Auf Fischfang: Proteinnetzwerk-Screening identifiziert neue therapeutische Ziele bei der Huntington-Krankheit

Das mutierte Huntingtin-Protein verursacht Schäden nicht isoliert – alle Proteine arbeiten in verbundenen Netzwerken. Forscher am California Buck Institute for Research on Aging haben ein groß angelegtes Screening durchgeführt, um Proteinnetzwerke zu identifizieren, die möglicherweise die schädlichen Auswirkungen der Huntington-Krankheitsmutation lindern oder verschlimmern. Könnte die Manipulation dieser Netzwerke neue therapeutische Optionen für HD bieten?

Das Huntingtin-Protein: Den Dingen auf den Grund gehen

2013 jährt sich die Entdeckung der genetischen Ursache der Huntington-Krankheit zum 20. Mal. Zum ersten Mal erfuhren Wissenschaftler, dass eine sich wiederholende DNA-Sequenz in einem einzelnen Gen bei Menschen, die an HD erkranken, abnormal lang war. Jedes unserer Gene liefert die Anweisungen, die unsere Zellen benötigen, um ein bestimmtes Protein herzustellen, was im Fall des HD-Gens ein Protein ist, das wir Huntingtin nennen. Die Mutation dieses genetischen Anweisungssatzes führt dazu, dass das Huntingtin-Protein mit einem Fehler aufgebaut wird, was zu subtilen Veränderungen im zellulären Verhalten des Proteins führt. Mit zunehmendem Alter eines Menschen mit HD haben diese Veränderungen schwerwiegende Folgen, insbesondere in den Neuronen des Gehirns.

Diese bahnbrechende Entdeckung ermöglichte es Wissenschaftlern, ihre Bemühungen auf eine sehr spezifische Aufgabe zu konzentrieren: Um die Krankheit wirklich zu verstehen, mussten sie alles über das Huntingtin-Protein selbst lernen. Das bedeutet, nicht nur zu wissen, was das Huntingtin-Protein im Körper eines gesunden Menschen tut, sondern auch, was bei der Krankheit schief läuft.

Was könnte an einem Protein so wichtig sein?

Proteine werden oft als mit spezifischen ‚Funktionen‘ in der Zelle bezeichnet. Um zu verstehen, was das bedeutet, kann es hilfreich sein, sich jede Zelle in unserem Körper als eine geschäftige Fabrik vorzustellen. Es braucht viele verschiedene Menschen, die viele verschiedene Aufgaben erledigen, um den Betrieb einer Fabrik reibungslos am Laufen zu halten. Alle diese Mitarbeiter verfügen über spezifische Fähigkeiten, und wenn eine Person ihre Arbeit nicht richtig macht, ist die Produktivität der gesamten Fabrik gefährdet.

Nun, wenn unsere Zellen wie Fabriken sind, wären Proteine die Mitarbeiter. Genau wie die einzelnen Arbeiter muss jedes Protein eine Reihe von Aufgaben oder ‚Funktionen‘ erfüllen. Wenn das Huntingtin-Protein bei HD mutiert ist, beeinflusst dies die Art und Weise, wie Huntingtin seine Funktionen ausführt.

So wie keine Person jede Aufgabe in der Fabrik erledigen könnte, arbeitet kein Protein völlig allein. Stattdessen existiert es als Teil eines Netzwerks von Proteinen, die miteinander interagieren, um effizient als Team zu arbeiten. Um die Funktion eines Proteins zu verstehen, müssen Wissenschaftler also auch feststellen, welche Beziehung es zu anderen Proteinen in der Zelle hat.

Es wird geschätzt, dass unsere DNA die Anweisungen zur Herstellung von über 30.000 verschiedenen Proteinen liefert. Zu verstehen, wie alle diese Proteine miteinander verbunden sind und wie sie bei HD beeinflusst werden könnten, wird zu einer fast überwältigenden Herausforderung.

Hypothese und Entdeckung

Um mit der Komplexität der modernen Biologie besser umgehen zu können, sind einige Forscher von der traditionellen ‚hypothesengeleiteten‘ Forschung zu einem Ansatz übergegangen, der als ‚discovery-driven‚-Forschung bezeichnet wird.

Eine Hypothese ist eine Vorhersage, die ein Wissenschaftler auf der Grundlage dessen trifft, was er bereits weiß. Eine gute Hypothese ist eine, die leicht getestet werden kann. Hier ist ein einfaches Beispiel: Nehmen wir an, wir stellen die Hypothese auf, dass Katzen es vorziehen, Hühnchen anstelle von Thunfisch zu fressen. Eine Möglichkeit, dies zu testen, könnte darin bestehen, zwei Schüsseln aufzustellen, von denen jede eine der beiden Optionen enthält. Durch das Zählen der Anzahl verschiedener Katzen, die sich jeder Schüssel nähern, werden Beweise geliefert, um die Hypothese entweder zu stützen oder zu verwerfen.

Hypothesengeleitete Forschung funktioniert sehr gut, vorausgesetzt, man weiß bereits einiges über das jeweilige Objekt, das man untersucht. Wenn man jedoch herausfinden will, was ein Protein in einem Netzwerk von Tausenden anderer verschiedener Proteine tut, kann der Fortschritt ziemlich langsam sein, wenn man immer nur eine Frage gleichzeitig stellt. Stellen Sie sich vor, Sie wollten herausfinden, welches das Lieblingsfutter der Katzen von 30.000 Lebensmitteln ist – aber Sie könnten sie immer nur paarweise testen!

Discovery-driven Forschung ist eine Möglichkeit, biologische Prozesse hervorzuheben, die an einer Krankheit beteiligt sein könnten. Man könnte sagen, dass dieser Ansatz nicht Antworten, sondern bessere Fragen generiert. Er sagt Forschern, worauf sie ihre Aufmerksamkeit für zukünftige Studien richten sollen.

Discovery-driven Experimente, sogenannte Screens, umfassen Tausende verschiedener Mini-Experimente, die gleichzeitig durchgeführt werden.

In gewisser Weise ähneln biologische Screens dem Unterschied zwischen dem Fischen mit einem Schleppnetz anstelle einer Angelrute. Es ist eine leistungsstarke Technik, erfordert aber mehr Aufwand, um das Gefangene zu sortieren.

Stummschalten einzelner Gene mit RNAi

Eine neue Studie, die in der Fachzeitschrift PLOS Genetics veröffentlicht wurde und von Dr. Robert Hughes vom California Buck Institute for Research on Aging geleitet wird, beschreibt ein Discovery-driven Screening, das nach Proteinnetzwerken sucht, die von mutiertem Huntingtin betroffen sind. Mithilfe einer Technologie namens RNAi arbeitete Hughes‘ Team daran, einzelne Proteine zu identifizieren, die möglicherweise zu den schädlichen Auswirkungen des mutierten Proteins beitragen.

RNAi steht für RNA-Interferenz und ist eine Form der ‚Gen-Stilllegung‘. RNAi wird verwendet, um den Spiegel eines einzelnen Proteins in der Zelle zu senken. Dies hilft festzustellen, was dieses Protein bewirken könnte und wie wichtig es für andere zelluläre Aktivitäten ist.

RNAi fängt die chemische Botschaft ab, die bei der Herstellung eines Proteins erzeugt wird, und zerstört sie – wodurch verhindert wird, dass das Protein aufgebaut wird. Praktisch jedes Gen und sein entsprechendes Protein können mit RNAi angegriffen werden.

Ein RNAi-Screen und einige toxische Fragmente

Zuerst züchtete Hughes‘ Team Zellen im Labor, die genetisch verändert worden waren, um sie dazu zu bringen, den schädlichsten Teil des mutierten Huntingtin-Proteins zu produzieren. Dieses mutierte Huntingtin-‚Fragment‘ führt dazu, dass die Zellen schneller absterben, wenn nicht die richtigen Nährstoffe verfügbar sind. Die Gesundheit der Zellen kann beurteilt werden, indem man Veränderungen misst, die auftreten, wenn eine Zelle abstirbt.

Um Proteine zu identifizieren, die an den schädlichen Auswirkungen von mutiertem Huntingtin beteiligt sind, verwendeten Dr. Hughes und seine Kollegen eine ‚Bibliothek‘ von über 7.000 RNAi-Chemikalien, von denen jede auf ein anderes Protein abzielte.

Diese 7.000 RNAi-Chemikalien wurden jeweils an einer separaten Charge von Zellen getestet. Auf diese Weise konnten die Forscher die Auswirkungen jedes Proteins analysieren, das ‚ausgeschaltet‘ wurde. Wenn das Stummschalten eines Gens dazu führt, dass die Zellen schneller absterben, deutet dies darauf hin, dass das entsprechende Protein die Zelle normalerweise schützen könnte. Und wenn die Zellen langsamer absterben, bedeutet dies, dass das Protein die Dinge bei HD verschlimmern könnte.

Zahlen knacken

Experimente wie dieses produzieren eine Menge Daten, daher werden Computer verwendet, um sie zu analysieren und zu verstehen. Glücklicherweise wurden viele Proteinnetzwerke bereits mit traditionelleren wissenschaftlichen Ansätzen kartiert.

Der Computer erstellt eine neue Karte und platziert die ‚Hits‘ aus den neuen Daten auf die bestehende Netzwerkkarte. Mithilfe dieser Technik fand Hughes‘ Team einige Netzwerke, die mehr Treffer als erwartet aufwiesen, was darauf hindeutet, dass sie für die Entwicklung der Huntington-Krankheit wichtig sein könnten.

Einige dieser Netzwerke waren bereits aus früheren Studien bekannt, was den Wissenschaftlern das Vertrauen gab, dass ihr Discovery-basierter Ansatz funktionierte. Sie stießen jedoch auch auf Netzwerke, die zuvor noch nicht mit HD in Verbindung gebracht worden waren. Ein Netzwerk insbesondere, das über ein Protein namens RRAS mit Huntingtin verbunden ist, wurde durch das Screening hervorgehoben.

Aufgrund der enormen Zahlen ist es wichtig, separate Folgeexperimente durchzuführen, um die auffälligsten Ergebnisse zu überprüfen. Also führte Hughes‘ Team Experimente in verschiedenen Zellmodellen sowie in einem HD-Fruchtfliegenmodell durch und fand heraus, dass RRAS vor dem Zelltod schützen konnte. Noch besser, sie konnten spezifische Aktivitäten der Proteine innerhalb des Netzwerks identifizieren, die am einfachsten mit Medikamenten angegriffen werden könnten.

Unsere Grenzen kennen

Der aufregendste Aspekt dieser Studie ist, dass sie neue Netzwerke hervorhob, die an der Huntington-Krankheit beteiligt sein könnten. So wie es jedoch kein Fischernetz gibt, das groß genug ist, um den gesamten Ozean zu durchkämmen, wurden bei dieser Arbeit wahrscheinlich einige wichtige Proteinnetzwerke übersehen.

Ein Grund dafür ist das im Screening verwendete Zellmodell. Anstatt Zellen dazu zu bringen, das vollständige mutierte Huntingtin-Gen zu produzieren, entschieden sich die Forscher dafür, nur ein kleines Fragment zu verwenden. Das bedeutet, dass alle Proteine oder Netzwerke, die auf dem vollständigen Huntingtin-Protein basieren, übersehen wurden.

Ein weiterer Grund ist der in den Experimenten verwendete Zelltyp. Diese Arbeit wurde mit kommerziell erhältlichen Zellen namens HEK293 durchgeführt. Diese Zellen sind leicht in großen Chargen für groß angelegte Experimente wie dieses zu züchten. Nachdem sie jedoch so verändert wurden, dass sie so unkomplizierte Eigenschaften haben, verhalten sie sich nicht mehr wie eine normale, gesunde Zelle im Körper – und unterscheiden sich sicherlich sehr von Neuronen.

Um diese potenziellen Schwächen im experimentellen Modell des anfänglichen Screenings auszugleichen, wurden alle RNAi-‚Hits‘ in Zelllinien, die vollständiges Huntingtin produzieren, sowie in komplexeren Fruchtfliegenmodellen der Krankheit erneut getestet. Und das RRAS-Netzwerk wurde in einem HD-Mausmodell untersucht.

Wie geht es weiter?

Diese Arbeit stellt eine große Anstrengung seitens der beteiligten Forscher dar. Biologische Screens erfordern viel sorgfältige Planung! Mit dieser Studie in der Tasche könnte das Team diese Arbeit jedoch fortsetzen, indem es ein ähnliches Screening in Zellen durchführt, die vollständiges Huntingtin enthalten.

Wenn es um die Treffer des aktuellen Screenings geht, gibt es noch so viel mehr zu erforschen. Ein Ansatz könnte darin bestehen, das RRAS-Netzwerk zu untersuchen – oder sogar das Screening zu wiederholen – in ‚genaueren‘ Zellmodellen, wie z. B. Stammzellen, die von echten HD-Patienten gewonnen wurden.

Was auch immer die Zukunft dieser Forschung bringt, dies ist ein gutes Beispiel dafür, wie Discovery-driven Forschung neue Ziele und Ideen generieren kann, vorausgesetzt, wir sind uns der Grenzen der Techniken bewusst. Wir freuen uns darauf, mehr darüber zu erfahren, wie diese neuen Proteinnetzwerke die Entwicklung von HD beeinflussen und wie sie bei der Suche nach Behandlungen manipuliert werden könnten.

Mehr erfahren

• Artikel von Hughes‘ Team in PLOS Genetics (Open Access)