BAC zu den Grundlagen: Ein genaueres Mausmodell für die Huntington-Krankheit

Eine kalifornische Forschungsgruppe hat ein neues Mausmodell der Huntington-Krankheit entwickelt, das der menschlichen HD viel ähnlicher ist als je zuvor. Wie könnte es uns helfen, genau herauszufinden, wie die Mutation HD bei Menschen verursacht?

CAGs und Repeat-Instabilität

Die Huntington-Krankheit (HD) wird dadurch verursacht, dass drei DNA-„Buchstaben“ – C, A und G – im Huntingtin-Gen immer wieder zu oft wiederholt werden. Und je mehr CAGs eine Person in diesem Gen hat, desto früher entwickeln sie im Durchschnitt Symptome der HD.

Was Sie vielleicht nicht wissen, ist, dass bei Menschen mit HD die CAG-Wiederholung instabil ist und dazu neigt, im Laufe ihres Lebens größer zu werden, insbesondere in den Zellen des Gehirns. Wir wissen das schon seit einiger Zeit, aber in den letzten Jahren haben große genetische Studien den Forschungsschwerpunkt wirklich darauf gerichtet, was Wiederholungen instabil macht.

Das liegt daran, dass sie herausfanden, dass Menschen mit einer größeren Tendenz zur Vergrößerung der CAG-Wiederholung im Durchschnitt die Menschen waren, deren HD schneller fortschritt, selbst wenn man die Anzahl der CAG-Wiederholungen berücksichtigte, mit denen ihre Zellen begonnen hatten.

Noch wichtiger ist, dass diese genetischen Studien zeigten, dass fast alle Nicht-Huntingtin-Gene, die das Fortschreiten der HD beeinflussen, wahrscheinlich an der Verursachung oder Verhinderung der Repeat-Expansion beteiligt sind.

Obwohl wir wissen, dass die Repeat-Expansion wichtig ist und letztendlich die neuronalen Schäden verursacht, die wir bei der Huntington-Krankheit sehen, sind wir uns immer noch nicht über alle dazwischenliegenden Schritte im Klaren. Es gibt viele laufende Forschungen mit Zell- und Tiermodellen der Huntington-Krankheit, um diese Frage zu beantworten. Diese Arbeit ist von entscheidender Bedeutung, denn um neue Behandlungen zu entwickeln, müssen wir jeden Schritt der Krankheit verstehen, von der Repeat-Expansion bis zur neuronalen Schädigung.

BAC zu den Grundlagen

Hier kommen William Yang und sein Team von der University of California Los Angeles mit einem neuen HD-Mausmodell namens ‚BAC-CAG‘ ins Spiel. Der Name leitet sich von der Art und Weise ab, wie es hergestellt wurde; BAC steht für „bakterielles künstliches Chromosom“, was beschreibt, wie sie es geschafft haben, das gesamte menschliche Huntingtin-Gen in das Genom der Maus einzufügen.

Normalerweise möchten Wissenschaftler, dass ihr Krankheitsmodell im Laufe der Zeit so konsistent wie möglich ist. Daher hatten frühere HD-Mäuse, die hergestellt wurden, bevor wir erkannten, wie wichtig die Repeat-Expansion ist, DNA-Sequenzen, die so konstruiert waren, dass sie während des gesamten Lebens der Maus stabil waren. Dies geschah durch Unterbrechung des CAG-Abschnitts in der DNA mit „CAA“-Sequenzen. Diese CAAs verändern das Protein, das vom Gen hergestellt wird, nicht, aber sie verhindern, dass die Wiederholung größer wird. Yangs neue BAC-CAG-Maus hat jedoch eine ununterbrochene CAG-Wiederholung – wodurch sie der DNA-Sequenz ähnlicher ist, die wir bei Menschen mit HD sehen.

Wie sehen die neuen Mäuse aus?

Der erste Schritt bei einem neuen Mausmodell der HD besteht darin, zu überprüfen, ob es HD-ähnliche Symptome entwickelt. Tatsächlich entwickelten die BAC-CAG-Mäuse Probleme mit ihren Bewegungen und hatten einen gestörten Schlaf. Beim Menschen ist der Teil des Gehirns, der am frühesten und deutlichsten betroffen ist, eine Gruppe von Gehirnzellen, die als „mittelgroße Stachelneuronen“ bezeichnet werden, in einem tiefen Bereich, der als Striatum bezeichnet wird. Wichtig ist, dass die BAC-CAG-Mäuse einen frühen Verlust dieser Neuronen sowie eine Entzündung in diesem Bereich zeigten. Und genau wie bei der menschlichen HD bildete sich das mutierte Huntingtin-Protein zu Klumpen, sogenannten Aggregaten, in den Neuronen des Striatums der BAC-CAG-Maus.

Wie oben erwähnt, wächst die CAG-Wiederholung im Laufe des Lebens, aber die Rate variiert in verschiedenen Geweben des Körpers. In Teilen, die nicht von HD betroffen sind, ist sie relativ stabil – weshalb sich die CAG-Zahl bei einem Bluttest im Allgemeinen nicht ändert – aber im Striatum kann sie eine enorme Expansion zeigen. Wichtig ist, dass die BAC-CAG-Mäuse, genau wie beim Menschen, eine CAG-Expansion zeigten, die im Striatum am stärksten ausgeprägt war.

Wir wissen, dass im Striatum von Menschen mit HD das sorgfältig gesteuerte Ein- und Ausschalten vieler Gene gestört ist. Frühere ähnliche Mausmodelle zeigten nur einen Bruchteil dieser Störung, aber in BAC-CAG sah Yangs Team eine viel größere Störung und stellte fest, dass sie dem, was wir beim Menschen sehen, sehr ähnlich war.

Verwendung der neuen Mäuse zur Untersuchung der CAG-Instabilität

Nachdem Yang und seine Kollegen gezeigt hatten, dass BAC-CAG-Mäuse das, was wir bei Menschen mit HD sehen, genau nachahmen, konnten sie sich auf die Suche nach dem Zusammenhang zwischen der Repeat-CAG-Instabilität und der Krankheit machen.

Sie erinnern sich, dass frühere Mausmodelle CAA-Unterbrechungen aufwiesen, um die Repeat-Länge stabil zu halten. Sowohl CAG als auch CAA weisen die Zelle an, einen Glutamin-Baustein einzufügen, wenn sie das Huntingtin-Protein herstellt. Unabhängig davon, ob die Wiederholung nur aus CAGs besteht oder einige unterbrechende CAAs aufweist, enthält das Protein eine lange Reihe von Glutaminen.

Als Yang und seine Kollegen viele verschiedene Mausmodelle verglichen, stellten sie fest, dass das Ausmaß der Störung der genetischen Umschaltung von der Anzahl der reinen, ununterbrochenen CAGs im Huntingtin-Gen beeinflusst wurde. Diese Störung hing jedoch nicht mit der Anzahl der Glutamine im Protein zusammen. Das bedeutet, dass die Anzahl der ununterbrochenen CAGs den Verlauf der HD bestimmt. Dies spiegelt das wider, was wir beim Menschen sehen – sagt uns aber immer noch nicht, wie die Repeat-Expansion die Krankheit verursacht.

Bei BAC-CAG-Mäusen stellte Yangs Team fest, dass je mehr Repeat-Expansion im Gehirn vorhanden war, desto stärker waren ihre Bewegungen und ihr Schlaf gestört. Obwohl wir dies aufgrund genetischer Studien an Menschen vermutet haben, ist dies das erste Mal, dass die Repeat-Expansion direkt mit Symptomen bei HD-Mäusen in Verbindung gebracht wurde. Dies untermauert wirklich das Argument, dass die Expansion eine Schlüsselrolle bei der Verursachung der Krankheit spielt.

Was bedeutet das für den Menschen?

Wie könnte also die CAG-Repeat-Expansion HD verursachen? Wir haben lange gedacht, dass dies durch die Herstellung eines Proteins geschieht, das toxisch ist, beispielsweise durch die Aggregation in Zellen und deren Absterben. Es gibt aber auch mehrere andere Möglichkeiten, wie die CAG-Wiederholung in der DNA für das Striatum toxisch sein könnte.

Zum Beispiel gibt es ein paar Schritte zwischen dem Gen und dem Protein, das es herstellt; zuerst werden die Anweisungen in der DNA in ein verwandtes Molekül namens RNA kopiert, und dann wird dieses in Protein „übersetzt“. Yang und seine Kollegen fanden heraus, dass abnormale RNA-Moleküle aus dem Huntingtin-Gen hergestellt wurden, und andere Gruppen haben zuvor gezeigt, dass diese RNA-Moleküle für Zellen toxisch sein können. Sie fanden auch heraus, dass sich RNA aus dem Huntingtin-Gen in Zellen ansammelte – etwas, das nachweislich andere degenerative Erkrankungen wie die myotone Dystrophie verursacht.

Das Lesen von DNA ist normalerweise ein sehr organisierter Prozess, der am Anfang eines Gens beginnt und sich in der richtigen Richtung fortsetzt. Wenn es jedoch einen langen, sich wiederholenden DNA-Abschnitt gibt, wie bei HD, geht die Maschinerie manchmal verloren, und der Prozess beginnt innerhalb der Wiederholung selbst und kann in beide Richtungen verlaufen. Dieses rückwärts gerichtete Lesen kann viele verschiedene Arten von seltsamen kleinen Proteinen erzeugen, von denen einige toxisch sein können. Yang und seine Kollegen zeigten, dass diese kleinen Proteine in den Gehirnen der BAC-CAG-Mäuse produziert wurden, aber dass dies erst spät im Krankheitsverlauf begann, lange nachdem sie begonnen hatten, Symptome zu entwickeln. Sie kamen zu dem Schluss, dass dieser Prozess zu den späten Stadien der HD beitragen könnte, aber es ist unwahrscheinlich, dass er ein wichtiger früher Schritt ist.

Wie geht es weiter?

Wo stehen wir also? Haben wir die Punkte zwischen CAG-Repeat-Expansion und neuronaler Schädigung verbunden? Noch nicht ganz, aber die BAC-CAG-Maus hat uns geholfen herauszufinden, welche Prozesse beteiligt sein könnten und welche weniger wahrscheinlich verantwortlich sind. Diese Maus hat dazu beigetragen, die CAG-Expansion als ein wichtiges frühes Ereignis bei HD zu festigen. Die Repeat-Expansion führt wiederum zu neuronalen Schäden, und die Prozesse auf dem Weg dorthin umfassen wahrscheinlich eine Kombination aus der Störung der genetischen Umschaltung, der Ansammlung von Proteinen in Neuronen, Entzündungen und toxischer RNA.

Es gibt noch viel mehr zu tun, um herauszufinden, welche dieser Prozesse am wichtigsten für die Verursachung der neuronalen Schäden bei HD sind. Und gute Nachrichten – die Medikamente kommen! Neue Behandlungen, die auf die Repeat-Expansion abzielen, werden voraussichtlich noch in diesem Jahr in klinische Studien eintreten, und Yangs Arbeit mit der neuen Maus gibt uns Grund zu der Hoffnung, dass sie wirksam sind, um diese schädlichen Prozesse zu stoppen, bevor neuronale Schäden auftreten.

Mehr erfahren

• Artikel von Yangs Team in der Fachzeitschrift Neuro (Open Access)