Ataxias espinocerebelares tipo 2 e tipo 3 : uma perspectiva evolutiva

Abstract

As Ataxias Espinocerebelares tipo 2 (SCA2) e tipo 3 ou doença de Machado Joseph (SCA3/DMJ) fazem parte de um grupo de doenças autossômicas dominantes neurodegenerativas conhecidas como poliglutaminopatias, causadas por expansões de sequências repetitivas traduzidas do trinucleotídeo CAG (CAGexp) que por sua vez codificam tratos expandidos e neurotóxicos de glutamina nas proteínas associadas. Na SCA2 e SCA3/DMJ, as CAGexp estão localizadas respectivamente nos genes ATXN2 e ATXN3 e apresentam instabilidades em sua transmissão, tendendo a aumentar de tamanho a cada geração. A idade de início dos sintomas, essencialmente motores, apresenta uma correlação inversa com a CAGexp. Dessa forma, há uma tendência dos sintomas começarem mais cedo na prole do que no genitor afetado, fenômeno conhecido como antecipação. O objetivo deste trabalho foi ajudar a compreender como doenças neurodegenerativas autossômicas dominantes, que tendem a se manifestar mais cedo a cada geração, não são eliminadas pela seleção natural, através do estudo da dinâmica dos seus alelos expandidos. Inicialmente, realizamos duas revisões sistemáticas - uma para SCA3 e outra para SCA2 - nas quais consolidamos as evidências até hoje obtidas sobre antecipação, instabilidade, fitness e segregação de alelos. Quando possível, metanalizamos as forças evolutivas que pudessem influenciar a frequência alélica dos CAGexp no ATXN3 e no ATXN2. Na sequência, propusemos um modelo matemático baseado em uma equação clássica da genética de populações, mas voltado à previsão da dinâmica de alelos dominantes CAGexp. Alimentamos este modelo com os dados obtidos das revisões sistemáticas e metanálises sobre o ATXN3 e o ATXN2 e realizamos simulações computacionais para prever em quantas gerações os alelos expandidos se manteriam em mil linhagens por gene, e em simulações que durassem até 650 gerações. Os resultados das simulações apontaram que o ATXN3 e o ATXN2 expandidos apresentam dinâmicas distintas. Várias linhagens com o alelo expandido no ATXN3 se mantiveram por 650 gerações, denotando que a combinação do fitness elevado e da distorção da segregação favorecendo o alelo mutante na SCA3/DMJ - dados observacionais metanalizados - parecem compensar a seleção negativa produzida pela antecipação. Nossos resultados convergem com os resultados descritos na literatura, que apontam que a SCA3/DMJ apresenta poucas origens ancestrais antigas, sem descrição de mutações de novo. Em contraste, as simulações realizadas para o ATXN2 resultaram em extinção das linhagens em uma mediana (variação) de 10 (1 a 149) gerações. Se os dados observacionais até hoje obtidos - e usados nas nossas simulações - para fitness, distorção da segregação e antecipação da SCA2 estão corretos, a dinâmica que o nosso modelo descreveu para o ATXN2 expandido obriga-nos a prever que mutações de novo sejam um fator que explique a manutenção da SCA2 nas populações. Para sustentar essa hipótese, seria necessário se demonstrar que as famílias SCA2 tenham origens ancestrais distintas. Estudos sobre haplótipos ancestrais são escassos na literatura. Os mais robustos genotiparam o rs695871 e apontaram para a existência de um haplótipo comum às famílias estudadas. Para responder a essa questão, realizamos então o estudo de 47 famílias SCA2 do Brasil, do Peru e do Uruguai, nas quais determinamos haplótipos intragênicos construídos com os marcadores rs9300319, rs695871, rs593226, D12S1333 e D12S1672 ligados ao CAGexp no ATXN2. Encontramos seis haplótipos ancestrais nas famílias SCA2. Os haplótipos rs9300319-rs695871-rs593226 mais comuns foram o T-C-G e o C-C-G; digna de nota foi também a descrição de três haplótipos contendo o alelo G no SNP rs695871: C-G-A, T-G-A e T-G-G. Nossos achados aumentaram sobremaneira a variedade de origens da SCA2 e vieram ao encontro das inferências do nosso modelo matemático, que previam a necessidade de haver múltiplas origens para sustentar a presença da SCA2 nas populações. Assim, concluímos que o modelo sobre a dinâmica dos CAGexp pareceu ter previsto eventos confirmados pela observação do que acontece com a SCA2 e a SCA3/MJD. Embora esse modelo ainda precise ser testado para outras poliglutaminopatias, nós propomos que ele deverá dar conta de muitos fenômenos que ajudam a explicar a existência dessas doenças nas populações.

Spinocerebellar ataxias type 2 (SCA2) and type 3 or Machado Joseph's disease (SCA3/MJD) belong to a group of autosomal dominant neurodegenerative diseases known as polyglutaminopathies (polyQ diseases). PolyQ diseases are caused by expansions of translated repetitive sequences of the CAG trinucleotide (CAGexp) that in turn encode expanded and neurotoxic polyglutamine tracts in associated proteins. CAGexp are located in the ATXN2 and ATXN3 genes in SCA2 and SCA3/DMJ, respectively, and are unstable upon transmission, tending to increase in size with each generation. The age of onset of symptoms, mainly motor, has an inverse correlation with CAGexp. There is a tendency for symptoms to start earlier in the offspring than in the affected parent, a phenomenon known as anticipation. The aim of the present thesis was to help understand how autosomal dominant neurodegenerative diseases, which tend to manifest earlier in each generation, are not eliminated by natural selection, through the study of the dynamics of their expanded alleles. Initially, we carried out two systematic reviews - one for SCA3/MJD and one for SCA2 - in which we consolidated the evidence obtained so far on anticipation, instability, fitness and allele segregation. When possible, we meta-analyzed the evolutionary forces that could influence the allele frequency of CAGexp in ATXN3 and ATXN2. Next, we proposed a mathematical model based on a classical equation from population genetics, but aimed at predicting the dynamics of dominant CAGexp alleles. We fed this model with data obtained from systematic reviews and meta-analyses on ATXN3 and ATXN2 and performed computer simulations to predict in how many generations the expanded alleles would remain at 1,000 lineages per gene, and in simulations lasting up to 650 generations. The simulation results showed that the expanded ATXN3 and ATXN2 present different dynamics. Several lineages carrying the expanded ATXN3 allele were maintained for 650 generations, indicating that the combination of high fitness and segregation distortion favoring the mutant allele in SCA3/DMJ – meta-analyzed observational data - seems to compensate for the negative selection produced by anticipation. Our results converge with the results described in the literature, which indicate that SCA3/DMJ has few ancient ancestral origins, with no description of de novo mutations. In contrast, the simulations performed for the expanded ATXN2 resulted in extinction of all lineages in a median (range) of 10 (1 to 149) generations. If the observational data obtained so far - and used in our simulations - for fitness, segregation distortion and anticipation of SCA2 are correct, the dynamics that our model described for the expanded ATXN2 forces us to predict that de novo mutations are obligatory to maintain SCA2 in populations. To support this hypothesis, it would be necessary to demonstrate that SCA2 families have distinct ancestral origins. Studies on ancestral haplotypes are scarce in the literature. The most robust of them have genotyped rs695871 and pointed to the existence of one ancestral haplotype, common to the families studied. To answer this question, we carried out a study of 47 SCA2 families from Brazil, Peru and Uruguay, in which we determined intragenic haplotypes constructed with the markers rs9300319, rs695871, rs593226, D12S1333 and D12S1672 linked to CAGexp in ATXN2. We found six ancestral haplotypes in the SCA2 families. The most common rs9300319-rs695871-rs593226 haplotypes were T-C-G and C-C-G; noteworthy was also the description of three haplotypes containing the G allele in SNP rs695871: C-G-A, T-G-A and T-G-G. Our findings greatly increased the variety of SCA2 origins and met the inferences of our mathematical model, which predicted the need for multiple origins to support the presence of SCA2 in populations. Thus, we conclude that the model on the dynamics of CAGexp seemed to have predicted events confirmed by the observation of what happens with SCA2 and SCA3/MJD. Although this model still needs to be tested for other polyQ diseases, we propose that it should account for the majority of phenomena that explain the existence of these diseases in populations.