Avaliação de sistemas de reparo de DNA em poliglutaminopatias com ênfase na doença de Machado-Joseph

Abstract

A ataxia espinocerebelar tipo 3, ou doença de Machado-Joseph (SCA3/MJD), pertence a um grupo de doenças neurodegenerativas relacionadas à idade. A SCA3/MJD é causada por uma expansão de repetições CAG no DNA, que se reflete a nível proteico com o acúmulo de glutamina o qual tende a formar agregados tóxicos. Sequências de CAG mais longas se correlacionam inversamente com a idade de início (ii) dos sintomas. Porém, em média, apenas 55,2% da variação da ii pode ser explicada por essa expansão. As repetições expandidas são geneticamente instáveis, com propensão a se expandir ainda mais, gerando mosaicismo somático. Visto que, mesmo as células que proliferam muito lentamente têm tendência à expansão, mecanismos não replicativos, como o reparo de DNA, são mais propensos a explicar muitas das expansões somáticas no cérebro. Nosso estudo teve como objetivo avaliar o efeito dos genes do sistema de reparo de DNA como modificadores da ii em pacientes com SCA3/MJD, bem como o efeito desses sistemas na formação de agregados e estabilidade das repetições CAG. Por meio do estudo de células de pacientes com SCA3/MJD pudemos notar que a instabilidade somática, ou a falta dele, não é o motivo da morte celular, que ocorre, aparentemente, de forma sistêmica. Mesmo que o reparo de ligações cruzadas entre cadeias de DNA tenha mostrado um efeito moderado na formação de agregados, variantes no gene FAN1 estão associadas à ii tardia.Demonstramos a prevalência da variação rs3512 deste gene no Rio Grande do Sul e em um grupo de pacientes com SCA3/MJD, com efeito protetor na mesma direção dos estudos anteriores. Também demonstramos que a inibição de algumas proteínas-chave do sistema de reparo do DNA pode levar a um aumento da agregação com a inibição das topoisomerases I e II exibindo uma enorme formação de agregados poliQ nuclear. Com esse fato em mente, testamos sete (equivalentes a 110) variantes no DNA. Nenhuma delas está associada à ii da doença, de modo que a formação de agregados detectada anteriormente pode refletir um desequilíbrio nas vias celulares. Por fim, a superespressão de uma chaperona, a HspB5 pode suprimir a formação destes agregados tóxicos, sem influenciar no reparo de DNA. Assim, nossos achados sugerem que o acúmulo de danos e a manutenção de agregados proteicos são mecanismos distintos, mas inter-relacionados, atuando na homeostase celular, causando escassez de proteínas, seja pelo sequestro ou pela diminuição de sua produção via transcrição, comprometendo a sobrevivência neuronal.

Spinocerebellar ataxia type 3, or Machado-Joseph disease (SCA3/MJD), belongs to a group of neurodegenerative diseases related to age. SCA3/MJD is caused by an DNA expansion of CAG repeats, which is reflected at the protein level as the accumulation of glutamine and tends to form toxic aggregates. Longer CAG sequences correlate inversely with the age of onset (AO) of the symptoms. However, on average, only 55.2% of the AO variation can be explained by this expansion. The expanded repetitions are genetically unstable, with a propensity to expand further, generating somatic mosaicism. Since even cells that proliferate very slowly tend to expand, non-replicative mechanisms, such as DNA repair, are more likely to explain many of the somatic expansions in the brain. Our study aimed to evaluate the effect of the DNA repair system genes as modifiers on AO in patients with SCA3/MJD, as well as the effect of these systems on the formation of aggregates and stability of CAG repetitions.Through the study of cells from patients with SCA3/MJD we could show that somatic instability, or the lack of it, is not the reason for cell death, which apparently occurs in a systemic way. Even though the repair of cross- links between DNA strands has a moderate effect on the formation of aggregates, variants in the FAN1 gene are associated with late AO. We demonstrated the prevalence of FAN1 variation rs3512 in Rio Grande do Sul and in a group of patients with SCA3/MJD, corroborating its protective effect in the same direction than previous studies. We also demonstrate that the inhibition of some key proteins of the DNA repair system can lead to increased aggregation with the inhibition of topoisomerases I and II exhibiting an enormous formation of nuclear polyQ aggregates. With that fact in mind, we tested seven (equivalent to 110) variants in DNA. None of them are associated with the disease AO, so the formation of aggregates previously detected may reflect an imbalance in the cellular pathways. Finally, overexpression of a chaperone HspB5 can suppress the formation of these toxic aggregates, with no repercussions on DNA repair. Thus, our findings suggest that the damage accumulation and the maintenance of protein aggregates are distinct but interrelated mechanisms acting on cellular homeostasis, causing protein shortages, either by protein sequestration or by decreasing their production via transcription, thus compromising neuronal survival.