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

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

CAGs und Wiederholungsinstabilität

Die Huntington-Krankheit (HK) wird verursacht, wenn sich drei DNA-„Buchstaben“ – C, A und G – im Huntingtin-Gen zu oft wiederholen. Und je mehr CAGs eine Person in diesem Gen hat, desto früher treten die Symptome der Huntington-Krankheit auf.

Was Sie vielleicht nicht wissen, ist, dass der CAG-Repeat bei Menschen mit Huntington instabil ist und sich im Laufe ihres Lebens vergrößert, insbesondere in den Zellen des Gehirns. Das ist schon länger bekannt, aber in den letzten Jahren haben große genetische Studien den Fokus der Forschung darauf gelenkt, was die Wiederholungen instabil macht.

Das liegt daran, dass Menschen mit einer stärkeren Tendenz zum Wachstum der CAG-Wiederholungen im Durchschnitt schneller an Huntington erkranken, selbst wenn man die Anzahl der CAG-Wiederholungen berücksichtigt, mit denen ihre Zellen begonnen haben.

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

Wir wissen zwar, dass die Repeat-Expansion wichtig ist und dass sie letztlich die neuronalen Schäden verursacht, die wir bei der Huntington-Krankheit sehen, aber wir wissen immer noch nicht genau, welche Schritte dazwischen liegen. Um diese Frage zu beantworten, werden derzeit zahlreiche Forschungsarbeiten mit Zell- und Tiermodellen der Huntington-Krankheit durchgeführt. Diese Arbeit ist von entscheidender Bedeutung, denn um neue Behandlungsmethoden zu entwickeln, müssen wir jeden Schritt der Krankheit verstehen, von der erneuten Ausbreitung bis zur Schädigung der Nervenzellen.

BAC als Grundlage

An dieser Stelle setzen William Yang und sein Team von der University of California Los Angeles mit einem neuen Huntington-Mausmodell namens „BAC-CAG“ an. Der Name leitet sich von seiner Herstellung ab: BAC steht für „bakterielles künstliches Chromosom“ und beschreibt, wie es ihnen gelang, das gesamte menschliche Huntingtin-Gen in das Genom der Maus einzubauen.

Normalerweise wollen Wissenschaftler, dass ihr Krankheitsmodell im Laufe der Zeit so konsistent wie möglich ist. Frühere Huntington-Mäuse, die hergestellt wurden, bevor wir erkannten, wie wichtig die Wiederholungsexpansion ist, hatten DNA-Sequenzen, die so gestaltet waren, dass sie während des gesamten Lebens der Maus stabil waren. Dazu wurde der CAG-Abschnitt in der DNA durch „CAA“-Sequenzen unterbrochen. Diese CAAs verändern nicht das Protein, das von dem Gen gebildet wird, aber sie verhindern, dass die Wiederholung größer wird. Die neue BAC-CAG-Maus von Yang hat jedoch eine ununterbrochene CAG-Wiederholung, was sie näher an die DNA-Sequenz heranbringt, die wir bei Menschen mit der Huntington-Krankheit sehen.

Wie sehen die neuen Mäuse aus?

„Wichtig ist, dass die BAC-CAG-Mäuse, genau wie die Menschen, eine CAG-Expansion zeigten, die im Striatum am stärksten ausgeprägt war.“

Der erste Schritt bei einem neuen Mausmodell der Huntington-Krankheit besteht darin, zu prüfen, ob es irgendwelche Huntington-ähnlichen Symptome entwickelt. In der Tat entwickelten die BAC-CAG-Mäuse Probleme mit der Bewegung und hatten Schlafstörungen. Beim Menschen ist der Teil des Gehirns, der am frühesten und am stärksten betroffen ist, eine Gruppe von Gehirnzellen, die sogenannten „mittlere stachelige Neuronen (medium spiny neurons)“, in einem tiefen Bereich, dem Striatum. Interessanterweise zeigten die BAC-CAG-Mäuse einen frühen Verlust eben dieser Neuronen sowie eine Entzündung in diesem Bereich. Und genau wie bei der menschlichen Huntington-Krankheit bildete das mutierte Huntingtin-Protein in den Neuronen des Striatums der BAC-CAG-Mäuse Klumpen, sogenannte Aggregate.

Wie bereits erwähnt, wächst die CAG-Wiederholung im Laufe des Lebens, aber die Geschwindigkeit variiert in den verschiedenen Geweben des Körpers. In Teilen, die nicht von der Huntington-Krankheit betroffen sind, ist sie relativ stabil – deshalb ändert sich die CAG-Anzahl in einem Bluttest im Allgemeinen nicht -, aber im Striatum kann sie sich stark vergrößern. Wichtig ist, dass die BAC-CAG-Mäuse, genau wie Menschen, eine CAG-Expansion zeigten, die im Striatum am stärksten ausgeprägt war.

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

Verwendung der neuen Mäuse zur Untersuchung der CAG-Instabilität

Nachdem Yang und seine Kollegen gezeigt hatten, dass die BAC-CAG-Mäuse dem Krankheitsbild der Huntington-Krankheit sehr ähnlich sind, konnten sie nach dem Zusammenhang zwischen der CAG-Wiederholungsinstabilität und der Krankheit suchen.

Sie werden sich erinnern, dass frühere Mausmodelle CAA-Unterbrechungen haben, um die Wiederholungslänge stabil zu halten. Sowohl CAG als auch CAA weisen die Zelle an, bei der Herstellung des Huntingtin-Proteins einen Glutamin-Baustein einzufügen. Unabhängig davon, ob der Repeat nur aus CAGs besteht oder ob er einige unterbrechende CAAs enthält, enthält das Protein also eine lange Reihe von Glutaminen.

Als Yang und 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 von der Anzahl der Glutamine im Protein ab. Das bedeutet, dass die Anzahl der ununterbrochenen CAGs den Verlauf der Huntington-Krankheit bestimmt. Dies entspricht dem, was wir beim Menschen beobachten – sagt uns aber immer noch nicht, wie die Wiederholungsexpansion die Krankheit verursacht.

Bei BAC-CAG-Mäusen stellte das Team von Yang fest, dass Bewegung und Schlaf umso stärker gestört waren, je mehr Wiederholungsexpansion es im Gehirn gab. Dies ist das erste Mal, dass die Repeat-Expansion direkt mit den Symptomen der Huntington-Krankheit bei Mäusen in Verbindung gebracht wird. Dies stärkt die These, dass die Expansion eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Krankheit spielt.

Was bedeutet das für den Menschen?

Wie also könnte die CAG-Repeat-Expansion die Huntington-Krankheit verursachen? Wir haben lange Zeit angenommen, dass es sich um ein toxisches Protein handelt, das beispielsweise in Zellen aggregiert und diese zum Absterben bringt. Aber es gibt noch mehrere andere Möglichkeiten, wie die CAG-Wiederholung in der DNA für das Striatum giftig sein könnte.

So liegen zwischen dem Gen und dem von ihm gebildeten Protein einige Schritte: Zunächst werden die Anweisungen in der DNA in ein verwandtes Molekül namens RNA kopiert, das dann in ein Protein „übersetzt“ wird. Yang und Kollegen fanden heraus, dass aus dem Huntingtin-Gen abnormale RNA-Moleküle gebildet werden, und andere Gruppen haben bereits gezeigt, dass diese RNA-Moleküle für Zellen giftig sein können. Sie fanden auch heraus, dass sich die RNA des Huntingtin-Gens in den Zellen ablagert – eine Art von Ablagerung, die nachweislich andere degenerative Krankheiten wie die myotonische Dystrophie verursacht.

Das Ablesen der DNA ist normalerweise ein sehr gut organisierter Prozess, der am Anfang eines Gens beginnt und sich in die richtige Richtung vorarbeitet. Bei langen, sich wiederholenden Abschnitten der DNA, wie bei der Huntington-Krankheit, geht jedoch manchmal die Maschinerie verloren, und der Prozess beginnt innerhalb der Wiederholung selbst und kann in beide Richtungen ablaufen. Durch diese Rückwärtslesung können viele verschiedene Arten von seltsamen kleinen Proteinen entstehen, von denen einige giftig sein können. Yang und Kollegen zeigten, dass diese kleinen Proteine in den Gehirnen der BAC-CAG-Mäuse produziert wurden, dass dies aber erst spät im Krankheitsverlauf begann, lange nachdem die Mäuse erste Symptome entwickelt hatten. Sie kamen zu dem Schluss, dass dieser Prozess zu den späten Stadien der Huntington-Krankheit beitragen könnte, aber wahrscheinlich nicht zu einem wichtigen frühen Schritt.

Wie geht es nun weiter?

Was bedeutet das für uns? Haben wir den Zusammenhang zwischen der CAG-Repeat-Expansion und der neuronalen Schädigung hergestellt? Noch nicht ganz, aber die BAC-CAG-Maus hat uns dabei geholfen, herauszufinden, welche Prozesse beteiligt sein könnten und welche weniger wahrscheinlich verantwortlich sind. Diese Maus hat dazu beigetragen, die CAG-Expansion als wichtiges frühes Ereignis bei der Huntington-Krankheit zu bestätigen. Die Wiederholungsexpansion führt wiederum zu neuronalen Schäden, und die Prozesse auf dem Weg dorthin umfassen wahrscheinlich eine Kombination aus einer Störung der genetischen Umschaltung, dem Aufbau von Proteinen in den Neuronen, Entzündungen und toxischer RNA.

Es bleibt noch viel zu tun, um herauszufinden, welche dieser Prozesse für die neuronalen Schäden bei der Huntington-Krankheit am wichtigsten sind. Und die gute Nachricht: Die Medikamente sind auf dem Weg! Es wird erwartet, dass neue Behandlungen, die auf die Wiederholungsexpansion abzielen, noch in diesem Jahr in die klinische Erprobung kommen, und Yangs Arbeit mit der neuen Maus gibt Anlass zur Hoffnung, dass sie diese schädlichen Prozesse wirksam stoppen können, bevor es zu neuronalen Schäden kommt.

Erfahren Sie mehr

• Paper von Yang’s Team im Journal Neuro (open access)