Zatrzymać genetyczną kulę śnieżną: Jak proste przerwanie procesu genetycznego spowalnia chorobę Huntingtona

Chociaż zmiana genetyczna powodująca chorobę Huntingtona (HD) prowadzi do kilku problemów w komórkach, badacze uważają, że mogą one wynikać z jednego podstawowego problemu: długość zmiany genetycznej zwiększa się z czasem, jak kula śnieżna nabierająca masy podczas staczania się w dół zbocza. To zjawisko genetyczne, znane jako niestabilność somatyczna lub ekspansja somatyczna, wydaje się być kluczowym czynnikiem napędzającym postęp choroby. W niedawnym badaniu naukowcy opracowali nowy wariant CRISPR, potężnego narzędzia do edycji genów, aby przerwać tę ekspansję genetyczną, potencjalnie torując drogę do nowych możliwości terapeutycznych.

Genetyczna kula śnieżna

HD jest spowodowana zmianą w genie o nazwie HTT, konkretnie tam, gdzie litery genetyczne C-A-G są powtarzane kilka razy. U osób z HD ten odcinek CAG jest dłuższy niż normalnie, uruchamiając śmiertelną reakcję łańcuchową wewnątrz komórek mózgowych. W przeciwieństwie do większości mutacji, które pozostają takie same przez całe życie, powtórzenia CAG w HTT wydłużają się z wiekiem, jak kula śnieżna nabierająca prędkości podczas staczania się w dół zbocza.

W chwili urodzenia większość osób z HD ma około 40 do 50 powtórzeń CAG w swoim genie HTT. Z czasem ta liczba rośnie wykładniczo wewnątrz komórek, czasami przekraczając 500 powtórzeń do czasu pojawienia się objawów! Jeśli początkowe powtórzenie przekracza krytyczny próg (36 powtórzeń), ekspansja zamienia się w rodzaj genetycznej kuli śnieżnej z czasem i zaczyna rosnąć w sposób niekontrolowany.

Jednak HD nie jest osamotniona; należy do szerszej kategorii chorób zwanych zaburzeniami powtórzeń trinukleotydowych – wymyślnej nazwy dla 3 (tri) liter genetycznych (nukleotyd), które się powtarzają (powtórzenie – ok, to było oczywiste…). Wszystkie te zaburzenia mają podobny problem z narastającymi mutacjami. Jednym z takich przykładów jest ataksja Friedreicha, która jest napędzana rosnącym powtórzeniem CTG, które również pogarsza się z czasem.

Obserwacja, że kilka chorób mózgu jest spowodowanych rosnącym powtórzeniem trinukleotydowym, rodzi kluczowe pytanie: Dlaczego rosnące sekwencje trinukleotydowe są tak toksyczne dla komórek mózgowych? Normalnie geny takie jak HTT są wykorzystywane do produkcji RNA posłańcowego, zwanego również mRNA, tymczasowej kopii DNA, która jest używana do wytwarzania białek, maszyn komórki. Jednak długie powtórzenia trinukleotydowe powodują, że RNA skręca się w super-splątane i stabilne węzły, zatykając maszynerię komórki produkującą białka. W miarę jak te splątane RNA stają się dłuższe i bardziej liczne, coraz bardziej zakłócają produkcję białek, ostatecznie przyczyniając się do śmierci komórki.

Przerwanie niestabilności

Co by było, gdyby istniał sposób na przerwanie tego efektu kuli śnieżnej, zanim wymknie się spod kontroli? Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda, pod kierownictwem dr. Davida Liu, postawili hipotezę, że mogą przerwać powtarzającą się sekwencję CAG, po prostu zastępując jeden z CAG podobną, ale nieszkodliwą sekwencją CAA.

Przerywając powtarzające się CAG, nawet podobną sekwencją CAA, podstawowa ścieżka prowadząca do wzrostu CAG z wiekiem może zostać zablokowana! Innymi słowy, wstawienie sekwencji CAA jest jak umieszczenie łaty skał na zboczu, powodując, że kula śnieżna uderza w nie i traci rozpęd!

Liu i jego zespół zostali zainspировani wcześniejszymi badaniami pokazującymi, że przerwania CAA wydają się opóźniać wystąpienie choroby. Zazwyczaj liczba powtórzeń CAG silnie przewiduje, kiedy ktoś rozwinie HD, ale badania genetyczne zidentyfikowały osoby z długimi powtórzeniami, ale opóźnionym wiekiem wystąpienia.

Po dokładniejszym zbadaniu odkryto, że te genetyczne odstępstwa zawierały krótkie przerwania CAA w ich odcinku CAG. Co niezwykłe, te proste przerwania były powiązane z 12-letnim opóźnieniem wystąpienia choroby! Zmotywowani tymi obserwacjami, Liu i jego zespół zastanawiali się, czy mogliby celowo wstawić sekwencje CAA do komórek z genem HD i czy mogłoby to odtworzyć efekt ochronny.

CRISPR rozbija kulę śnieżną

Precyzyjne zmiany genetyczne, takie jak zamiana CAG na CAA, są proste w teorii, ale niezwykle trudne w praktyce. Liu i jego zespół zwrócili się do CRISPR, narzędzia do edycji genów, które działa jak molekularne nożyczki do zmiany określonych sekwencji DNA. Opracowali specjalny typ CRISPR, zwany edycją zasad, który szuka powtórzeń CAG i zamienia niektóre z nich na CAA.

Używając ludzkich komórek rosnących w szalkach Petriego, odkryli, że ich strategia edycji zasad CRISPR skutecznie zmodyfikowała powtórzenie CAG HTT w około 80% komórek, bez oznak toksyczności. Jeszcze bardziej obiecujące było to, że odkryli, iż te proste przerwania CAA wydawały się zatrzymywać ekspansje powtórzeń CAG po 30 dniach. Zauważyli nawet, że komórki edytowane CRISPR wydawały się rosnąć szybciej i wyglądać zdrowiej!

Ponieważ ten typ CRISPR celuje we wszystkie powtórzenia CAG (nie tylko w tym w HTT) i wprowadza do nich również przerwania CAA, musieli potwierdzić, że inne geny nie zostały przypadkowo zakłócone. W sumie znaleźli około 250 innych genów zmienionych przez CRISPR, prawdopodobnie dlatego, że zawierały podobne powtórzenia CAG. Jednak tylko około 50 z nich jest aktywnych w komórkach mózgowych, a tylko jeden wydawał się być znacząco zakłócony. Chociaż to odkrycie nie wyklucza ryzyka, sugeruje, że niezamierzone edycje raczej nie spowodują poważnych problemów. Niezależnie od tego, minimalizowanie przypadkowych edycji będzie najwyższym priorytetem w przyszłości!

Przerywanie CAG za pomocą CRISPR

Teraz pojawia się duże wyzwanie: Czy zespół może wprowadzić maszynerię CRISPR do komórek w żywym mózgu i skutecznie edytować sekwencje CAG? Zespół Liu użył mysiego modelu HD, który nosi 110 powtórzeń CAG w swoim genie HTT, a to powtórzenie rośnie szybko wraz ze starzeniem się myszy (niestabilność powtórzeń). Aby dostarczyć CRISPR do mózgu, zespół zapakował CRISPR w nieszkodliwy wirus, który działa jak usługa dostarczania genów, wstrzykując narzędzia do edycji genetycznej bezpośrednio do komórek.

Cztery tygodnie po wstrzyknięciu wirusów załadowanych CRISPR do myszy, badacze odkryli, że około 30% komórek wydawało się pobrać narzędzie do edycji genów. Spośród 30% komórek zawierających CRISPR, około 75% wydawało się mieć co najmniej jedno przerwanie CAA w swoim genie HTT. To oznacza, że około 1 na 5 komórek mózgowych skutecznie otrzymało ochronną zmianę genetyczną – nie idealnie, ale obiecujący początek! Po kolejnych 12 tygodniach badacze zbadali długość powtórzeń CAG i odkryli, że ekspansja wydawała się nie tylko zatrzymać, ale niektóre powtórzenia CAG mogły nawet się skrócić!

Aby zbadać, czy ich podejście działa poza HD, badacze powtórzyli swoje eksperymenty w modelach komórkowych i mysich ataksji Friedreicha, innego zaburzenia ekspansji powtórzeń. Ekscytująco, zaobserwowali podobne wyniki: do 55% komórek mózgowych wydawało się zawierać przerwania powtórzeń, a powtórzenia wydawały się stabilne w czasie, nie wykazując oznak ekspansji z wiekiem.

Czy CRISPR przełamie lody?

Łącznie te odkrycia wydają się pokazywać, że narastającą ekspansję powtórzeń w HTT można zatrzymać, a to podejście może nawet mieć zastosowanie do innych zaburzeń powtórzeń. Jednak istnieje kilka powodów do ostrożności. To badanie skupiło się na tym, czy CRISPR może wstawić przerwania CAA i zatrzymać wzrost powtórzeń, ale nie oceniło, czy ta interwencja poprawia objawy lub opóźnia chorobę. Poznanie wpływu tego typu podejścia terapeutycznego na oznaki i objawy HD jest niezbędne do określenia, czy powinno ono być kontynuowane.

Dodatkowo, zmniejszenie niezamierzonych zmian w genach innych niż HTT będzie kluczowe przed przejściem do prób na ludziach. Innym problemem jest dostarczanie – ludzkie mózgi są znacznie większe niż mózgi myszy, a wprowadzenie CRISPR do wystarczającej liczby komórek mózgowych, aby zrobić różnicę, będzie szczególnie trudne.

Niezależnie od tych obecnych ograniczeń, te wyniki są dużym krokiem naprzód. Wraz z postępami w dokładności edycji genów i bardziej skutecznymi metodami dostarczania, CRISPR prawdopodobnie stanie się potężnym narzędziem w walce z HD i innymi chorobami powtórzeń trinukleotydowych.

TL;DR: Najważniejsze wnioski

• Problem: Choroba Huntingtona jest spowodowana mutacją w genie HTT, gdzie powtórzenia CAG rosną z czasem, procesem zwanym ekspansją somatyczną. Ta „genetyczna kula śnieżna” wydaje się pogarszać funkcję komórek mózgowych i napędzać progresję choroby.
• Spostrzeżenie: Nawet małe przerwanie w powtarzającej się sekwencji, takie jak zamiana CAG na podobną i nieszkodliwą CAA, może być w stanie spowolnić lub zatrzymać ekspansję i opóźnić wystąpienie objawów.
• Przełom: Naukowcy użyli udoskonalonego narzędzia CRISPR (zwanego edycją zasad), aby wstawić te potencjalnie ochronne przerwania CAA do genu HTT.
• W laboratorium: W ludzkich komórkach edycja zasad CRISPR działała w ~80% komórek, wydając się zatrzymywać ekspansję i poprawiać zdrowie komórek.
• U myszy: Po dostarczeniu CRISPR poprzez wstrzyknięcie wirusowe, około 20% komórek mózgowych miało ochronne zmiany, a powtórzenia CAG wydawały się przestać rosnąć.
• Bonus: Podobny sukces zaobserwowano w mysich modelach innego zaburzenia powtórzeń, ataksji Friedreicha.
• Haczyk: Potrzeba więcej pracy, aby:
  • Udowodnić poprawę objawów
  • Zminimalizować niezamierzone efekty
  • Skalować dostarczanie do znacznie większego ludzkiego mózgu
• Dlaczego to ważne: Ta praca pokazuje, że CRISPR może być używany do przerywania ekspansji powtórzeń w żywej tkance mózgowej, oferując realną nadzieję na leczenie HD i podobnych zaburzeń genetycznych.

Dowiedz się więcej

Oryginalny artykuł badawczy: „Edycja zasad powtórzeń trójnukleotydowych, które powodują chorobę Huntingtona i ataksję Friedreicha, redukuje somatyczne ekspansje powtórzeń w komórkach pacjentów i u myszy” (otwarty dostęp).