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A expansão inadequada das sequências de repetição do DNA é a base genética para várias doenças neurodegenerativas, como a esclerose lateral amiotrófica (ELA), a demência frontotemporal (TFT) e a doença de Huntington (HD)1. Embora existam modelos celulares e animais estabelecidos para essas doenças, os mecanismos subjacentes a essas condições não são bem definidos. Por exemplo, o HD é causado pelas expansões de uma seqüência de repetição CAG na seqüência de codificação para a proteína Huntingtin Htt2. Como o CAG codifica a glutamina de aminoácidos, a expansão de repetição do CAG resulta na inserção de uma seqüência de poliglutamina, ou poliQ, dentro de Htt. Proteínas poliQ expandidas formam agregados proteicos dependentes de comprimento e idade que estão associados à toxicidade3,4. Surpreendentemente, dois estudos recentes sugerem que o comprimento da seqüência de poliQ não é o principal condutor do início da doença de HD, sugerindo que fatores independentes do poliQ também podem contribuir para a doença5,6.
Um possível mecanismo independente de poliQ envolve um tipo recém-descoberto de tradução proteica denominado Repeat Asociated Non-AUG-dependent (RAN) tradução7. Como o nome indica, a tradução RAN só ocorre quando uma seqüência de repetição expandida está presente e não requer um códon de partida canônico. Portanto, a tradução RAN ocorre em todos os três quadros de leitura da repetição para produzir três polipeptídeos distintos. Além disso, como muitos genes também produzem uma transcrição anti-sentido que contém o complemento reverso da seqüência de repetição expandida, a tradução RAN também ocorre em todos os três quadros de leitura da transcrição antisense. Em conjunto, a tradução ran expande o número de proteínas produzidas a partir de uma seqüência de DNA repetitiva expandida de um peptídeo para seis peptídeos. Até o momento, a tradução ran foi observada em pelo menos oito diferentes distúrbios de expansão repetitiva8. Os peptídeos RAN são observados em amostras de pacientes pós-morte e somente nos casos em que o paciente carrega uma repetição expandida9,10. Embora esses peptídeos estejam claramente presentes nas células do paciente, sua contribuição para a fisiopatologia da doença não é clara.
Para melhor definir a potencial toxicidade associada aos peptídeos RAN, vários grupos expressaram cada peptídeo em vários sistemas modelo, como leveduras, moscas, camundongos e células de cultura tecidual11,,12,,13,,14,,15,16. Em vez de utilizar a seqüência de repetição para expressão, esses modelos empregam uma abordagem de variação de códon em que a seqüência de repetição é eliminada, mas a seqüência de aminoácidos é preservada. A iniciação da tradução ocorre através de um ATG canônico e o peptídeo é tipicamente fundido a uma proteína fluorescente no N- ou C-terminus, nenhum dos quais parece interferir com a toxicidade do peptídeo RAN. Portanto, cada construção superexpressa um único peptídeo RAN. Modelar os diferentes produtos RAN em um organismo multicelular com ensaios simples para medir a toxicidade do peptídeo RAN é de vital importância para entender como os diferentes produtos RAN de cada expansão repetitiva causadora de doenças contribuem para a disfunção celular e neurodegeneração.
Como outros sistemas modelo, C. elegans fornece uma plataforma experimental flexível e eficiente que permite estudos de novos mecanismos de doença, como a toxicidade do peptídeo RAN. Os worms oferecem vários atributos experimentais únicos que não estão disponíveis atualmente em outros modelos de toxicidade do peptídeo RAN. Primeiro, c. elegans são opticamente transparentes desde o nascimento até a morte. Isso permite a visualização simples da expressão e localização do peptídeo RAN, bem como a análise in vivo da neurodegeneração em animais vivos. Em segundo lugar, os métodos transgênicos para a geração de modelos de expressão de peptídeos RAN são baratos e rápidos. Dado o curto ciclo de vida de três dias de C. elegans,linhas transgênicas estáveis expressando qualquer peptídeo RAN dado de forma específica do tipo celular podem ser produzidas em menos de uma semana. Em terceiro lugar, as saídas pheotípicas simples podem ser combinadas com métodos de triagem genética, como mutagênese química ou triagem RNAi, para identificar rapidamente genes essenciais para a toxicidade do peptídeo RAN. Finalmente, a curta vida útil de C. elegans (~20 dias) permite que os pesquisadores determinem como o envelhecimento, que é o maior fator de risco para a maioria das doenças de expansão repetida, influencia a toxicidade do peptídeo RAN. Juntos, essa combinação de atributos experimentais é incomparável em qualquer outro sistema de modelo e oferece uma plataforma poderosa para o estudo da toxicidade do peptídeo RAN.
Aqui descrevemos vários ensaios que aproveitam as vantagens experimentais de C. elegans para medir a toxicidade dos peptídeos RAN e identificar modificadores genéticos dessa toxicidade. Os peptídeos RAN iniciados pelo códon ATG são marcados com GFP e expressos individualmente em células musculares sob o promotor do mio-3 ou em neurônios motores GABAergic sob o promotor unc-47. Para a expressão em células musculares, é importante que os peptídeos RAN tóxicos sejam marcados com proteína fluorescente verde (GFP), ou outra etiqueta de proteína fluorescente (FP) que pode ser direcionada com um vetor de alimentação RNAi. Isso porque a expressão tóxica do peptídeo RAN geralmente bloqueia o crescimento, tornando tais cepas inviáveis. O uso de gfp(RNAi) inativa condicionalmente a expressão do peptídeo RAN e permite a manutenção de cepas, cruzes genéticas, etc. Para ensaios, esses animais são removidos do gfp(RNAi),que permite a expressão do peptídeo RAN e dos fenótipos resultantes. Além da estratégia molecular para projetar construções de expressão ran-variadas de códon, descrevemos ensaios para medir toxicidade do desenvolvimento (motilidade larval e ensaio de crescimento), toxicidade associada à idade pós-desenvolvimento (ensaio de paralisia) e defeitos morfológicos neuronológicos (ensaio de comissure).