Análise de modificadores genéticos do fenótipo da ataxia espinocerebelar tipo 3

Abstract

A doença de Machado-Joseph (DMJ/SCA3) é uma doença neurodegenerativa causada pela expansão de poliglutaminas na proteína ataxina-3. O número de repetições CAG presentes no gene ATXN3 é inversamente correlacionado com a idade de início da doença, mas é responsável por somente 45-60% desta variação. O objetivo deste trabalho foi testar o efeito da metilação no promotor do gene ATXN3, de polimorfismos em genes candidatos e do alelo normal ATXN3 como modificadores do fenótipo da doença. A análise do padrão de metilação em seis sítios CpG através de um ensaio de amplificação multiplex dependente de sondas – específico para metilação foi realizada em amostras de 123 pacientes de 62 famílias. Os polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) nos genes BAX, CRYAB, GRIK2, IL1B, ITPR1, NEDD8, NEDD9 e CHIP foram analisados em 273 pacientes de 119 famílias. Os volumes cerebrais foram medidos através de ressonância magnética em 30 pacientes não relacionados. A gravidade foi medida pela Escala de Exame Neurológico para Ataxia Espinocerebelar (NESSCA) dividida pelo tempo de duração da doença. Uma correlação inversa significativa foi encontrada entre a idade de início e tamanho da repetição (r=-0,76, r2=0,58, p<0,001). Houve uma tendência de correlação direta entre o grau de metilação e a idade de início para um sítio CpG (p=0,055). Uma correlação significativa foi encontrada entre a gravidade e o tamanho da repetição CAG (r=0,48, r2=0,23, p=0,001). O SNP no gene IL1B (rs16944) apresentou um efeito significativo na idade de início de pacientes com SCA3 (p=0,042). Associação significativa foi observada entre o SNP no gene NEDD9 (rs760678) e a gravidade (p=0,003). SNPs nos genes GRIK2 (rs2227281) e NEDD8 (rs2144487) se relacionaram à medida do volume do cerebelo (p=0,006) e à medida do volume da ponte (p=0,023), respectivamente. Estes resultados sugerem que o controle epigenético no sítio CpG no promotor ATXN3 e que os SNPs nos genes GRIK2, IL1B, NEDD8 e NEDD9 podem contribuir para a variação fenotípica na SCA3. Ademais, os genótipos protetores dos genes GRIK2, IL1B e NEDD8 mostraram ter um efeito aditivo no adiamento do início da doença. O mecanismo exato pelo qual a mutação no gene ATXN3 causa a SCA3 ainda não foi determinado. A expansão da repetição CAG pode conferir uma função tóxica para a proteína, como acontece em outras doenças neurodegenerativas causadas por expansões de poliglutaminas. Considerando esta hipótese, uma maior metilação do promotor do gene ATXN3 pode se relacionar a sua menor expressão e a um menor acúmulo de poliglutaminas no neurônio. Ainda considerando esta hipótese, GRIK2, IL1B, NEDD8 e NEDD9 podem desempenhar um papel protetor, possivelmente por promover a sobrevivência de células neuronais em pacientes com SCA3. SNPs nestes genes poderiam modificar a expressão das proteínas, afetando a agregação de poliglutaminas no cérebro de tal forma que os indivíduos portadores de um genótipo de risco teriam significativamente maior perda gradual de neurônios e um início mais precoce dos sintomas.

Machado-Joseph disease (MJD/SCA3) is a neurodegenerative disease caused by expansion of a polyglutamine tract in ataxin-3. The CAG repeat number of ATXN3 gene is inversely correlated with disease age at onset (AO) but is responsible for only 45-60% of this variation in SCA3. In this study, we investigate if DNA methylation status of the ATXN3 promoter, if polymorphisms in candidate genes, and if normal ATXN3 allele are related to disease phenotype. We designed a methylation-specific multiplex ligation-dependent probe amplification (MS-MLPA) assay for quantitative analysis of methylation status at 6 CpG sites, located within the promoter region of the ATXN3 gene. We have applied this MSMLPA to 123 SCA3 Brazilian patients from 62 families. We investigated single-nucleotide polymorphisms (SNPs) in genes BAX, CRYAB, GRIK2, IL1B, ITPR1, NEDD8, NEDD9, and CHIP in 273 Brazilian SCA3 patients from 119 families. The brain volumetries were obtained from magnetic resonance imaging’s from 30 unrelated patients. The SCA3 severity degree was measured by Neurological Examination Score for Spinocerebellar Ataxia (NESSCA) divided by duration of disease. A significant inverse correlation was found between AO and repeat length (r=-0.76, r2=0.58, p<0.001). There was a trend toward direct correlation between methylation degree and AO for one CpG site in the SCA3 sample (p=0.055). A significant correlation was found between severity and CAG repeat length (r=0.483, r2=0.233, p=0.001). We have found significant associations between a GRIK2 SNP (rs2227281) and cerebellum volume (p=0.006), an IL1B SNP (rs16944) and AO (p=0.042), a NEDD8 SNP (rs2144487) and pons volume (p=0.023), and a NEDD9 SNP (rs760678) and disease severity (p=0.003). These results suggest that epigenetic control at ATXN3 CpG-site and that the SNPs in GRIK2, IL1B, NEDD8, and NEDD9 genes may contribute to the phenotypic expression of SCA3. Moreover, protective genotypes of GRIK2, IL1B, and NEDD8 genes shown to have an additive effect in delaying the onset of disease.The exact mechanism by which the mutation in the ATXN3 gene causes SCA3 has not been determined. The CAG repeat expansion may confer a novel toxic function onto the protein, as it does in other polyglutamine neurodegenerative disorders. Considering this hypothesis, increased methylation of ATXN3 gene promoter can relate to its lower expression and a smaller accumulation of polyglutamine in the neuron. Still considering this hypothesis, GRIK2, IL1B, NEDD8, and NEDD9 might play a protective role, possibly a survival promoting effect, for neuronal cells in SCA3 patients. These four SNPs could affect the protein expression and polyglutamine aggregation in the brain such that risk genotype carriers have a significantly higher gradual loss of neurons and an earlier onset of symptoms.