Badanie jąkania: Czego uczy nas 900 000 genomów o rosnących powtórzeniach DNA

Naukowcy intensywnie badają genetykę choroby Huntingtona (HD) od czasu odkrycia odpowiedzialnego za nią genu w 1993 roku. W przeciwieństwie do wielu innych chorób genetycznych, gdzie zmiana jednej lub kilku liter DNA może wystarczyć do wywołania choroby, HD jest wynikiem ekspansji trójnukleotydowej sekwencji (CAG), która wielokrotnie powtarza się w genie huntingtyny (HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15). Kiedy to genetyczne „zająknięcie” staje się zbyt długie, zazwyczaj 40 lub więcej powtórzeń CAG, zapoczątkowuje HD. Niedawno naukowcy odkryli, że powtórzenie CAG może nadal rozszerzać się w komórkach ludzi przez całe życie. Ten ciągły wzrost genetycznego zająknięcia CAG w genie HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15 jest prawdopodobnie kluczowym krokiem w określaniu, kiedy choroba się rozpoczyna.

Ale HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15 nie jest jedynym genem zawierającym niestabilne genetyczne jąkanie. Zespół kierowany przez dr Po-Ru Loha z Uniwersytetu Harvarda przeanalizował genomy ponad 900 000 osób, żeby zbadać zachowanie innych powtórzeń DNA. Ich odkrycia ujawniły, że ekspansje powtórzeń są powszechne i mogą być kontrolowane przez podobne szlaki molekularne.

Czy genetyczne jąkanie jest powszechne?

Chociaż naukowcy wiedzą, że powtórzenie CAG w HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15 może rosnąć w ciągu życia danej osoby i zmieniać liczbę między pokoleniami, mniej wiadomo, czy jest to powszechne dla innych powtórzeń. Ludzki genomgenom nazwa nadana wszystkim genom zawierającym kompletne instrukcje wytwarzania organizmu człowieka lub innego organizmu zawiera setki tysięcy krótkich powtarzających się sekwencji DNA. Czy te powtórzenia również rosną (lub kurczą się) wraz z wiekiem lub między pokoleniami? Jeśli tak, czy mogą być związane z innymi chorobami ludzkimi? Czy może istnieć wspólny podstawowy proces komórkowy, który działa nieprawidłowo i powoduje to genetyczne jąkanie? To są pytania, na które dr Loh i współpracownicy postanowili odpowiedzieć.

Poszukiwanie powtórzeń wśród prawie miliona genomów

Mierzenie genetycznych zająknięć brzmi prosto w teorii, ale dokładne identyfikowanie powtórzeń u prawie miliona ludzi jest technicznie niezwykle trudne. Wyobraźmy sobie, że próbujemy policzyć, ile razy to samo słowo pojawia się w zdaniu, takim jak „ten ten ten ten ten ten”. Teraz wyobraźmy sobie, że czcionka ma rozmiar 0,0001 (czcionka molekularna!). Jeśli jeden „ten” zostanie dodany lub usunięty, zaskakująco trudno jest stwierdzić, gdzie to nastąpiło lub ile dokładnie kopii jest obecnych.

Badanie DNA wymaga od naukowców przygotowania go za pomocą serii reakcji chemicznych, w tym reakcji z udziałem enzymów, które tworzą wiele kopii DNA. Proces ten stwarza kolejny problem: enzymy kopiujące często dodają dodatkowe powtórzenia, które nie były obecne w oryginalnej próbce. Aby sprostać tym wyzwaniom, dr Loh i jego zespół opracowali wyrafinowane metody obliczeniowe i statystyczne do identyfikacji i odfiltrowywania tych „fałszywych” powtórzeń. Następnie wykorzystali pozostałą próbkę do oszacowania długości powtórzeń dla około 350 000 lokalizacji w genomie.

Powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD w całym genomie

Zespół rozpoczął od poszukiwania powtórzeń CAG. Chociaż istnieje wiele innych typów powtarzającego się DNA, wiadomo już, że powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD powodują kilka chorób, w tym HD. Badacze zidentyfikowali 18 lokalizacji, w których niektórzy ludzie mieli niezwykle długie powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD, co może wskazywać na wystąpienie ekspansji. Jedną z najczęstszych ekspansji była w genie o nazwie TCF4, gdzie rozszerzone powtórzenie znaleziono u prawie 9% uczestników badania. Znalezienie długiego powtórzenia niekoniecznie oznacza, że powoduje ono chorobę, ale pokazuje, że powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD lubią rosnąć. Zespół znalazł również 15 lokalizacji, w których powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD zmieniały długość między pokoleniami, podobnie jak w HD. Te wyniki sugerują, że genetyczne jąkanie obserwowane w HD może być częścią szerszego wzorca genetycznego.

Po ustaleniu, że niektóre powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD są dłuższe niż oczekiwano i mogą wydłużać się między pokoleniami, następnym dużym pytaniem było, czy którekolwiek z nich rosną w ciągu życia danej osoby. Jest to kluczowe pytanie, ponieważ uważa się, że wzrost powtórzeń CAG w czasie przyczynia się do wystąpienia HD. Spośród 15 badanych powtórzeń CAG, 4 wykazały tę „ekspansję zależną od wieku”. Jedno odkrycie było szczególnie nieoczekiwane: osoby posiadające rozszerzone powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD w genie zwanym GLS miały około 14-krotnie zwiększone ryzyko wystąpienia ciężkiej choroby nerek. Sugeruje to, że ekspansje powtórzeń mogą przyczyniać się do większej liczby chorób, niż obecnie wiemy, a odkrywamy je dopiero teraz, ponieważ powtórzenia są trudne do zauważenia w DNA.

Dlaczego genetyczne jąkanie rośnie?

Wyobraźmy sobie zepsutą drukarkę, która ma problemy ze zdaniami zawierającymi powtarzające się słowa („może może może może może może”). Za każdym razem, gdy zdanie jest ponownie drukowane, dodawane są dodatkowe „może” – powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD zachowują się podobnie. Ponieważ każde CAG wygląda identycznie jak następne i poprzednie, maszyny komórkowe czasami się ślizgają, gubią swoje miejsce i dodają dodatkowe kopie, powodując, że genetyczne zająknięcie zmienia długość w czasie.

Badacze chcieli zrozumieć, dlaczego powtórzenia niektórych osób rozszerzały się szybciej niż innych. Skupili się na rozszerzonych powtórzeniach w genie o nazwie TCF4, ponieważ były powszechne i bardzo zróżnicowane w komórkach krwi. Przeszukując cały genomgenom nazwa nadana wszystkim genom zawierającym kompletne instrukcje wytwarzania organizmu człowieka lub innego organizmu, zespół znalazł 7 zmian genetycznych, które wydawały się śledzić ekspansję TCF4. Co ekscytujące, cztery z tych lokalizacji znajdowały się w genach naprawy DNA (MSH3, FAN1, ATAD5 i PMS2), które już wcześniej były powiązane z ekspansją powtórzeń CAG w HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15. Te odkrycia wzmacniają dowody, że geny naprawy DNA odgrywają kluczową rolę w kontrolowaniu ekspansji powtórzeń.

Próg zwalniający dla ekspansji powtórzeń

Badania wykazały również, że niewielkie przerwanie w genetycznym zająknięciu może spowolnić wzrost powtórzeń CAG. Wyobraźmy sobie sekwencję „może może może może może”. Ponieważ każde słowo jest takie samo, maszyneria kopiująca DNA łatwo gubi swoje miejsce. Teraz wstawmy inne słowo „może może tak może może”. To niewielkie przerwanie działa jak próg zwalniający, przerywając powtarzalny wzorzec i pomagając maszynerii DNA śledzić swoją lokalizację. Na przykład w genie TCF4, 18 powtórzeń CAG z jednym niewielkim przerwaniem rozszerzało się 135 razy wolniej niż 18 powtórzeń CAG bez przerwania.

Przerwy w sekwencji takie jak ta są bardzo istotne dla HD. Choć jest to niezwykle rzadkie, osoby z przerwami w powtórzeniach CAG mają znacznie późniejszy wiek wystąpienia choroby niż oczekiwano. A naukowcy już ciężko pracują, żeby opracować terapie genetyczne niszczące powtórzenia.

Co to oznacza dla HD?

Jednym z głównych wniosków z tych badań jest to, że powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD mają naturalną tendencję do wzrostu, a część tej samej maszynerii naprawy DNA wpływa na tę ekspansję w różnych genach. Udział maszynerii naprawy DNA zarówno w TCF4, jak i HTTHTT skrócona nazwa genu, który powoduje chorobę Huntingtona, ten gen nazywany jest również HD i IT-15 (wraz z wieloma innymi powtórzeniami) mocno wspiera ideę, że te szlaki są kluczowe dla ekspansji powtórzeń – a być może dla wystąpienia choroby. Wciąż nie wiemy, czy ekspansja powtórzeń wraz z wiekiem wywołuje HD, ale te rosnące dowody sugerują intrygujący związek.

Jednym ważnym ograniczeniem jest to, że to badanie mierzyło głównie ekspansję w komórkach krwi. Wzrost powtórzeń w komórkach krwi niekoniecznie oznacza, że te same powtórzenia rosną w mózgu, ponieważ każda komórka gromadzi ekspansje w różnym tempie i w sposób zależny od złożonych procesów komórkowych.

Niemniej jednak to badanie podkreśla potrzebę terapii genetycznych niszczących powtórzenia oraz leczenia modyfikującego aktywność szlaków naprawy DNA. Oba podejścia są już badane, ale potrzeba więcej badań, żeby określić, czy będą bezpieczne i skuteczne u ludzi.

Podsumowanie

• Naukowcy zbadali powtarzające się sekwencje DNA u ponad 900 000 osób.
• Odkryli, że powtórzenia CAGpowtórzenia CAG Odcinek DNA na początku genu HD, zawiera powtarzaną wiele razy sekwencję CAG; jest wydłużony u osób, które zachorują na HD mogą się rozszerzać między pokoleniami i w ciągu życia danej osoby.
• Niektóre z tych samych genów naprawy DNA wpływają na ekspansję powtórzeń zarówno w TCF4, jak i w genie HD.
• Maleńkie przerwy w powtórzeniach CAG dramatycznie spowolniły ich wzrost, wspierając wysiłki na rzecz opracowania terapii niszczących powtórzenia.
• Większość pomiarów pochodziła z krwi, więc potrzebne są dalsze badania, żeby zrozumieć, jak te odkrycia mają się do mózgu.