Den Boten ausschalten mit Einzelstrang-RNA-Gen-Silencing

Nach riesigen Fortschritten in den letzten Jahren nähern wir uns immer mehr klinischen Studien am Menschen zur Huntingtin-Senkung oder zum „Gen-Silencing“ als potenzieller Behandlung für die Huntington-Krankheit. Neuere, bessere und sicherere Techniken sind immer willkommen, und die Ankündigung des „Einzelstrang-RNA“-Silencing sorgt für ziemliches Aufsehen. Worum geht es dabei?

Gen-Silencing-Medikamente wirken, indem sie den Zellen sagen, das Huntingtin-Protein nicht herzustellen, das die Schäden bei der Huntington-Krankheit verursacht. Dies tun sie, indem sie die Proteinproduktionssysteme der Zellen stören.

Es gibt zwei Haupttypen von Gen-Silencing-Medikamenten: Antisense-Oligonukleotide (ASOs) und RNA-Interferenz (RNAi). Dieser Artikel handelt von RNA-Interferenz.

Während sie so schnell wie möglich auf klinische Studien hinarbeiten, haben Wissenschaftler auch an der Entwicklung einer neuen und hoffentlich verbesserten RNA-Interferenz-Technik gearbeitet. Um die Unterschiede zu bestehenden Techniken zu erklären, müssen wir ein wenig darüber sprechen, wie Gene gelesen werden, um Proteine herzustellen. Bleib dran – es lohnt sich!

Was sind DNA und RNA?

DNA ist der Bauplan für die Herstellung von Menschen. Es ist ein langes Molekül, das aus aneinandergereihten Teilen, den Basen, besteht, die in 4 „Geschmacksrichtungen“ vorkommen – C, A, G und T. Dies sind die Buchstaben, in denen unser genetischer Code geschrieben ist.

Die DNA-„Doppelhelix“ besteht aus zwei Strängen, die nebeneinander liegen. Jeder Strang ist eine Kette von Basen, und die beiden Stränge werden durch chemische Bindungen zwischen den Basen auf gegenüberliegenden Strängen zusammengehalten. A paart sich mit T, und C paart sich mit G.

Um von DNA zu einem Protein zu gelangen, muss eine „Arbeitskopie“ der DNA erstellt werden. Die Kopie wird „Boten“-RNA oder mRNA genannt. RNA ist eng mit DNA verwandt, sieht aber etwas anders aus.

mRNA ist die Vorlage, die einer Zelle sagt, wie sie ein Protein zusammensetzen soll. Immer wenn eine Zelle ein Protein herstellt – einschließlich des Huntingtin-Proteins –, tut sie dies, indem sie die Anweisungen in der mRNA liest, die diesem Protein entspricht.

Das Stören der Huntingtin-mRNA – oder „den Boten ausschalten“ – verhindert, dass das Huntingtin-Protein zusammengesetzt wird, und ist die Grundlage des Gen-Silencing bei der RNA-Interferenz.

OK – zurück zum Gen-Silencing

Bisher haben RNA-basierte Gen-Silencing-Techniken doppelsträngige RNA-Moleküle, sogenannte siRNA, verwendet. Doppelsträngige RNA war bisher notwendig, da Einzelstrang-RNA von den zelleigenen Müllabfuhr-Mechanismen zerstört wird, bevor sie irgendein Silencing bewirken kann.

Sobald sie in den Zellen ist, muss sich die doppelsträngige RNA in Einzelstränge trennen, damit sie an das Huntingtin-mRNA-Botenmolekül binden kann. Dann zersetzt ein Enzym in den Zellen die mRNA, sodass das mutierte Protein niemals hergestellt wird.

Wir wissen, dass diese Vorgehensweise die Menge des in Zellen hergestellten mutierten HD-Proteins drastisch reduzieren kann. Weniger sicher sind wir uns, ob der unerwünschte Strang, der sich abtrennt, schädliche Nebenwirkungen auf Zellen hat. Es besteht die Möglichkeit, dass der Körper den übrig gebliebenen Strang angreift und Schaden verursacht. Eine weitere Möglichkeit ist, dass der übrig gebliebene Strang an andere mRNA bindet und die Herstellung anderer wichtiger Proteine verhindert.

Doppelsträngige siRNA-Moleküle verbreiten sich nicht sehr weit im Gehirn, was die Behandlung großer Gehirnbereiche erschwert.

Eine letzte Schwierigkeit bei doppelsträngigen siRNAs besteht darin, dass sie auf komplizierte Weise verpackt werden müssen, um sie zu den richtigen Geweben zu bringen, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können.

Es gab Studien an Maus- und Affenmodellen der Huntington-Krankheit, die zeigten, dass siRNAs sicher und wirksam sind, aber Wissenschaftler sind ein vorsichtiger Haufen, weil wir uns der Sicherheit wirklich sicher sein müssen, bevor wir wertvollen Menschen Behandlungen verabreichen. Das Letzte, was wir wollen, ist, die HD zu verschlimmern.

Einzelstrang-siRNA

Eine Idee zur Reduzierung des Risikos schlechter Effekte der RNA-Interferenz ist die Herstellung einer Einzelstrang-siRNA. Aber wie könnten wir das Stabilitätsproblem überwinden – diese nervige Angewohnheit von Zellen, das Einzelstrang-RNA-Medikament zu zerhacken?

Nach viel harter Arbeit hat eine Forschergruppe unter der Leitung von David Corey in Dallas, in Zusammenarbeit mit ISIS Pharmaceuticals, gerade bekannt gegeben, dass sie es endlich geschafft haben. Um dir eine Vorstellung von der Begeisterung zu geben, die dies ausgelöst hat, wurde es nicht in einem, sondern in zwei „Back-to-Back“-Artikeln in derselben Ausgabe des Top-Journals Cell bekannt gegeben. Ein ziemlicher Coup!

Durch einige chemische Modifikationen an früheren Versuchen hat Coreys Team eine Einzelstrang-siRNA hergestellt und konnte sie in einer einfachen Salzwasserlösung verpacken. Sie injizierten die Einzelstrang-siRNA erfolgreich in die Flüssigkeitsräume, die das Gehirn in einem Mausmodell der HD umgeben, und konnten zeigen, dass sie an Huntingtin-mRNA bindet und die Herstellung des HD-Proteins verhindert.

Win-Win-Win?

Darüber hinaus verbreiten sich die Effekte der Einzelstrang-siRNA im gesamten Gehirn, im Gegensatz zu zuvor getesteten doppelsträngigen siRNA-Medikamenten, anstatt auf den kleinen Bereich nahe der Injektion beschränkt zu sein. Zumindest bei diesen Mäusen führte Einzelstrang-siRNA zu einer Win-Win-Situation: Sie war stabil und verbreitete sich weiter.

Damit nicht genug, gingen sie noch einen Schritt weiter. Indem sie die Struktur ihres Moleküls leicht veränderten, konnten sie auch eine Einzelstrang-siRNA erzeugen, die nur die Produktion des mutierten HD-Proteins blockierte und die Herstellung der normalen Version des HD-Proteins nicht verhinderte. Dies taten sie, indem sie die siRNA auf den abnormal langen „CAG“-Abschnitt im HD-Gen zielten.

Mit einer Einzelstrang-siRNA müssen wir uns keine Sorgen machen, was ein zweiter Strang tun könnte, und indem wir nur die mutierte Huntingtin-mRNA ansteuern, gibt es weniger Bedenken hinsichtlich der möglichen Auswirkungen, die Produktion des normalen HD-Proteins zu stoppen.

Wie geht es weiter?

Diese neue Methode sieht also in Mausmodellen sicher und wirksam aus. Jetzt müssen wir sicherstellen, dass sie auch in anderen, größeren Tiermodellen sicher und wirksam ist, bevor wir überhaupt in Betracht ziehen, klinische Studien am Menschen durchzuführen. Das geschieht gerade!

Verbleibende Fragen

Einige Fragen müssen beantwortet werden, bevor Einzelstrang-RNA-Interferenz an Menschen getestet werden kann.

Erstens gibt es einige andere Gene mit einem CAG-Abschnitt. Wir wissen noch nicht, ob die Einführung von Einzelstrang-siRNAs, die auf diese CAG-Abschnitte abzielen, unbeabsichtigt andere wichtige Gene ausschalten könnte.

Zweitens, das Lieferproblem. Wie werden wir die wichtigen Teile des Gehirns von Patienten mit Huntington-Krankheit erreichen? Glücklicherweise arbeiten Forscher im Bereich HD und anderer Krankheiten bereits daran. Eine Studie mit einem ähnlichen Medikament aus Einzelstrang-DNA wird gerade bei der Motoneuron-Krankheit (ALS) erprobt.

Schließlich, wie werden wir die Wirksamkeit der Behandlung messen und überwachen? In Tiermodellen können wir dies tun, indem wir Hirngewebe untersuchen und messen, wie viel Huntingtin-Protein hergestellt wird. Dies ist beim Menschen viel schwieriger, aber Top-Wissenschaftler arbeiten daran, und wir glauben, dass wir bereit sind, Studien an Patienten mit Huntington-Krankheit zu beginnen.

Weitere potenzielle Anwendungen für Einzelstrang-siRNA

Ein letzter kleiner Einblick in eine weitere mögliche Anwendung von Einzelstrang-siRNA. Forscher untersuchen auch die Anwendung in Kombination mit der Stammzellenforschung. Im Grunde arbeiten sie daran, Hautzellen von Personen mit Huntington-Krankheit zu entnehmen und diese Hautzellen in Neuronen umzuwandeln. Diese Neuronen könnten dann mit Einzelstrang-siRNAs behandelt werden, um die Spiegel des schädlichen HD-Proteins zu reduzieren, bevor sie wieder ins Gehirn transplantiert werden.

Es wird viele Jahre dauern, bis die Kombination von Einzelstrang-siRNA mit patienteneigenen Stammzellen als Behandlung eingesetzt werden könnte, aber es ist eine gute Idee und es ist gut zu wissen, dass alle Möglichkeiten erforscht werden. In der Zwischenzeit erwarten wir, dass Einzelstrang-siRNA recht schnell in Richtung klinischer Studien voranschreitet.

Mehr erfahren

• Cell-Artikel von Lima und Kollegen, der die Einzelstrang-siRNA-Technik beschreibt (vollständiger Artikel erfordert Bezahlung oder Abonnement)
• Cell-Artikel von Yu und Kollegen über die Anwendung von Einzelstrang-siRNA bei Mäusen mit Huntington-Krankheit (vollständiger Artikel erfordert Bezahlung oder Abonnement)