Na ryby: badanie sieci białek identyfikuje nowe cele terapeutyczne w chorobie Huntingtona

Zmutowane białko huntingtyny nie powoduje uszkodzeń w izolacji – wszystkie białka działają w połączonych sieciach. Naukowcy z California Buck Institute for Research on Aging przeprowadzili zakrojone na szeroką skalę badanie w celu zidentyfikowania sieci białek, które mogą łagodzić lub nasilać szkodliwe efekty mutacji choroby Huntingtona. Czy manipulowanie tymi sieciami może oferować nowe opcje terapeutyczne dla HD?

Białko Huntingtyny: Dotarcie do sedna sprawy

Rok 2013 to 20. rocznica odkrycia genetycznej przyczyny choroby Huntingtona. Po raz pierwszy naukowcy dowiedzieli się, że powtarzająca się sekwencja DNA w pojedynczym genie była nieprawidłowo długa u osób, u których rozwija się HD. Każdy z naszych genów dostarcza instrukcji, których nasze komórki potrzebują do wytworzenia określonego białka, które w przypadku genu HD nazywamy huntingtyną. Mutacja tego zestawu instrukcji genetycznych powoduje, że białko huntingtyny jest budowane z błędem, prowadząc do subtelnych zmian w zachowaniu komórkowym białka. Wraz z wiekiem osoby z HD, zmiany te mają poważne konsekwencje, szczególnie w neuronach mózgu.

To przełomowe odkrycie umożliwiło naukowcom skupienie się na bardzo konkretnym zadaniu; aby naprawdę zrozumieć chorobę, musieliby dowiedzieć się wszystkiego, co możliwe o samym białku huntingtyny. Oznacza to poznanie nie tylko tego, co białko huntingtyny robi w organizmie zdrowej osoby, ale także tego, co idzie nie tak w chorobie.

Co może być tak ważnego w jednym białku?

Białka często określa się jako mające konkretne 'funkcje’ w komórce. Aby zrozumieć, co to oznacza, pomocne może być wyobrażenie sobie każdej komórki w naszym ciele jako ruchliwej fabryki. Potrzeba wielu różnych osób wykonujących wiele różnych zadań, aby utrzymać sprawne działanie fabryki. Wszyscy ci pracownicy mają określony zestaw umiejętności, a jeśli którakolwiek osoba nie wykona swojej pracy prawidłowo, produktywność całej fabryki jest zagrożona.

Cóż, jeśli nasze komórki są jak fabryki, białka byłyby pracownikami. Tak jak poszczególni pracownicy, każde białko musi wykonywać zestaw zadań, czyli 'funkcji’. Gdy białko huntingtyny jest zmutowane w chorobie Huntingtona (HD), wpływa to na sposób, w jaki huntingtyna wykonuje swoje funkcje.

Tak jak żadna osoba nie mogłaby wykonać każdej pracy w fabryce, żadne białko nie działa całkowicie samodzielnie. Zamiast tego istnieje jako część sieci białek, które współdziałają ze sobą, aby efektywnie pracować jako zespół. Więc aby zrozumieć funkcję białka, naukowcy muszą również określić, jaką relację ma ono z innymi białkami w komórce.

Oszacowano, że nasze DNA dostarcza instrukcji do zbudowania ponad 30 000 różnych białek. Zrozumienie, jak wszystkie te białka są ze sobą połączone i jak mogą być dotknięte w HD, staje się prawie przytłaczającym wyzwaniem.

Hipoteza i odkrycie

Aby poradzić sobie ze złożonością współczesnej biologii, niektórzy badacze przeszli od tradycyjnych badań 'opartych na hipotezach’ do podejścia zwanego badaniami ’opartymi na odkryciach’.

Hipoteza to przewidywanie, które naukowiec formułuje na podstawie tego, co już wie. Dobra hipoteza to taka, którą można łatwo przetestować. Oto prosty przykład: powiedzmy, że stawiamy hipotezę, że koty wolą jeść kurczaka niż tuńczyka. Sposobem na przetestowanie tego mogłoby być wystawienie dwóch misek, z których każda zawiera jeden z wyborów. Licząc liczbę różnych kotów, które podchodzą do każdej miski, uzyskamy dowody na poparcie lub odrzucenie hipotezy.

Badania oparte na hipotezach działają naprawdę dobrze, pod warunkiem, że już dość dużo wiesz o konkretnej rzeczy, którą badasz. Jednak gdy celem jest ustalenie, co robi białko w sieci tysięcy innych różnych białek, postęp może być dość powolny, gdy zadaje się tylko jedno pytanie na raz. Wyobraź sobie, że chciałbyś dowiedzieć się, które z 30 000 pokarmów jest ulubionym dla kotów – ale mógłbyś testować je tylko po dwa na raz!

Badania oparte na odkryciach to sposób na wyróżnienie procesów biologicznych, które mogą być zaangażowane w chorobę. Można powiedzieć, że to podejście generuje nie odpowiedzi, ale lepsze pytania. Mówi badaczom, na czym skupić uwagę w przyszłych badaniach.

Eksperymenty oparte na odkryciach, zwane badaniami przesiewowymi, obejmują tysiące różnych mini-eksperymentów przeprowadzanych jednocześnie.

Pod pewnymi względami biologiczne badania przesiewowe są trochę jak różnica między łowieniem ryb siecią trałową zamiast wędką. To potężna technika, ale wymaga więcej wysiłku, aby posortować to, co zostało złowione.

Wyciszanie pojedynczych genów za pomocą RNAi

Nowe badanie opublikowane w czasopiśmie PLOS Genetics, kierowane przez dr Roberta Hughesa z California Buck Institute for Research on Aging, opisuje badanie oparte na odkryciach, poszukujące sieci białek, na które wpływa zmutowana huntingtyna. Używając technologii zwanej RNAi, zespół Hughesa pracował nad identyfikacją pojedynczych białek, które mogą przyczyniać się do szkodliwych efektów zmutowanego białka.

RNAi oznacza interferencję RNA i jest formą 'wyciszania genów’. RNAi jest używane do zmniejszenia poziomu pojedynczego białka w komórce. Pomaga to określić, co to białko może robić i jakie jest jego znaczenie dla innych aktywności komórkowych.

RNAi przechwytuje chemiczną wiadomość, która jest produkowana, gdy białko jest tworzone, i niszczy ją – zapobiegając budowaniu białka. Praktycznie każdy gen i odpowiadające mu białko mogą być celem RNAi.

Badanie przesiewowe RNAi i niektóre toksyczne fragmenty

Najpierw zespół Hughesa wyhodował w laboratorium komórki, które zostały genetycznie zmodyfikowane, aby produkowały najbardziej szkodliwą część zmutowanego białka huntingtyny. Ten zmutowany fragment huntingtyny powoduje, że komórki umierają szybciej, jeśli nie są dostępne odpowiednie składniki odżywcze. Stan zdrowia komórek można ocenić, mierząc zmiany, które zachodzą, gdy komórka umiera.

Aby zidentyfikować białka zaangażowane w szkodliwe efekty zmutowanej huntingtyny, dr Hughes i współpracownicy użyli 'biblioteki’ ponad 7000 związków RNAi, z których każdy celował w inne białko.

Każdy z tych 7000 związków RNAi został przetestowany na oddzielnej partii komórek. W ten sposób badacze byli w stanie przeanalizować efekty każdego 'wyłączonego’ białka. Jeśli wyciszenie genu powoduje, że komórki umierają szybciej, sugeruje to, że odpowiadające mu białko normalnie może chronić komórkę. A jeśli komórki umierają wolniej, oznacza to, że białko może pogarszać sytuację w HD.

Przetwarzanie danych

Eksperymenty takie jak ten generują mnóstwo danych, więc do analizy i zrozumienia ich używa się komputerów. Na szczęście wiele sieci białek zostało już zmapowanych przy użyciu bardziej tradycyjnych podejść naukowych.

Komputer tworzy nową mapę, umieszczając 'trafienia’ z nowych danych na istniejącej mapie sieci. Używając tej techniki, zespół Hughesa znalazł niektóre sieci, które miały więcej trafień niż oczekiwano, wskazując, że mogą być ważne dla rozwoju choroby Huntingtona.

Niektóre z tych sieci były już znane z wcześniejszych badań, dając naukowcom pewność, że ich podejście oparte na odkryciach działa. Jednak natrafili również na sieci, które wcześniej nie były wiązane z HD. Jedna sieć w szczególności, połączona z huntingtyną przez białko zwane RRAS, została wyróżniona przez badanie przesiewowe.

Ze względu na ogromne liczby zaangażowane, ważne jest przeprowadzenie osobnych eksperymentów kontrolnych w celu weryfikacji najbardziej uderzających odkryć. Dlatego zespół Hughesa przeprowadził eksperymenty na kilku różnych modelach komórkowych, a także na modelu muszki owocowej HD, i odkrył, że RRAS był w stanie chronić przed śmiercią komórek. Co więcej, byli w stanie wskazać konkretne aktywności białek w sieci, które mogłyby być najłatwiejsze do celowania lekami.

Znając nasze ograniczenia

Najbardziej ekscytującym aspektem tego badania jest to, że wyróżniło ono nowe sieci, które mogą być zaangażowane w chorobę Huntingtona. Jednak tak jak nie ma sieci rybackiej wystarczająco dużej, aby przetrawić cały ocean, niektóre ważne sieci białek prawdopodobnie zostały pominięte w tej pracy.

Jednym z powodów jest model komórkowy użyty w badaniu przesiewowym. Zamiast zmuszać komórki do produkcji pełnej długości zmutowanego genu huntingtyny, badacze zdecydowali się użyć tylko małego fragmentu. Oznacza to, że wszystkie białka lub sieci, które polegają na pełnym białku huntingtyny, zostały pominięte.

Innym powodem jest typ komórek użytych w eksperymentach. Ta praca została wykonana z dostępnymi komercyjnie komórkami zwanymi HEK293. Te komórki są łatwe do hodowli w dużych partiach do eksperymentów na dużą skalę, takich jak ten. Ale po zmianie, aby mieć takie łatwe właściwości, nie zachowują się już tak samo jak normalna, zdrowa komórka w organizmie – i z pewnością są bardzo różne od neuronów.

Aby zrekompensować te potencjalne słabości w eksperymentalnym modelu początkowego badania przesiewowego, wszystkie 'trafienia’ RNAi zostały ponownie przetestowane w liniach komórkowych produkujących pełnej długości huntingtynę, a także w bardziej złożonych modelach choroby na muszce owocowej. A sieć RRAS została zbadana na modelu myszy z HD.

Co dalej?

Ta praca reprezentuje ogromny wysiłek ze strony zaangażowanych badaczy. Biologiczne badania przesiewowe wymagają dużo starannego planowania! Jednak z tym badaniem za pasem, zespół mógłby kontynuować tę pracę, wykonując podobne badanie przesiewowe w komórkach zawierających pełnej długości huntingtynę.

Jeśli chodzi o trafienia obecnego badania przesiewowego, jest jeszcze tak wiele do zbadania. Jednym z podejść mogłoby być zbadanie sieci RRAS – lub nawet powtórzenie badania przesiewowego – w bardziej 'dokładnych’ modelach komórkowych, takich jak komórki macierzyste wygenerowane od rzeczywistych pacjentów z HD.

Niezależnie od tego, co przyniesie przyszłość tych badań, jest to dobry przykład tego, jak badania oparte na odkryciach mogą generować nowe cele i pomysły, pod warunkiem, że pozostajemy świadomi ograniczeń tych technik. Z niecierpliwością czekamy na więcej informacji o tym, jak te nowe sieci białkowe wpływają na rozwój HD, a także jak można nimi manipulować w poszukiwaniu metod leczenia.

Dowiedz się więcej

• Artykuł zespołu Hughesa w PLOS Genetics (otwarty dostęp)