAXA, FRAXE, epilepsia mioclónica tipo 1)
Tipos: AD: CTG en Steinert o distrofia miotónica tipo 1;
CTG en SCA 8; CAG en SCA 12. AR: GAA en ataxia de Friedreich. Ligada a Xr: GCC en FRAXA; CGG en FRAXE
Enero 2014 17
ENFERMEDAD DE FRIEDREICH Ataxia recesiva más frecuente, triplete GAA en
cromosoma 9; inicio en adolescencia, ataxia y polineuropatía; demencia, miocardiopatía, escoliosis asociado a amplificaciones mayores
Maring, J. Physical Therapy, 2007
Enero 2014 18
Exón 1 Exón 2
GAA
66 - >15006 - 40
•Gen FRDA, proteína frataxina, secuencia repetida GAA con 6 a 40 repeticiones; ataxia con expansiones de 66 a más de 1,000 genera deficiencia de proteína.•Frataxina: proteína mitocondrial esencial que liga hierro.•97% con expansión de los dos alelos.•3% expansión de un alelo + mutación puntual asociada.
EXPANSIÓN GAA RESPONSABLE DE ATAXIA DE FRIEDREICH
Enero 2014 19
ENFERMEDAD DE FRIEDREICH
Padre y Madre no afectadosPortadores
JorgeAtaxia y neuropatíasensitiva
Ana Maríaataxia, neuropatíassensitiva, diabetes,escoliosis, demencia
15/135 19/148
756/500 198/243
1. ¿Cuál es el patrón de herencia?2. ¿Qué cuadro clínico presentan los portadores?3. ¿Como aplicar el concepto de Anticipación en este caso?4. ¿Qué riesgo hay para los descendientes de los afectados?
Enero 2014 20
ENFERMEDAD DE STEINERT
Cuadro:Cataratas
Cuadro:Calvicie, miotoníay debilidad, BAV1
Cuadro:Miotonía y Debilidad marcada,retardo mental, Hipersomnia, miocardiopatía
Jorge, el abuelo
Oscar, el padre
Lucía y Ramón, los hijos?
i: 63 años
i: 41 años
i: infancia
En edad de inicio:cada vez menor
En cuadro clínico: cada vez más importante M
ayor
cua
dro
clín
ico
Men
or e
dad
de in
icio
Fotos con autorización
• ¿Qué sucede con la edad de inicio en esta familia?
• ¿Qué sucede con el cuadro clínico?
• ¿Qué podría pasar con el niño por nacer en la cuarta generación?
Enero 2014 21
ENFERMEDAD DE STEINERT Disminución de síntesis de la miotonincinasa
no explica cuadro clínico amplio Mecanismo de toxicidad del ARN DM1 (DMPK) y DM2 (ZNF9) tienen similitudes
bioquímicas y clínicas pero los genes respectivos no tienen relación funcional aparente
ARN forma inclusiones nucleares con tractos expandidos
Asociación de splicing alternativo anormal en relación con proteina muscleblind like (MBNL)
Desarrollo de modelo animal en ratones
Enero 2014 22
ATAXIAS AUTOSÓMICAS DOMINANTES Amplificación anormal de tripletes
repetidos en muchas mutaciones SCA. Secuencias CAG dan lugar a secuencia
poliglutamina en proteína. Poliglutamina en exceso: adquisición de
nueva función tóxica. Proteína anormalmente plegada que
genera depósitos (cuerpos de inclusión) en citoplasma o núcleo de neuronas.
Desencadena estrés oxidativo o apoptosis prematura (función nueva y tóxica de la proteína).
Enero 2014 23
5’UTR Exón codante 3’UTR
(CAG) (CAG) (ATTCT) (CTG)SCA12 Ataxias PoliQ SCA10 SCA8
(SCA 1-3, 6, 7, 17)
EXPASIONES RESPONSABLES DE ATAXIAS DOMINANTES
Enero 2014 24
ATAXIAS AUTOSÓMICAS DOMINANTES Diagnóstico genético disponible para 11
cuadros SCA de las 27 existentes. Diagnostican el 75% de casos
familiares. Disponibles comercialmente: SCA 1, 2,
3, 6, 7, 8, 10, 12, 14, y 17, DRPLA. También disponible FA. Servicio de Neurogenética INCN: SCA 3,
SCA1, SCA6 Ataxia dominante más frecuente en el
Perú: SCA10
Enero 2014 25
SCA 3 (MACHADO- JOSEPH) Expansión de un tracto CAG, MJD1 locus 14q32.1; de
56 a 86 repetiones relacionado con enfermedad Dos haplotipos ancestrales:
TTACAC: Islas Flores, relacionado con el 70% de casos
GTGGCA: Portugal Ataxia dominante más común en el
mundo
Proteína ataxina 3
Takiyama et al 1993; Kawaguchi et al 1994
Enero 2014 26
DIAGNÓSTICO MOLECULAR DE SCA3
40 repeticiones, límite superior normal
Pacie
nteAlelo normal
Alelo patológico
Controlessanos
Enero 2014 27
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON Herencia autosómico
dominante Efecto fundador: mutación en
gen de la Huntingtina en el cromosoma 4, con triplete repetido CAG (glutamina).
Efecto tóxico de la Huntingtina con exceso de glutamina.
Movimientos involuntarios, demencia subcortical, trastornos psiquiátricos.
Valle de Cañete
Enero 2014 28
• Expansión anormal del triplete CAG, exón 1 del gen HD, brazo corto del cromosoma 4.
• Proteína huntingtina, secuencia de poliglutamina creciente.
• Mutación que da ganancia de función con pérdida de las neuronas espinosas del estriado.
Exón 1 Gen EH (67 exones)
> 3936-39< 36
Mutación CompletaPre-mutaciónNormal
N O
Neurodegeneración selectiva
Poliglutamina•Disfunción cadena respiratoria •Radicales libres•Excitoxicidad •Alt. ubiquitina-proteosoma Apoptosis
Imágenes TAC y corte: Departamento de Neuropatología, INCN
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON
Enero 2014 29
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON
12 27 35 36 39 40Sanos
Poblacion en
Riesgo*
Premutació
n
Mutación
No Portadores (Sanos) Portadores (Enfermedad)+
+
No afectado 12-35 repeticiones CAG
*Población Reservorio en Riesgo 27-35 repeticiones CAG
Premutación (Penetrancia Reducida) 36-39 repeticiones CAG
Mutación (Penetrancia Completa) ≥40 repeticiones CAG
Semaka A y Col. American Journal of Medical Genetics . 2009
Enero 2014 30
CORRELACIÓN ENTRE EDAD DE INICIO Y ALELO MAYOR
3040
5060
70
0 20 40 60 80edad_inicio
alelo_mayor Fitted values
N=153R = -0.6919, P=0.00
Valor ajustado
Correlación inversa es significativa, a mayor numero de tripletes, la edad de inicio es más precoz
Registro de EH Servicio de Neurogenética INCN
Núm
ero
de R
epet
icio
nes
CA
G
Enero 2014
CAMBIO DE CONDICIÓN CLÍNICA POR GÉNERO
0.00
0.25
0.50
0.75
1.00
0 20 40 60 80analysis time
F M
Kaplan-Meier survival estimates, by sexo
31
N=78
N=75
p=0.02
Femenino Masculino
Curva de sobrevida de Kaplan-Meier
El cambio de condición clínica es significativamente mas temprano en varones que en mujeres
Registro de EH Servicio de Neurogenética INCN
Enero 2014 32
DISTRIBUCIÓN DE PERSONAS PORTADORAS SEGÚN SU NACIMIENTO
Amazonas 0.5
%
Ucayali 0.5
%
Loreto 0.5
%
M. de Dios 0.5
%
Piura 0.5
%
Cusco 0.5
%
Lima 34.4 %
Cañete 21.6 %
Junín 9.4 %
Huancavelica 5 %
La libertad 5 %
Ancash 4.4 %
Ayacucho 4.4 %
Cajamarca 3.3 %
Apurimac 2.2 %
Arequipa 2.2 %
Tacna 1.6 %
C. de Pasco 1.1 %
Ica 1.1 %
Registro de EH Servicio de Neurogenética INCN
Enero 2014 33
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON
Cuadro: Coreai: 52 años
Cuadro: Psicosis,i: 40 años
Parkinsonismo, corea yretardoi: 07 años i: 15 años
Corea, Psicosis,demenciai: 32 años
Corea, Psicosis,i: 37 años
42 tripletes
57 tripletes47 tripletes
45 tripletes 90 tripletes 82 tripletes
1. ¿Cuál es el patrón de Herencia?2. ¿Hay anticipación en este caso?
Enero 2014 34
ENFERMEDAD DE HUNTINGTON
Cuadro: Coreai: 52 años
Cuadro: Psicosis,i: 40 años
Parkinsonismo, corea yretardoi: 07 años i: 15 años
Corea, Psicosis,demenciai: 32 años
Corea, Psicosis,i: 37 años
42 tripletes
57 tripletes47 tripletes
45 tripletes 90 tripletes 82 tripletes
1. ¿Siempre hay aumento en el número de tripletes? 2. ¿Cuándo se presentan casos infantiles o juveniles?
Enero 2014 35
ORIENTACIÓN GENÉTICA Problema particular:
Inicio luego de tener descendenciaAnticipación e impresión de genomaAusencia de centros especializados y de
seguimiento sistematizadoDesorganización familiar
Necesidad sentida por familias, en especial generaciones más jóvenes y con acceso a información
“para saber”, “para no pasarle esto a mis hijos”, “para saber si los voy a poder cuidar”
Enero 2014 36
¡¡Muchas Gracias !!