Naprawa DNA w chorobie Huntingtona: Nie do końca?

Naukowcy pracują nad zrozumieniem niektórych z najwcześniejszych zmian w naprawie DNA spowodowanych chorobą Huntingtona (HD) – spostrzeżenia, które mogą pomóc w odkryciu nowych środków terapeutycznych i nowych sposobów celowania w ekspansję somatyczną, kluczowy czynnik postępu choroby. Cząsteczka, która pomaga naprawiać uszkodzenia DNA – zwana PAR – jest niższa niż oczekiwano u osób z genem HD. Sugeruje to, że komórki mogą mieć trudności z prawidłową naprawą swojego DNA przed naturalnymi uszkodzeniami, do których dochodzi każdego dnia. Odkrycia te mogą mieć wpływ na zmiany w procesie naprawy DNA, który prowadzi do niestabilności somatycznej. Odkrycie to może pomóc naukowcom zbadać nowe sposoby ochrony komórek mózgowych poprzez wzmocnienie naturalnych systemów naprawczych komórek.

Mutacje i naprawy genetyczne

Termin mutacja genetyczna jest często używany, ale co on właściwie oznacza? Krótko mówiąc, mutacja genetyczna to każda zmiana w literach DNA – instrukcji budowy białek w komórce. Zmiany te mogą zmienić sposób, w jaki kod genetyczny jest odczytywany i wykorzystywany przez komórki, czasami zakłócając funkcjonowanie białek, maszyn molekularnych komórki. Jednym z uderzających przykładów są mutacje w genie HTT, które znacząco zaburzają aktywność kodowanego przez niego białka, prowadząc do HD.

Podczas gdy mutacja powodująca HD jest dziedziczona przy urodzeniu, nasze komórki również gromadzą nowe mutacje wraz z wiekiem. Konsekwencje tych przypadkowych mutacji związanych z wiekiem są trudne do przewidzenia, ale ogólnie rzecz biorąc, przyczyniają się one do chorób związanych z wiekiem, takich jak rak i neurodegeneracja. Na szczęście te związane z wiekiem mutacje są normalne i w większości przypadków są naprawiane zanim spowodują problemy.

Niestety, proces ten nie działa prawidłowo w HD. Poprzednie badania wykazały, że komórki osób z genem HD mają tendencję do gromadzenia większej liczby mutacji w ciągu życia, prawdopodobnie w wyniku wadliwej naprawy DNA. Błędy w mechanizmie naprawy DNA prowadzą do ekspansji somatycznej, procesu biologicznego, który z czasem zwiększa długość powtórzeń CAG w genie HTT w niektórych komórkach. Nowe badanie prowadzone przez dr Raya Truanta i jego zespół z McMaster University zbadało, w jaki sposób mutacja HD zakłóca naprawę DNA i zidentyfikowało głównego podejrzanego: wadliwą PARylację.

Zepsuty moduł sprawdzania pisowni

Komórki są wyposażone w zaawansowane systemy naprawy uszkodzeń DNA, a jednym z kluczowych szlaków jest PARylacja. PARylacja polega na budowaniu długich łańcuchów cząsteczki o nazwie PAR (Poly-ADP-Ribose) na regionach uszkodzonego DNA. Te długie łańcuchy działają jak molekularne uchwyty dla enzymów naprawczych DNA, do których mogą się przyczepić i rozpocząć naprawę DNA. W ten sposób łańcuchy PAR przypominają czerwone linie w dokumencie Worda podkreślające błędy ortograficzne. Jednak, podobnie jak w przypadku zepsutego sprawdzania pisowni, w komórkach HD brakuje wielu takich czerwonych linii, mimo że mają one więcej mutacji.

Aby to zbadać, zespół Truanta najpierw przeanalizował ilość łańcuchów PAR w płynie rdzeniowym, substancji, która kąpie mózg, od osób z HD. Ponieważ łańcuchy PAR są produkowane w odpowiedzi na uszkodzenia DNA, a osoby z HD mają wyższy poziom uszkodzeń DNA, spodziewali się znaleźć więcej łańcuchów PAR.

Jednak to, co odkryli, zaskoczyło ich – osoby z HD miały mniej łańcuchów PAR. Paradoks ten został następnie zbadany przy użyciu komórek od osób z HD, które nie wykazywały podwyższonego poziomu łańcuchów PAR, pomimo podwyższonego poziomu uszkodzeń DNA. Wyniki te sugerują, że maszyny do budowy łańcuchów PAR, a tym samym naprawy DNA, mogą nie być w stanie nadążyć za zapotrzebowaniem!

Nie w PAR

Dlaczego w komórkach HD może być mniej łańcuchów PAR, pomimo większej liczby uszkodzeń DNA? Aby dowiedzieć się dlaczego, naukowcy musieli zbadać leżącą u podstaw maszynerię białkową. PARylacja opiera się na dwóch kluczowych enzymach: PARP, który buduje łańcuchy PAR w celu zainicjowania naprawy DNA, oraz PARG, który przecina je po zakończeniu naprawy.

Naukowcy zapytali więc, czy PARG jest nadaktywny? A może PARP ma zbyt niską aktywność? Po dokładnych badaniach biochemicznych odkryli, że to drugie wydaje się być prawdą – aktywność PARP wydaje się być zmniejszona w komórkach HD, co wyjaśnia niedobór łańcuchów PAR i być może zwiększone tempo mutacji.

Następnie zespół zwrócił uwagę na HTT. Ponieważ białko HTT działa jak rusztowanie, wiążąc się z wieloma innymi białkami, zastanawiali się, czy zmutowana wersja, która powoduje HD, może zakłócać interakcję HTT z białkami PARylowanymi. Ponieważ łańcuchy PAR tworzą się również na białkach oprócz DNA, porównali białka, z którymi HTT wchodzi w interakcje z białkami, o których wiadomo, że są PARylowane. Odkryli, że prawie połowa białek, z którymi HTT wchodzi w interakcje, jest również PARylowana.

Rodzi to podejrzenie, że sam HTT może być modyfikowany przez PAR. Jeśli tak jest, a proces ten jest zmieniany przez zmutowane HTT, może to wyjaśniać różnice w łańcuchach PAR, które zaobserwowano w komórkach HD.

HTT i łańcuchy PAR

Aby sprawdzić, czy HTT oddziałuje z łańcuchami PAR, zespół wykorzystał zaawansowany technologicznie mikroskop do śledzenia, gdzie HTT i łańcuchy PAR znajdują się w żywych komórkach. Chociaż łańcuchy PAR i HTT nie nakładały się na siebie przez większość czasu, nakładały się na chromosomach podczas podziału komórek.

Dodatkowo, gdy wyłączyli produkcję łańcuchów PAR poprzez blokowanie aktywności PARP, HTT nie nakładały się już na siebie, co sugeruje, że łańcuchy PAR mogą prowadzić HTT do chromosomów podczas podziału komórki. Chociaż znaczenie nakładania się łańcuchów HTT i PAR podczas podziału komórki nie było dalej badane, sugeruje to, że może istnieć między nimi funkcjonalna interakcja!

Aby wzmocnić swoje argumenty, naukowcy wykorzystali kilka innych technik w celu potwierdzenia interakcji między łańcuchami HTT i PAR. Po pierwsze, dokładnie przyjrzeli się strukturze molekularnej białka HTT i znaleźli wiele szczelin, które wyglądały tak, jakby mogły pasować do łańcucha PAR. Następnie, przy użyciu mikroskopu o wysokiej rozdzielczości, bezpośrednio wizualizowali łańcuchy PAR produkowane przez PARP z HTT i bez HTT. Zauważyli, że PARP wytwarzał znacznie bardziej skomplikowane łańcuchy PAR, gdy HTT był w pobliżu, co sugeruje, że HTT stymuluje aktywność PARP. Co ważne, zmutowane formy HTT nie miały żadnego stymulującego wpływu na aktywność PARP, co może wyjaśniać zmniejszoną produkcję łańcuchów PAR u osób z HD.

Implikacje dla HD i nie tylko

Odkrycia te dają jasny obraz: w komórkach bez genu HD, HTT stymuluje PARylację i promuje skuteczną naprawę DNA. Jednak w HD zmutowane białko HTT nie stymuluje PARP, co prowadzi do mniejszej liczby łańcuchów PAR, upośledzonej naprawy DNA i akumulacji mutacji, które mogą uczestniczyć w neurodegeneracji.

Odkrycia te są ekscytujące, ponieważ pomagają naukowcom lepiej zrozumieć defekty leżące u podstaw komórek HD, ale co być może ważniejsze, otwierają możliwości terapeutyczne.

Znaczna część zainteresowania PARP wynika z rozgłosu, jaki uzyskał w zupełnie innej dziedzinie badań – raku, gdzie dziesiątki cząsteczek celujących w PARP zostały już wyodrębnione. Ponieważ leki zaprojektowane w celu modulowania aktywności PARP zostały już przetestowane pod kątem bezpieczeństwa, mogą być potencjalnie stosowane w HD, przyspieszając jego drogę do badań klinicznych. Mimo, że wszelkie zmienione leki musiałyby być jeszcze dokładnie przetestowane, badania te otwierają nowe, ekscytujące drogi terapeutyczne, które mogą rozwiązać problem narastania mutacji, krytyczny problem komórek w HD.

Dowiedz się więcej

Oryginalny artykuł badawczy„Sygnał poli-ADP-rybozy jest rozregulowany w chorobie Huntingtona” (otwarty dostęp).