MSH3 traci „kieszeń”: nowe spojrzenie na ekspansję powtórzeń CAG

W chorobie Huntingtona białka naprawcze DNA, takie jak MSH3, mogą czasem przypadkowo sprawiać, że powtórzenie CAG z czasem się wydłuża. Brytyjscy naukowcy wykazali, że celowanie w niewielką kieszeń wiążącą DNA na białku MSH3 spowalnia ten proces, otwierając nową drogę do opracowania terapii.

Choroba Huntingtona (HD) jest wywoływana przez powtarzający się fragment liter DNA, C-A-G, w genie huntingtyny. Od dawna wiemy, że te powtórzenia są szkodliwe, ale w ostatnich latach dowiedzieliśmy się również, że są niestabilne i mogą z czasem nadal się wydłużać. Proces ten, zwany niestabilnością somatyczną, jest coraz częściej uznawany za potencjalny czynnik napędzający HD. Coraz więcej dowodów sugeruje, że gdy powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD wydłużają się w niektórych podatnych neuronach, ostatecznie osiągają toksyczną długość, przyczyniając się do uszkodzenia komórek mózgu i nasilenia objawów.

Jednym z dużych przełomów w rozumieniu niestabilności somatycznej było odkrycie, że białka odpowiedzialne za naprawę uszkodzonego DNA mogą same być kluczowymi czynnikami napędzającymi ten proces. Zamiast chronić genomgenom nazwa nadana wszystkim genom zawierającym kompletne instrukcje wytwarzania organizmu człowieka lub innego organizmu, mogą czasem pomagać powtórzeniom CAG się wydłużać. Celując w „kieszeń” wiążącą DNA jednego z tych białek, MSH3, zespół brytyjskich naukowców pod kierownictwem Sarah Tabrizi wykazał, że można spowolnić ekspansję powtórzeń CAG. Razem eksperymenty te rzucają światło na to, jak MSH3 napędza ekspansję powtórzeń CAG, i sugerują, że być może uda się zakłócić ten proces, zachowując jednocześnie większość normalnych funkcji naprawczych MSH3.

Dlaczego powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD wciąż rosną?

Jak zapewne zauważyli czytelnicy HDBuzz, niestabilność somatyczna stała się jednym z największych obszarów badań nad HD, ale nasze rozumienie tego procesu wciąż ewoluuje. Duże badania genetyczne na ludziach wykazały, że drobne odmiany w zapisie genów naprawy DNA mogą mieć zaskakująco duży wpływ na wiek, w którym pojawiają się objawy HD. Inne wskazówki pochodzą z biologii molekularnej i strukturalnej, modeli zwierzęcych oraz eksperymentów na komórkach, gdzie naukowcy mogą usuwać geny lub subtelnie zmieniać białka i obserwować, co dzieje się z ekspansją powtórzeń CAG.

Wiele z tych badań wskazuje na tę samą grupę białek: maszynerię naprawy DNA komórki. Ich zadaniem jest patrolowanie naszego DNA, wyszukiwanie uszkodzeń i naprawianie błędów, zanim spowodują problemy. Niektóre z tych białek mogą łączyć się w zespoły zwane kompleksami białkowymi, tworząc molekularne maszyny naprawcze DNA. W HD wydają się być jednak zbite z tropu przez wydłużone powtórzenie CAG, które może tworzyć nieoczekiwaną, wystającą pętlę. Zamiast naprawić problem, ich próby naprawy w rzeczywistości wydłużają powtórzenie.

Wciąż nie jesteśmy pewni, dlaczego dokładnie tak się dzieje. Niektórzy naukowcy starają się zrozumieć leżącą u podstaw biologię, podczas gdy inni skupiają się na znalezieniu sposobów przerwania tego procesu, często poprzez ograniczenie lub zablokowanie kluczowych członków tej wadliwej ekipy naprawczej.

Gdzie MSH3 spotyka się z DNA

Jednym z białek, które okazały się kluczowym graczem, jest MSH3. Jest ono częścią ważnego kompleksu naprawy DNA i dobrze radzi sobie z rozpoznawaniem niezwykłych pętli lub wybrzuszeń w DNA. W HD to zadanie zdaje się obracać przeciwko sobie, przyczyniając się do dodawania kolejnych CAG.

Wiemy już, że obniżenie poziomu MSH3 w komórkach i modelach zwierzęcych HD może spowolnić ekspansję powtórzeń CAG. W rzeczywistości kilka firm opracowuje terapie celujące w poziomy MSH3 jako sposób na spowolnienie niestabilności somatycznej, podczas gdy inne koncentrują się na „silnikowej” aktywności molekularnej maszyny MSH3. Ale innym podejściem jest lepsze zrozumienie, w jaki sposób MSH3 dokładnie ociera się o DNA, i czy tę interakcję można przerwać bez całkowitego usuwania białka.

Badania zidentyfikowały niewielką kieszeń wiążącą DNA na MSH3, gdzie rowek na powierzchni białka wchodzi w kontakt z nieprawidłowymi pętlami DNA, takimi jak te powstające w obecności zbyt wielu powtórzeń CAG. W tym badaniu naukowcy wprowadzili drobne zmiany na powierzchni kieszeni, aby zbadać, jak wpływ na wiązanie DNA mógłby zmienić ekspansję powtórzeń CAG. Jeśli ekspansja zostanie zmniejszona, być może uda się zaprojektować leki blokujące tę kieszeń i uniemożliwiające MSH3 chwytanie DNA w niewłaściwym miejscu.

Sprawdzanie kieszeni w praktyce

Aby sprawdzić, czy ta kieszeń wiążąca DNA rzeczywiście ma znaczenie, naukowcy skonstruowali wyspecjalizowany model komórkowy. Komórki te zawierały fragment huntingtyny z wyjątkowo długim odcinkiem powtórzeń CAG (118), który z czasem wydłużał się w przewidywalny sposób. Pozwoliły one również badaczom kontrolować poziomy MSH3 i wprowadzać drobne zmiany w samym białku.

Białka są zbudowane z dwudziestu różnych związków chemicznych zwanych aminokwasami. Dwa z nich, tyrozyna (Y) i lizyna (K), znajdują się obok siebie w kieszeni wiążącej DNA białka MSH3 i pomagają mu rozpoznawać nieregularne pętle DNA. Wykorzystując inżynierię genetyczną, badacze zastąpili te aminokwasy innymi, aby sprawdzić, co się dzieje, gdy MSH3 nie może już w ten sam sposób chwycić DNA.

Wyniki były zaskakujące. Zmiana zaledwie tych dwóch aminokwasów niemal całkowicie zatrzymała ekspansję powtórzeń CAG. Badacze wykazali też, że nie wynikało to z tego, że MSH3 przestało działać w ogóle. Białko nadal powstawało normalnie i wciąż mogło współpracować z innymi białkami w kompleksie naprawy DNA. Zamiast tego zmiany uniemożliwiły MSH3 wiązanie się z nieprawidłowymi pętlami DNA powstającymi w wyniku wydłużonych powtórzeń CAG.

Czy można zablokować tę kieszeń lekiem?

Wykazanie, że kieszeń wiążąca ma znaczenie, to dopiero pierwszy krok. Kolejne pytanie brzmi: czy można w nią celować za pomocą leku? Badacze zwrócili się następnie ku małej cząsteczce o nazwie CP1. Wcześniej wykazano, że związek ten przylega blisko kieszeni MSH3 i zakłóca jej zdolność wiązania DNA. CP1 nie jest lekiem przeznaczonym do leczenia choroby — droga do stworzenia, wyselekcjonowania i przetestowania cząsteczek spełniających takie kryteria jest długa! Zamiast tego można myśleć o nim jako o związku narzędziowym, który naukowcy mogą wykorzystać do badania MSH3.

Aby przetestować CP1, badacze przygotowali eksperymentalną pułapkę. Stworzyli krótki fragment DNA zawierający typ pętli CAG, który MSH3 normalnie rozpoznaje, i wykorzystali go jako molekularną „przynętę”. Zgodnie z oczekiwaniami MSH3 przyczepiło się do przynęty, ale po potraktowaniu CP1 złapano znacznie mniej białka.

To nie była tylko sztuczka biochemiczna. CP1 ograniczył również interakcję między MSH3 a pętlami DNA zawierającymi CAG w żywych komórkach, w tym w neuronach uzyskanych z komórek macierzystych osoby z HD. Co najważniejsze, związek CP1 spowolnił niestabilność somatyczną we wszystkich tych systemach eksperymentalnych.

Bardziej precyzyjne celowanie w MSH3

Od pewnego czasu wiemy, że MSH3 jest atrakcyjnym celem do spowolnienia niestabilności somatycznej, a kilka firm już opracowuje terapie mające na celu obniżenie poziomów MSH3. Jednak ponieważ MSH3 normalnie pomaga naprawiać uszkodzone DNA, istnieją zrozumiałe obawy związane z całkowitym wyłączeniem białka, które pomaga chronić nasz genomgenom nazwa nadana wszystkim genom zawierającym kompletne instrukcje wytwarzania organizmu człowieka lub innego organizmu. Niniejsza praca zbadała inny pomysł: zamiast eliminować MSH3, czy naukowcy mogliby po prostu uniemożliwić mu interakcję z nieprawidłowymi strukturami DNA, które napędzają ekspansję powtórzeń CAG?

Odpowiedź wydaje się twierdząca. Celując w niewielką kieszeń wiążącą DNA, badacze byli w stanie spowolnić niestabilność somatyczną, zachowując przy tym normalną funkcję MSH3, i wykazali to w wielu systemach.

Kilka rzeczy, które warto zapamiętać

Należy wziąć pod uwagę pewne istotne zastrzeżenia. To wciąż bardzo wczesny etap badań. Naukowcy w pomysłowy sposób zaadaptowali istniejące modele i narzędzia, w tym komórki z szybko rozrastającymi się powtórzeniami CAG, regulowalne poziomy MSH3 oraz pętlową „przynętę” DNA, aby zadać ważne pytania dotyczące niestabilności somatycznej. To krok w stronę głębszego zrozumienia, ale potrzeba więcej pracy, aby ustalić, czy wnioski mają zastosowanie w złożonym środowisku mózgu, a ostatecznie u osób z HD.

Mała cząsteczka wykorzystana w badaniu również ma swoje ograniczenia. Choć CP1 wygodnie wsuwa się do kieszeni MSH3, jest to narzędzie badawcze, a nie kandydat na lek, a stosowanie go w wyższych dawkach okazało się nieco toksyczne dla komórek. Choć wyraźnie zakłócił interakcję między MSH3 a DNA zawierającym CAG, wydaje się również nieznacznie obniżać poziomy MSH3, co utrudnia całkowite rozdzielenie tych dwóch efektów. Aby zbliżyć się do zastosowania klinicznego, prawdopodobnie potrzebne będą bardziej selektywne związki.

Pomimo tych ograniczeń badanie to stanowi istotny postęp. Dostarcza dowodów na to, że zakłócenie konkretnej kieszeni wiążącej DNA w MSH3 może wystarczyć, aby spowolnić ekspansję powtórzeń CAG. Praca ta wskazuje kieszeń wiążącą DNA białka MSH3 jako atrakcyjny nowy cel terapeutyczny — i otwiera drzwi do obiecującego nowego kierunku spowalniania niestabilności somatycznej w HD.

Podsumowanie

• MSH3 to białko naprawy DNA, które może przypadkowo sprawiać, że powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD z czasem się wydłużają, co potencjalnie przyczynia się do rozwoju choroby Huntingtona.
• Naukowcy zidentyfikowali niewielką kieszeń na białku MSH3, która pomaga mu chwytać nietypowe struktury DNA powstające w wyniku wydłużonych powtórzeń CAG.
• Zmiana tej kieszeni lub zablokowanie jej za pomocą związku badawczego spowolniło ekspansję powtórzeń CAG w komórkach.
• Może to stanowić nowy sposób na spowolnienie ekspansji powtórzeń CAG bez całkowitego usuwania MSH3, choć potrzeba więcej badań, zanim takie podejście mogłoby stać się terapią.