Eine neue Forschungstechnik deutet darauf hin, dass ein antioxidatives Gen anfällige Neuronen schützt

Forscher haben eine neue Technik entwickelt, die es ihnen ermöglicht, Gene zu screenen, die zur Progression der Huntington-Krankheit und anderer neurodegenerativer Erkrankungen beitragen könnten. Dies ist das erste Mal, dass dies im zentralen Nervensystem von Säugetieren möglich ist. Sie nutzten die Technik in einer HD-Maus, um ein antioxidatives Gen, Gpx6, zu entdecken, das Neuronen schützt.

Elegante Modelle für wichtige Fragen

HD-Forscher suchen ständig nach Hinweisen, um die großen Fragen hinter ihrer Arbeit zu erklären. Warum verursacht eine einzelne genetische Mutation eine komplexe und fortschreitende neurologische Erkrankung? Auf welche molekularen Signalwege sollten wir uns konzentrieren, um auf erfolgreiche Behandlungen hinzuarbeiten?

Einfache Modellsysteme, wie Hefe oder Zellen in einer Petrischale, werden oft verwendet, um eine große Anzahl von Genen zu „screenen“, die für Schäden oder Schutz im Verlauf einer Krankheit entscheidend sein könnten. Aber die Erkenntnisse lassen sich nicht immer auf das Nervensystem von Säugetieren übertragen – dies ist ein großes Hindernis für den Forschungsfortschritt.

Kürzlich entwickelte ein Forscherteam eine neue Methode, um Gene zu testen, die im zentralen Nervensystem von Mausmodellen von Krankheiten schützend wirken. Sie beschlossen, ihre neue Technik zum ersten Mal in einer Huntington-Maus einzusetzen und konnten ein Gen entdecken, das wichtig ist, um anfällige Zellen am Leben zu erhalten und ein verbessertes Verhalten zu fördern. Aber woher wussten sie, welche Gene sie untersuchen sollten?

Zuerst das Wichtigste: die Suche nach Veränderungen in alternden Neuronen

Das Forschungsteam wird von Dr. Miriam Heiman vom Broad Institute des MIT und der Harvard University geleitet. Sie konzentrierten sich auf Neuronen im Striatum, einem Bereich des Gehirns, der Funktionen wie Bewegung, Stimmung und Motivation steuert. Striatale Zellen sind in den frühen Stadien der HD am anfälligsten für Degeneration.

Neuronen verändern sich natürlich mit dem Alter, wobei verschiedene Gensätze im Laufe der Zeit an- oder abgeschaltet werden. Das Team untersuchte zunächst normale Mäuse, um die Veränderungen der „Genexpression“ zu verfolgen, die im Striatum während des Alterns auftreten, indem 6 Wochen alte mit 2 Jahre alten Mäusen verglichen wurden. (Normale Labormäuse leben etwa 2 ½ Jahre). Diese Veränderungen können uns sagen, wie sich die Rolle jedes Gens während des Alterns ändert, und Hinweise darauf geben, welche an der Krankheitsprogression beteiligt sind.

Als sie nach Veränderungen der Genexpression unter den Zellen im Striatum einer gesunden Maus suchten, waren die größten Veränderungen, die sie zwischen 6 Wochen alten und 2 Jahre alten Mäusen sahen, in Genen, die oxidativem Stress entgegenwirken, einschließlich eines Gens namens Gpx6.

Ein Antioxidans, das während des Alterns wichtig ist

Gpx6 ist Teil einer Familie von antioxidativen Proteinen. Regelmäßige HDBuzz-Leser erinnern sich vielleicht, dass ein anderes Mitglied der Gpx-Familie, Gpx1, in einem Hefemodell der Huntington-Krankheit als wichtig identifiziert wurde (http://en.hdbuzz.net/156). Welche Rolle spielen diese Proteine, die in der HD-Forschung immer wieder auftauchen?

Antioxidantien wirken oxidativem Stress entgegen, der durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS), ein Nebenprodukt des normalen Stoffwechsels, verursacht wird. Oxidativer Stress nimmt während des Alterns zu – und noch mehr bei Krankheiten. (Für einen Überblick über oxidativen Stress und wie er zur Behandlung der Huntington-Krankheit eingesetzt wird, schau dir diesen früheren HDBuzz-Artikel an: http://en.hdbuzz.net/107).

Nachdem sie einige wichtige altersbedingte Genexpressionsänderungen in der anfälligsten Hirnregion bei der Huntington-Krankheit, dem Striatum, entdeckt hatten, waren die Forscher bereit, ihre neue Technik in einem Mausmodell der HD auszuprobieren.

Einführung von SLIC

Die Methode heißt SLIC, kurz für „synthetic lethal in the central nervous system“ (synthetisch letal im zentralen Nervensystem). Die Idee hinter der „synthetischen Letalität“ ist, dass manchmal eine Kombination aus zwei genetischen Veränderungen schädlicher ist als jede der Veränderungen allein. Ähnlich wie bei einer Wippe auf dem Spielplatz, auf der Kinder auf jeder Seite balancieren, gibt es ein Gleichgewicht der Genexpression, das eine Zelle gesund hält. Eine Mutation allein reicht möglicherweise nicht aus, um die Wippe aus dem Gleichgewicht zu bringen. Aber wenn Mutationen in zwei verschiedenen Genen in derselben Zelle vorliegen, ist es, als würde man zwei zusätzliche Kinder von einem Ende nehmen: Das Gleichgewicht ist gestört und diese Zelle stirbt viel wahrscheinlicher, als wenn nur eine dieser Mutationen allein vorgenommen worden wäre.

Wir können uns die Huntington-Krankheitsmutation als ein großes Kind auf der Wippe vorstellen: Jedes HD-Neuron wurde bereits im Gleichgewicht in Richtung Degeneration verschoben. Mit der SLIC-Technik in einem gängigen HD-Mausmodell namens R6/2, das menschliches Huntingtin mit der sich wiederholenden CAG-Mutation enthält, fragten die Autoren: „Welche Gene haben genug Gewicht, um dieses Gleichgewicht auszugleichen?“ Wenn expandiertes Huntingtin auf einem Ende einer Wippe sitzt und viele Gene auf dem anderen, welches Gen würde, wenn es abspringen würde, die HD-Seite zum Absturz bringen?

Das Prinzip hinter SLIC ist, dass die Forscher viele Gene gleichzeitig „stummschalten“ können, aber nur eines pro Neuron, und sehen, welche in Kombination mit mutiertem Huntingtin letal sind.

Hier ist ihre coole neue Technik, aufgeschlüsselt in drei Schritte.

1) Wähle eine Gruppe von Genen aus, die mit kurzen Haarnadel-RNAs (shRNAs) herunterreguliert werden sollen.

shRNAs sind kleine RNA-Sequenzen, die ein Gen „stummschalten“ können, indem sie an die RNA-Botschaft binden, sodass diese nie in Protein übersetzt wird, wodurch das Gen effektiv kurzgeschlossen wird. Die Autoren wählten eine Gruppe von shRNAs aus, die Gene herunterregulieren würden, die für die Huntington-Krankheit und das alternde Striatum wichtig sind. Sie wählten etwa 100 verschiedene Gene zum Stummschalten aus, basierend auf den Genexpressionsänderungen, die sie im Striatum fanden, wie Gpx6, und einigen, die zuvor von anderen Wissenschaftlern identifiziert wurden.

2) Injiziere die ausgewählte Gruppe von shRNAs in das Striatum der HD-Maus.

Um in Neuronen zu gelangen, werden die shRNAs in spezielle Viren verpackt. Dies sind nicht die Art von Viren, die der Maus eine Erkältung verursachen würden – sie werden speziell in der Forschung verwendet, um Moleküle zu liefern, die genetische Veränderungen verursachen. Wenn die Viren in das Striatum der HD-Maus injiziert werden, erhält jedes Neuron eine einzelne shRNA, die ein Gen in dieser Zelle herunterreguliert. Dies geschieht in sehr, sehr vielen Neuronen – etwa 250.000 pro Injektion! Teile das durch die 100 verschiedenen Gene, die sie ausgewählt haben, und sie können testen, was mit 2.500 Zellen mit der HD-Mutation passiert, die ein einzelnes anderes Gen stummgeschaltet haben.

3) Überprüfe, welche Gene den Tod von HD-Neuronen verursachten.

Wenn das Stummschalten eines bestimmten Gens für eine Zelle im Striatum, die bereits die HD-Mutation hatte, besonders schlecht wäre, würde diese Zelle nicht überleben. Die injizierte shRNA würde verschwinden, wenn die Zelle starb, aber in einer lebenden Zelle verbleiben. Durch einen genetischen Sequenzierungstest, um jede shRNA zu detektieren, konnten die Autoren feststellen, welche am schädlichsten waren – einen Monat nach der Injektion wäre viel weniger davon übrig. Dies würde darauf hinweisen, welche Gene für das Überleben anfälliger Neuronen im Striatum bei HD am wichtigsten waren.

Welche Gene waren also am wichtigsten?

Gpx6 stand ganz oben auf der Liste der Gene, die, wenn sie von der Wippe gestoßen wurden, den Tod von Neuronen im Striatum von HD-Mäusen verursachten. Darüber hinaus war das Herunterregulieren von Gpx6 in normalen Mäusen nicht so schädlich für Neuronen wie in HD-Mäusen. Dies ist die Wurzel der „synthetischen Letalität“ – die HD-Genmutation plus Herunterregulierung des schützenden Gpx6 ist ein Doppelschlag, der wirklich schlecht für Neuronen im Striatum ist. Wenn Gpx6 also wirklich wichtig für den Schutz ist, könnte das Hinzufügen von mehr davon die Symptome bei den HD-Mäusen verbessern?

Um dies zu testen, überexprimierten die Forscher Gpx6 im Striatum der HD-Maus – das bedeutet, sie fügten genetisch zusätzliches Gpx6 hinzu. Die Mäuse zeigten Verbesserungen im Verhalten bei zwei Bewegungsaufgaben – keine vollständige Genesung, aber besser als HD-Mäuse, die kein zusätzliches Gpx6 hatten. HD-Mäuse, denen zusätzliches Gpx6 verabreicht wurde, hatten auch weniger Degeneration im Striatum.

Ein bestätigter Forschungspfad und eine neue Methode

Insgesamt stimmen die Ergebnisse dieser Studie mit anderen Forschungen überein, die Gpx6 als wichtig für den Schutz von Zellen bei der Progression der Huntington-Krankheit identifizieren. Es gibt bestehende Medikamente, die die Wirkung von Gpx-Proteinen nachahmen können, was eine wichtige Überlegung ist, wenn man in der Erforschung eines molekularen Krankheitspfades voranschreitet. Verbesserungen im Verhalten der Mäuse in dieser Studie waren bescheiden, deuten aber immer noch darauf hin, dass oxidative Stresswege einen kritischen Forschungsansatz darstellen.

Am wichtigsten ist, dass diese Studie eine neue Methodik, SLIC, einführt, die verwendet werden kann, um relevante molekulare Signalwege in vielen verschiedenen Arten von Krankheitsmodellen im zentralen Nervensystem von Säugetieren zu testen. Dass die Autoren es zuerst in einem Modell der Huntington-Krankheit testeten, ist ein Beweis für die Stärke der Forschungswerkzeuge und der kollaborativen Anstrengungen der HD-Gemeinschaft.

Mehr erfahren

• Synthetisch-letales Screening im zentralen Nervensystem von Säugetieren identifiziert Gpx6 als Modulator der Huntington-Krankheit. (Vollständiger Artikel erfordert Bezahlung oder Abonnement)