Nagroda HDBuzz 2025: Kiedy ekipa naprawcza się rozpada: jak wydłużona Huntingtyna zakłóca naprawę DNA

Każda komórka naszego ciała nieustannie naprawia uszkodzenia DNA, do których dochodzi przez całe nasze życie. Podobnie jak miasto wysyła ekipy do naprawy dróg i linii energetycznych, nasze komórki polegają na wyspecjalizowanych białkach, aby utrzymać nasz kod genetyczny w dobrym stanie.

Białko huntingtyny (HTT) stanowi pewną zagadkę, jeśli chodzi o precyzyjne określenie funkcji, w których uczestniczy. Istnieją jednak pewne wskazówki dotyczące jego związku z naprawą DNA. W badaniu przeprowadzonym przez grupę dr Guo Min-Li, naukowcy oparli się na tych wskazówkach, aby odkryć więcej szczegółów na temat HTT: dowiedzieć się, jaki jest jego udział w naprawie DNA komórki i w jaki sposób ekipa serwisowa rozpada się, gdy HTT jest wydłużone w chorobie Huntingtona (HD). Rezultatem jest niekontrolowane uszkodzenie DNA, aktywacja wewnętrznych alarmów immunologicznych komórki i ostatecznie śmierć komórki, co sugeruje, że HTT jest kluczowym graczem w naprawie DNA. Przejdźmy do badania.

Robotnicy wszystkich komórek łączcie się!

HD jest spowodowana ekspansją kodu DNA w powtarzającym się odcinku liter C-A-G genu HTT. Ekspansja zmienia białko HTT, tworząc dłuższą toksyczną wersję znaną jako wydłużona HTT.

Podczas gdy naukowcy od dawna wiedzą, że wydłużona wersja jest szkodliwa, badacze wciąż odkrywają, w jaki dokładnie sposób ekspansja zakłóca role HTT w funkcjonowaniu komórek i co się dzieje, gdy role te nie są spełniane.

Wydłużone powtórzenie nie jest stabilne i może wydłużać się jeszcze bardziej w niektórych typach komórek, zwłaszcza w mózgu, w procesie zwanym ekspansją somatyczną. Oznacza to, że w tych komórkach powstają jeszcze bardziej rozbudowane wersje białka HTT.

Naukowcy skupili się na uszkodzeniach DNA i jak funkcjonuje proces jego naprawy u osób z HD. Jednym ze sposobów uszkodzenia DNA jest tzw. pęknięcie dwuniciowe – poważne uszkodzenie, w którym obie nici DNA zostają przerwane, tak jak wtedy, gdy spadające drzewo zrywa linię energetyczną lub blokuje drogę. Aby to naprawić, komórka rekrutuje białka naprawcze DNA. W celu naprawy pęknięć zespół białek współpracuje, przy czym każde białko ma określone zadania i obowiązki. W tym badaniu naukowcy skupili się na 3 członkach tej załogi naprawczej DNA w HD:

EXO1 – białko, które przycina uszkodzone końce DNA, aby przygotować je do naprawy. Pomyśl o nim jak o podekscytowanym nowicjuszu z młotem pneumatycznym czy siekierą, świetnym w przygotowaniu miejsca do właściwej naprawy, ale potrzebującym wskazówek, by nie uciął zbyt dużo.

MLH1- współpracuje ze swoim partnerem PMS2, aby pomóc koordynować naprawę DNA i kontrolować przycinanie DNA wykonywane przez EXO1. MLH1 jest jak doświadczony członek załogi, który trzyma żółtodzioba w ryzach i upewnia się, że projekt naprawy pozostaje na właściwym torze.

HTT – szef we własnej osobie! Według tego badania HTT znajduje się w miejscu naprawy DNA. Utrzymuje płynne działanie całej załogi, wydając rozkazy i wchodząc w bezpośrednią interakcję z EXO1, aby utrzymać jego aktywność w ryzach. HTT kontaktuje się również z MLH1, aby zespół mógł prawidłowo zakończyć pracę.

Kiedy ekipa naprawcza się rozpada

Co więc dzieje się, gdy HTT ulega ekspansji w HD? W zdrowej komórce HTT jest jak szef w ruchliwym miejscu naprawy, utrzymując ekipę naprawczą DNA w harmonii. Aby zbadać, jak zmienia się to w HD, naukowcy zastosowali „koimmunoprecypitację” – fantazyjny sposób na powiedzenie, że wyciągnęli HTT z komórek, aby zobaczyć, jakie inne białka towarzyszą w tym procesie. W mysich i ludzkich komórkach bez ekspansji HD, EXO1 i MLH1 zostały znalezione razem z HTT, co wskazuje na ścisłą współpracę.

Jednakże, gdy zbadano mysie komórki mózgowe, a także ludzkie komórki z ekspansją HD, ekipy naprawczej nie znaleziono w pobliżu wydłużonego HTT. W tych komórkach wydłużone HTT wydaje się lenić i ignoruje obowiązek utrzymywania EXO1 w ryzach, ani nie kontaktuje się z MLH1, co prowadzi do upadku całej ekipy naprawczej.

Bez szefa na czele, EXO1 przycina końce DNA zbyt agresywnie, pozostawiając miejsce naprawy w złym stanie. Naukowcy odkryli, że MLH1 wypada z gry, trochę tak, jakby odchodził z pracy, dodatkowo osłabiając całą operację naprawy. W ludzkich i mysich modelach komórkowych ocenianych przez naukowców, ten podwójny cios pozostawił uszkodzone końce DNA oznaczone markerem uszkodzenia DNA o nazwie γ-H2AX i stos „szczątków” DNA rozrzuconych wokół miejsca pracy.

cGAS-STINGs wkracza do akcji

Dla komórki luźne „szczątki” DNA są jak znalezienie podejrzanego materiału porzuconego w środku miasta; uruchamiają alarmy układu odpornościowego. Ponieważ wydłużone HTT nie jest w stanie skoordynować ekipy naprawczej, a komórka jest pełna uszkodzonych fragmentów DNA, uruchamia się szlak sygnalizacyjny cGAS-STING. Szlak ten jest wbudowanym systemem odpowiedzi, który normalnie wykrywa obce DNA, takie jak wirusy lub bakterie. Po aktywizacji uruchamia odpowiedź zapalną na tych „najeźdźców”. W HD, komórka mylnie identyfikuje szczątki DNA jako obce, a odpowiedź indukowana przez cGAS-STING powoduje zniszczenie i śmierć komórki.

Naukowcy przetestowali to na kilku modelach. Użyli zmodyfikowanych komórek mysich zawierających ekspansję HD, ludzkich komórek od pacjentów z HD i komórek neuronopodobnych od myszy. W każdym przypadku komórki z wydłużonym HTT miały wyższy poziom „śmieci” DNA, a tym samym aktywowały szlak cGAS-STING, co prowadziło do śmierci komórki. Kiedy usunięto cGAS lub STING z komórki, alarmy ucichły, stan zapalny zmniejszył się, a przeżywalność komórek poprawiła się! Podobne obserwacje miały miejsce po usunięciu EXO1 z dodatkową korzyścią w postaci mniejszej ilości „śmieci” DNA.

Odkrycia te pokazują, że wydłużone HTT nie jest w stanie koordynować EXO1 i MLH1. Ten błąd nie tylko pozostawia uszkodzenia DNA nienaprawione, ale także aktywnie uruchamia szlak cGAS-STING, który może prowadzić do śmierci komórki.

Niewyjaśnione kwestie dla HTT w miejscu naprawy

Co w takim razie wiemy i co te odkrycia oznaczają dla przyszłych prac? Badanie to oferuje nowe wyjaśnienie tego, w jaki sposób wydłużone HTT przyczynia się do uszkodzenia komórek w HD. Wydłużone HTT nie wykonuje krytycznej pracy, jeśli chodzi o naprawę DNA, ale pozstaje wciąż wiele niewiadomych. Chociaż ekspansja HTT sprawia, że zespół naprawczy DNA jest w rozsypce w przypadku pęknięcia dwuniciowego, nie wiemy jeszcze, czy lub w jaki sposób ten problem może przyczynić się do ekspansji somatycznej, procesu, który uważa się za napędzający progresję HD.

Kolejną otwartą kwestią jest to , kiedy następuje awaria w naprawie DNA. Czy niewydolność wydłużonego HTT w koordynowaniu naprawy ma miejsce od urodzenia, powoli zwiększając stres w komórkach osób z HD, czy też pojawia się nagle po pewnym etapie choroby lub wyzwalaczu? Nadal nie wiemy, czy zakłócenie spowodowane wydłużonym HTT jest stopniowym procesem, czy też przyspiesza w określonych momentach HD.

Z terapeutycznego punktu widzenia odkrycia te wzbudzają kilka intrygujących pytań i możliwości. Czy celowanie w aktywację szlaku cGAS-STING może pomóc w zapobieganiu szkodliwej aktywacji immunologicznej i śmierci komórek w HD? Dodatkowo, co te odkrycia oznaczają dla metod obniżania HTT, które są obecnie testowane klinicznie?

Wyzwaniem na przyszłość jest ograniczenie uszkodzeń powodowanych przez wydłużone HTT zachowując jednocześnie podstawowe zadania normalnego białka HTT. Odkrywając potencjalną rolę HTT w naprawie DNA, badanie to podkreśla, jak ważne jest odkrycie podstawowej biologii HTT. Każde nowe spostrzeżenie buduje fundament, który ostatecznie utoruje drogę dla możliwych terapii zdolnych do zmiany przebiegu HD.

W skrócie: najważniejsze wnioski

• Problem: W HD, wydłużone białko HTT traci niektóre ze swoich normalnych funkcji. Jedną z nowo zidentyfikowanych ról HTT jest nadzorowanie naprawy DNA i utrzymywanie współpracy białek naprawczych DNA w celu bezpiecznego naprawiania pęknięć DNA. Bez HTT i jego nadzoru, naprawa DNA przebiega nieprawidłowo.
• Wnioski: Wydłużone HTT nie może utrzymać EXO1 w ryzach lub ustabilizować MLH1, co prowadzi do nadmiernego przycinania końców DNA podczas naprawy DNA i utraty koordynacji naprawy. Powoduje to powstawanie w komórce zabłąkanych fragmentów DNA lub „śmieci”, które komórka myli z infekcją. Te „szczątki” DNA wyzwalają szlak immunologiczny cGAS-STING, powodując szkodliwy stan zapalny i śmierć komórek.
• Przełom: Naukowcy wykazali, że HTT jest bezpośrednim uczestnikiem określonego szlaku naprawy uszkodzeń DNA, zwanego naprawą podwójnych pęknięć nici DNA, nawiązując interakcję z MLH1 i EXO1.
• W laboratorium: Ten łańcuch zdarzeń zaobserwowano w wielu modelach, w tym w mysich i ludzkich liniach komórkowych, a także w mysich komórkach podobnych do neuronów. We wszystkich przypadkach mHTT prowadziło do większych uszkodzeń DNA, większej ilości „śmieci” DNA i silniejszej aktywacji immunologicznej.
• Wyłączenie: Wyłączenie cGAS, STING lub EXO1 zmniejszyło liczbę fragmentów DNA, wyciszyło odpowiedź immunologiczną i poprawiło przeżywalność komórek.
• Dlaczego to ważne: Praca ta łączy wadliwą naprawę DNA z aktywacją immunologiczną w HD i wskazuje na krytyczny udział HTT w naprawie DNA. Terapie obniżające HTT muszą znaleźć równowagę między zachowaniem funkcji a korzyściami terapeutycznymi.

Dowiedz się więcej:

„Zmutowane białko huntingtyny indukuje degradację MLH1, nadrozcięcie DNA i apoptozę zależną od cGAS-STING”,(otwarty dostęp).

Poznaj zwycięzcę konkursu pisarskiego HDBuzz 2025

Mustafa Mehkary jest doktorantem na Uniwersytecie w Toronto, badającym biologię choroby Huntingtona, z naciskiem na ukierunkowanie naprawy DNA i ekspansji somatycznej w celu uzyskania korzyści terapeutycznych. Mustafa jest również założycielem Huntington’s Disease Society of Pakistan, działającego na rzecz zapewnienia wsparcia i zasobów dla rodzin chorych na HD w Pakistanie.

W tym roku nagroda HDBuzz jest przyznawana przez Hereditary Disease Foundation (HDF), która sponsoruje tegoroczny konkurs.