Nokauty na wygraną: jak rozszerzające się CAG napędzają chorobę

Choroba Huntingtona (HD) jest spowodowana dodatkowymi powtórzeniami liter DNA CAG w kodzie genetycznym genu huntingtyny. Kiedyś sądziliśmy, że długości CAG były stabilne w większości tkanek, ale teraz coraz lepiej rozumiemy, że niestabilność CAG przyczynia się do HD. Niestabilność somatyczna to koncepcja, według której powtórzenia CAG rozszerzają się z czasem w niektórych typach komórek, szczególnie w tych, które są podatne w HD. Wielu naukowców uważa, że ten proces może odgrywać rolę w przyspieszaniu rozwoju objawów.

Aktualny artykuł zagłębia się w mechanizmy stojące za tym zjawiskiem, badając, jak ekspansja CAG jest powiązana z chorobą i jak nauka mogłaby wykorzystać geny naprawy DNA jako metodę leczenia HD.

Od ludzi do zwierząt… i z powrotem do ludzi

Nasze obecne zrozumienie zjawiska ekspansji powtórzeń CAG wynika z ogromnych badań na ludziach, w których uczestnicy z HD przekazali próbki i dane kliniczne. Ich wkład umożliwił naukowcom powiązanie subtelnych różnic w genetyce ludzi z wiekiem, w którym rozwinęły się u nich objawy HD. Te badania, znane jako badania asocjacji w skali genomu, czyli GWAS (wymawiane jako 'dżi-łas’), wykazały, że pewne warianty DNA mogą znacznie przyspieszyć lub opóźnić wystąpienie HD.

Wiele genów zidentyfikowanych w tych badaniach, które wymagały dalszych badań, należy do rodziny genów pomagających w naprawie DNA. W ciągu ostatnich kilku lat nastąpił gwałtowny wzrost aktywności, który doprowadził nas do nowych wniosków na temat HD i ekspansji CAG. Oto krótkie podsumowanie, zanim zagłębimy się w nowe dane na ten temat:

• Mechanizm naprawy DNA może się pomylić podczas próby „naprawy” bardzo długich powtórzeń CAG – przypadkowo czyniąc je coraz dłuższymi!

• Nie dzieje się to w większości komórek, ale wydaje się występować często w części mózgu zwanej prążkowiem, która kontroluje nastrój, ruch i motywację. Badanie ekspansji CAG w prążkowiu może przybliżyć nas do zrozumienia, dlaczego te komórki są tak podatne w HD.

• Niektóre badania wykazały, że istnieje próg około 150 powtórzeń CAG, przy którym uszkodzenie komórki zaczyna przyspieszać.

• Eksperymentalne „wyłączenie” czyli genetyczne usunięcie genów naprawy DNA znanych z popełniania błędów na CAG może spowolnić lub nawet zatrzymać ekspansję powtórzeń CAG w laboratoryjnych modelach HD.

• Niektóre z tych genów, jak Msh3, są celami opracowywanych terapii HD dla ludzi – ale wciąż musimy lepiej zrozumieć, jak wpływają one na biologię HD i jakie są konsekwencje (pozytywne i negatywne) ich wyłączenia.

Przygotowanie eksperymentu

Autorzy niedawnego artykułu, pod kierownictwem X. Williama Yanga z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA), przyjęli bezpośrednie i dokładne podejście do zbadania związku między genami naprawy DNA, ekspansją CAG, zdrowiem komórek mózgowych, a nawet zachowaniem.

Wybrali zestaw dziewięciu genów zidentyfikowanych w ludzkich badaniach GWAS, które stanowią część maszynerii wykonującej określony typ naprawy DNA, tego rodzaju, który powoduje „ups” wydłużania CAG. Następnie wykorzystali specjalistyczne techniki genetyki myszy i schematy hodowli, aby stworzyć myszy HD pozbawione jednej lub obu kopii tych genów naprawy DNA.

W każdej z tych myszy HD, którym brakowało genów takich jak Msh3, Pms1, Mlh1 i innych, mogli dowiedzieć się więcej o tym, jak ingerencja w naprawę DNA może wpływać na ekspansję CAG, produkcję komunikatów RNA (specjalność laboratorium), gromadzenie się toksycznej huntingtyny i inne cechy HD. Byli zaskoczeni, gdy odkryli, że niektóre wyłączenia miały głębokie pozytywne konsekwencje, podczas gdy inne nie miały żadnego efektu. To, czego się nauczyli, jest cenne dla naszego zrozumienia biologii HD i rozwoju terapii.

Odwracanie zmian RNA

Nasz DNA jest odczytywany lub „przepisywany” przez wyspecjalizowaną maszynerię w celu tworzenia komunikatów RNA, które są ostatecznie wykorzystywane do produkcji białek, podstawowych składników życia. Istnieje cała gałąź nauki, która bada lokalizację i ilość komunikatów RNA tworzonych z różnych genów – jest to dziedzina transkryptomiki.

Naukowcy mogą zdefiniować zdrowy „transkryptom” myszy, badając tysiące genów i pytając, które są normalnie włączane i wyłączane w różnych komórkach oraz ile każdego komunikatu RNA jest obecne. Następnie mogą sprawdzić, jak to się zmienia u myszy z HD w czasie lub eksperymentować, aby zobaczyć, co może pomóc przywrócić poziomy RNA myszy do normy.

Laboratorium Yanga pracowało z jednym typem myszy modelującej HD, która wykazuje znaczące zmiany w swoim transkryptomie w porównaniu do zwykłych myszy. Wiele genów produkuje więcej lub mniej RNA niż powinno, szczególnie w neuronach kolczystych średnich, komórkach najbardziej podatnych w HD. Gdy laboratorium Yanga „wyłączyło” połowę Msh3 i Pms1 w ich modelu myszy HD, zaobserwowali częściowe odwrócenie zmian RNA w neuronach kolczystych średnich. Gdy Msh3 lub Pms1 zostały całkowicie usunięte, zmiany RNA zostały prawie całkowicie odwrócone, często utrzymując się do roku (połowa życia myszy laboratoryjnej!). Wyłączenie kilku innych genów – Msh2 i Mlh1 – również miało pewne efekty odwracające, ale były one bardziej umiarkowane. Niektóre wyłączenia genów nie miały żadnego efektu.

Członkowie laboratorium Yanga są światowymi ekspertami w badaniu transkryptomiki HD i wykorzystali wiele najnowocześniejszych technik laboratoryjnych oraz różne podejścia statystyczne do potwierdzenia swoich wyników. Zbadali poziomy RNA w wielu komórkach, aż do poziomu pojedynczych komórek, a także przyjrzeli się temu, jak ciasno DNA był nawinięty na swoją „szpulę”, znaną jako chromatyna. We wszystkich przypadkach wyłączenie Msh3 i Pms1 wydawało się odwracać zmiany związane z HD.

Uspokajanie CAG i skupisk

Równolegle laboratorium Yanga mierzyło ilość niestabilności somatycznej – wydłużania się powtórzeń CAG – w różnych częściach mózgu i ciała. W tym typie myszy HD, powtórzenia CAG wydłużają się z czasem, szczególnie w komórkach prążkowia. W rzeczywistości, ta grupa użyła statystyki do określenia tempa, w jakim CAG rozszerza się w tych podatnych komórkach mózgu myszy: to około 8,8 powtórzeń CAG na miesiąc. (Te tempo ekspansji NIE ma zastosowania do ludzi – te myszy zaczynają od 140 powtórzeń i są zaprojektowane do eksperymentów.)

Ekscytującym odkryciem jest to, że gdy myszy miały mniej lub wcale Msh3 lub Pms1, to tempo znacznie spadło. W rzeczywistości, usunięcie obu kopii Msh3 spowolniło to tempo do 0,3 dodatkowych powtórzeń CAG na miesiąc, aż do wieku 20 miesięcy – to praktycznie stabilna długość powtórzeń u starej myszy!

Jednocześnie Yang i współpracownicy zaobserwowali, że myszy HD z połową lub bez Msh3 lub Pms1 miały również znacznie mniej skupisk białka huntingtyny w prążkowiu. Gromadzenie się tych skupisk jest klasyczną cechą HD, którą wielu naukowców podejrzewa o toksyczność dla komórek mózgu. Usunięcie Msh3 zapobiegło tworzeniu się skupisk huntingtyny również w innych obszarach mózgu. Ilość skupionej huntingtyny wydawała się odpowiadać ilości nieprawidłowych zmian RNA, które wcześniej zaobserwowali.

Ponadto, byli w stanie potwierdzić wyniki z innych laboratoriów pokazujące, że wydaje się istnieć próg powtórzeń CAG – około 150 – powyżej którego komórka zaczyna doświadczać większego stresu. Powiązali ten próg z wyższymi poziomami zmian RNA: ekspansja CAG przyspiesza i pogarsza ten stres.

Zapobieganie zmianom w mózgu i zachowaniu

Kochamy matematykę i wielopanelowe tęczowe wykresy, ale jeszcze fajniej jest zobaczyć związek między genetyką a zdrowiem behawioralnym. Jednym ze sposobów, w jaki ta praca stanowi krok naprzód, jest to, że autorzy pokazują, jak wyłączenie genów zapobiegających ekspansji CAG może również wpływać na komórki mózgu i ruch myszy.

Ten typ myszy HD ma tendencję do wykazywania zmian w połączeniach między neuronami, znanych jako synapsy, a także powiększenia komórek podporowych zwanych astrocytami. Myszy mają również problemy z chodem i ruchem. Jednak gdy badacze wyłączyli Msh3, nie obserwowali już żadnych z tych zmian związanych z HD u myszy. To jeszcze bardziej potwierdza rolę Msh3 w HD i sugeruje, że jest to dobry cel dla leków.

Zauważ, że nie było to głównym celem artykułu – przyjrzeli się tylko kilku cechom zdrowia mózgu i jednemu zadaniu behawioralnemu – ale to wciąż obiecujący związek.

Małe kroki napędzają przyszłe terapie

Prawdopodobnie zauważyłeś, że HDBuzz od dłuższego czasu (głośno i często) podkreśla znaczenie niestabilności somatycznej i że przedstawiliśmy wiele podobnych komunikatów: ekspansja powtórzeń CAG wydaje się przyczyniać do HD, a naukowcy zidentyfikowali pewne sposoby walki z nią. Ta praca nie jest wyjątkiem; po raz kolejny, geny takie jak Msh3 i Pms1 są winowajcami, które można „wyłączyć” z wielką korzyścią w mózgach jednego typu myszy HD.

Wszystkie te pojedyncze postępy mogą wydawać się małe, ale publikacje takie jak ta reprezentują lata wspólnej pracy dużego zespołu, kształtowanej przez częste uwagi międzynarodowej społeczności naukowców HD. Wybraliśmy do podkreślenia ten konkretny artykuł, ponieważ łączy kropki między ekspansją CAG, nieprawidłowymi komunikatami RNA a zmianami w zdrowiu mózgu i zachowaniu.

Autorzy przestrzegają, że potrzebujemy znacznie więcej informacji, aby naprawdę zrozumieć związek między Msh3 i Pms1 a objawami HD. Przyznają również, jak zawsze to robimy, że myszy nie są ludźmi. Te myszy w szczególności zaczynają życie ze 140 CAG w każdej komórce swojego ciała, co jest znacznie wyższe niż nawet większość przypadków ludzkiej młodzieńczej HD. Powtórzenia CAG nie rozszerzają się nawet w przybliżeniu tak szybko u ludzi, jak robią to u tych eksperymentalnych myszy.

Niemniej jednak, ich dane, wraz z danymi innych laboratoriów niestrudzenie pracujących nad zrozumieniem HD, stanowią silny argument za opracowaniem terapii opartych na Msh3 i Pms1. I te wysiłki są rzeczywiście w toku!

Dowiedz się więcej

• Różne geny kompleksu naprawy niesparowania wyznaczają tempo ekspansji powtórzeń CAG w neuronach, prowadząc do selektywnej patogenezy u myszy z HD (otwarty dostęp)