Mapowanie sąsiedztwa: nowi partnerzy białkowi huntingtyny

Dlaczego jeszcze nie wyleczyliśmy choroby Huntingtona? Jednym z powodów jest to, że po dwudziestu latach badań naukowcy wciąż nie rozumieją, co robi ogromne białko huntingtyny – zmutowane u pacjentów z HD. W nowym badaniu grupa Williama Yanga z UCLA zmapowała 'sąsiedztwo’ huntingtyny, aby spróbować wyjaśnić tę kwestię. W trakcie tego procesu odkryli dziesiątki nowych wskazówek do opracowania leków.

Geny, białka i funkcje

Każdy pacjent z chorobą Huntingtona ma mutację w tym samym genie, który naukowcy nazywają 'huntingtyną’. Ten gen, zmutowany lub nie, musi zostać przekształcony w białko, zanim będzie mógł cokolwiek zrobić w komórce. W przypadku zmutowanego genu huntingtyny, białko, które produkuje, powoduje szkody w komórkach.

Geny służą jako plany dla komórek, instruując je, jak tworzyć określone białka. Te białka są molekularnymi maszynami, które wykonują większość pracy sprawiającej, że komórki funkcjonują.

Więc kiedy pytamy „co robi ten gen?”, zwykle tak naprawdę mówimy o funkcji białka, dla którego gen jest planem. Gen huntingtyny mówi komórkom, jak tworzyć białko, które również nazywa się 'huntingtyną’.

Białko huntingtyny jest nieco tajemnicze; po pierwsze, jest ogromne, prawie 6 razy większe niż przeciętne białko w ludzkiej komórce. Po drugie, występuje u wielu zwierząt – nawet tak odległych od nas jak jeżowce i śluzowce mają gen huntingtyny. Kiedy białka występują w wielu różnych gatunkach w ten sposób, naukowcy nazywają je 'zachowawczymi’.

Cokolwiek robi huntingtyna, musi być ważne, skoro jest wymagana przez tak wiele różnych gatunków. Wreszcie, białko to jest bardzo niepodobne do innych białek powszechnie występujących w ludzkiej komórce. Większość białek ma rozpoznawalne domeny, czyli krótkie obszary, które wyglądają jak inne białka, co pomaga nam ustalić, co robią. Huntingtyna nie ma żadnej z tych cech – wydaje się całkowicie unikalna.

Mimo 20 lat badań, sytuacja dzisiaj nie jest znacznie lepsza niż wtedy, gdy odkryliśmy gen powodujący HD. Wiemy, że białko jest naprawdę ważne – myszy, które zostały genetycznie zmodyfikowane tak, aby nie miały genu huntingtyny, umierają przed urodzeniem. Ostre obniżenie poziomu huntingtyny wydaje się również bardzo złe, wiele badań wykazało negatywne skutki w komórkach lub tkankach pozbawionych huntingtyny – szczególnie w tkance mózgowej.

Zrozumienie funkcji poprzez połączenia

Białka generalnie nie są izolowanymi małymi maszynami, unoszącymi się w naszych komórkach i wykonującymi swoje zadania. W rzeczywistości wnętrze komórki bardziej przypomina gęsty, lepki żel niż wodnistą przestrzeń – białka i inne części komórek są ściśnięte razem w gęstej masie, w której białka muszą jakoś funkcjonować.

Białka zwykle funkcjonują w partnerstwie z innymi białkami – czasami dziesiątki, a nawet setki pojedynczych białek współpracują, aby wykonać określone zadanie. Dobrym przykładem jest 'synapsa’ – miejsce połączenia między dwoma komórkami mózgowymi. Synapsy zależą od setek białek, które łączą się w precyzyjny sposób, aby umożliwić jednemu neuronowi rozmowę z drugim.

Ponieważ białko huntingtyny jest tak unikalne, a jednocześnie tak ważne, naukowcy doszli do wniosku, że mogliby lepiej zrozumieć, co ono robi, rozumiejąc, z czym wchodzi w interakcje. Do jakich innych białek przylega huntingtyna, wykonując swoją pracę w komórce? Na przykład, gdybyśmy odkryli, że wszystkie białka, do których przylega huntingtyna, mają zadanie w synapsie, ograniczyłoby to nasze poszukiwania tego, co idzie nie tak w komórkach z HD, do tej konkretnej części komórki.

Wcześniejsze badania tego typu były utrudnione przez fakt, że białko huntingtyny jest po prostu tak ogromne. Najlepsze dotychczasowe wysiłki naukowców polegały na wykorzystaniu małych fragmentów całego genu huntingtyny – cięciu go na kawałki i badaniu, do jakich białek te małe kawałki się przyczepiają.

Jest to trochę jak odcięcie kawałka dużego, skomplikowanego elementu układanki i szukanie miejsc, do których ten mały fragment pasuje. Niektóre z miejsc zidentyfikowanych tą metodą będą prawidłowe, ale duża liczba będzie tym, co naukowcy nazywają „fałszywymi pozytywnymi” – miejscami, do których mały kawałek pasuje, ale całe nienaruszone białko huntingtyny by nie pasowało.

Nowa próba budowy mapy

Technologia badania białek stała się z czasem coraz bardziej czuła. Tak czuła, że grupa naukowców pod kierownictwem Williama Yanga z UCLA w Kalifornii w USA postanowiła spróbować zbudować nową mapę komórkowych sąsiadów białka huntingtyny.

Ich podejście było nieco śmiałe. Zamiast rozdrabniać gen huntingtyny na małe kawałki i umieszczać go w komórkach drożdży, postanowili pójść do źródła. Wyizolowali białko huntingtyny z mózgów myszy – w rzeczywistości z trzech różnych obszarów mózgu – i w kilku różnych okresach życia.

Ich zakład się opłacił – byli w stanie zidentyfikować 747 białek, które wchodzą w interakcje z białkiem huntingtyny w mózgu myszy. 139 z tych białek było wcześniej opisanych jako wchodzące w interakcje z huntingtyną. To dobrze, ponieważ oznacza to, że te wyniki opierają się na tym, co było znane wcześniej i są bardziej prawdopodobne, że są wiarygodne.

To pozostawia 608 nowych białek, z którymi białko huntingtyny wchodzi w interakcje podczas wykonywania swojej pracy w komórce. Ze względu na sposób, w jaki zespół badał białko z różnych obszarów mózgu, mogli również zidentyfikować interakcje, które zachodzą tylko w częściach mózgu szczególnie wrażliwych w HD.

Inną interesującą kategorią interakcji są te, które zachodzą w stosunkowo starych mózgach, ale nie w młodych. Ponieważ HD zwykle dotyka mózgi po kilku latach, te interakcje mogą dostarczyć wskazówek o procesach, które z czasem zaczynają działać nieprawidłowo.

Analiza sieci

Wyobraź sobie, że ktoś wręcza ci listę 608 części samochodowych. Dość trudno jest zrozumieć, co one wszystkie robią, nie znając wszystkich różnych systemów w samochodzie i tego, jak ze sobą współdziałają. Niestety, w przeciwieństwie do samochodu, nikt nie ma kompletnego planu komórek mózgowych.

Aby rozwiązać problem klasyfikacji tej długiej listy partnerów białka huntingtyny, zespół Yanga zwrócił się do zespołu kierowanego przez innego badacza z UCLA, Steve’a Horvatha. Zespół Horvatha specjalizuje się w klasyfikowaniu tego typu list, aby spróbować zrozumieć, co idzie nie tak w systemach biologicznych.

W efekcie, grupa Horvatha specjalizuje się w czymś bardzo trudnym – mając listę części samochodowych, pracują nad próbą odgadnięcia planu samochodu.

Oba zespoły zidentyfikowały szereg systemów w komórkach mózgowych, które ich zdaniem mogą działać nieprawidłowo w mózgach z HD. Byli w stanie dokonać bardzo konkretnych przewidywań dotyczących tego, z którymi białkami huntingtyna będzie współpracować wewnątrz komórki. Wszystkie te przewidywania, które zostały następnie przetestowane, okazały się poprawne – dając nam pewność, że ta nowa mapa jest dokładna.

Czy to ma znaczenie dla pacjentów z HD?

Dzięki wysiłkom tych naukowców mamy teraz znacznie dokładniejszą mapę tego, z jakimi białkami huntingtyna wchodzi w interakcje w mózgu, które z tych interakcji są specyficzne dla określonych regionów mózgu i które zachodzą tylko w starzejących się mózgach.

W HDBuzz zawsze jesteśmy podekscytowani najnowszymi postępami terapeutycznymi – ale fundamentalne badania takie jak to są nadal bardzo ważne. Rozwój następnej generacji terapii opiera się na znacznie lepszym zrozumieniu tego, co dokładnie robi białko huntingtyny i jak to się psuje z powodu mutacji powodującej HD. To badanie przybliża nas do tego zrozumienia i dodaje nowe cele do procesu odkrywania leków.

Dowiedz się więcej

• Oryginalny artykuł w Neuron autorstwa grupy Yanga (pełny artykuł wymaga opłaty lub subskrypcji)