Der Director’s Cut: Wie CAG-Wiederholungen die Bearbeitung genetischer Botschaften verändern

Lange, repetitive Sequenzen von C-A-G-Buchstaben im DNA-Code sind mit mindestens 12 genetischen Erkrankungen verbunden, darunter die Huntington-Krankheit (HK). Eine Gruppe von Wissenschaftlern in Massachusetts, USA, hat vor Kurzem eine neue genetische Strategie entwickelt, um zu untersuchen, wie CAG-Wiederholungen zur Bildung schädlicher Proteine in Zellen führen können, wodurch Zellen ungesund werden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass expandierte CAG-Wiederholungen einen Prozess namens „Spleißen“ stören können, bei dem genetische Botenmoleküle zerstückelt und organisiert werden, bevor sie in Proteine umgewandelt werden.

CAG-Wiederholung

Unsere DNA ist ein genetischer Code, der Anweisungen zur Herstellung von Tausenden verschiedener Proteine enthält, den molekularen Maschinen, die unsere Zellen am Laufen halten. Dieser Code besteht aus vier Bausteinen oder „Basen“: C, A, G und T. Die DNA ist wie eine verdrehte Leiter aufgebaut, bei der zwei DNA-Stränge in einer Helix miteinander verbunden sind, die jeweils aus einer Kette von Basen bestehen. Die Basen auf einem DNA-Strang paaren sich mit Basen auf dem gegenüberliegenden DNA-Strang und bilden so die „Sprossen“ der Leiter.

Die HK ist als „CAG-Repeat-Expansionserkrankung“ bekannt. Jeder Mensch hat eine repetitive Sequenz von C-A-G-DNA-Buchstaben in seinem Huntingtin-Gen, aber Menschen, die später an HK erkranken, haben über 36 C-A-G-Wiederholungen. Die Anzahl der CAG-Wiederholungen kann im Laufe der Zeit zunehmen, was als Repeat-Expansion bezeichnet wird, und dies scheint hauptsächlich in Zellen zu geschehen, die bei HK am stärksten beeinträchtigt werden, wie z. B. Gehirnzellen.

Wenn wir genau verstehen können, wie eine längere CAG-Wiederholung selbst Zellen krank macht, können wir möglicherweise Gehirnzellen gesund erhalten und den Zeitpunkt des Auftretens von HK-Symptomen verzögern. Es gibt auch andere Krankheiten, die durch Expansionen in CAG-Wiederholungen verursacht werden, darunter spinozerebelläre Ataxien und myotone Dystrophien. Der Versuch, Ähnlichkeiten zwischen den Vorgängen in Zellen zu finden, die von diesen anderen Krankheiten betroffen sind, kann uns helfen, mehr über die Vorgänge bei HK zu erfahren.

Szenen im genetischen Skript schneiden

Wenn eine Zelle ein Protein herstellen will, das von einem bestimmten Gen codiert wird, winden sich die beiden DNA-Stränge ab und trennen sich voneinander. Zelluläre Maschinerie liest dann den geöffneten DNA-Basencode und erstellt eine Kopie davon, die als RNA-Botenmolekül bezeichnet wird, ähnlich wie beim Anfertigen einer Fotokopie eines Rezepts aus einem Kochbuch.

Bevor jedoch RNA-Botenmoleküle von der nächsten Reihe zellulärer Maschinerie gelesen werden, um das entsprechende Protein herzustellen, muss ein wesentlicher Prozess stattfinden. Ähnlich wie beim Herausschneiden unnötiger Szenen aus einem Film, um eine endgültige, polierte Version zu erstellen, beinhaltet dieser Prozess das Bearbeiten der RNA-Botschaft, um alle schwammigen Teile des genetischen Codes zu entfernen, die von der DNA kopiert wurden und die eigentlich nicht benötigt werden, um ein Protein herzustellen. Der Prozess von der uneditierten RNA-Botenmolekül zu einer kürzeren, prägnanteren Botschaft wird als „Spleißen“ bezeichnet. Während des Spleißens werden nicht-essentielle Abschnitte der uneditierten Botschaft herausgeschnitten und die wichtigen Abschnitte, die verbleiben, zusammengefügt, um das zu erzeugen, was als „reife“ RNA bekannt ist. Dieses endgültige reife RNA-Produkt enthält nur die notwendigen Anweisungen, die die Zelle benötigt, um Proteine herzustellen.

Expandierte CAG-Wiederholungen können genetische Wendungen verursachen

Bei Krankheiten, die durch expandierende CAGs verursacht werden, wird die CAG-Wiederholung in der DNA in die RNA-Botschaft kopiert, was zur Bildung abnormaler Proteine führen kann. Im Fall von HK wird eine extralange Version des Huntingtin-Proteins hergestellt. Eine Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Jain in Cambridge, Massachusetts, hat zuvor herausgefunden, dass Repeat-haltige RNA-Botschaften zusammen mit den daraus hergestellten Proteinen toxische Klumpen in Zellen bilden, die schwere Schäden verursachen können.

Um genau herauszufinden, wie längere CAG-Wiederholungen die Produktion schädlicher RNA und Proteine verursachen, haben Rachel Anderson und Kollegen innerhalb des Jain-Teams vor Kurzem eine clevere neue Methode entwickelt, um die präzise genetische Botschaft in RNA-Molekülen, die große CAG-Wiederholungen enthalten, detailliert zu untersuchen. Interessanterweise fanden sie heraus, dass CAG-Wiederholungen in RNA Fehler beim Spleißen dieses RNA-Botenmoleküls verursachen. Expandierte CAG-Wiederholungen in RNA führen dazu, dass andere Abschnitte des Botenmoleküls, manchmal weit entfernt von der CAG-Wiederholung selbst, während des Spleißens in oder neben die Wiederholung geschnitten und eingefügt werden.

Hier kann die expandierte CAG-Wiederholung wie der Vorspann eines Films wirken, in den die letzten Szenen des Films fälschlicherweise in falscher Reihenfolge eingefügt werden. Wenn dies geschieht, ergibt die Handlung des Films keinen Sinn mehr. In ähnlicher Weise ergibt die endgültige RNA-Botschaft nicht viel Sinn, wenn andere Abschnitte genetischer Informationen während des Spleißens in die CAG-Wiederholung eingefügt werden. Dies führt zur Entstehung vieler verschiedener Repeat-haltiger reifer RNAs mit unerwarteten Sequenzen.

Die Forscher fanden heraus, dass je länger die CAG-Wiederholung in der RNA-Botschaft war, desto mehr fehlerhafte Spleißereignisse auftraten. Dies ist interessant, da die CAG-Zahl bei HK mit dem Alter, in dem die Symptome beginnen, und der Geschwindigkeit, mit der sie fortschreiten, zusammenhängt. Die Forscher zeigten, dass, wenn sie alle Spleißereignisse in Zellen mit einer Chemikalie stoppten, Repeat-haltige RNA-Botschaften keine Klumpen in Zellen bildeten und daher keine Zelltoxizität verursachten.

Pannen bei der Proteinproduktion

Bisher erklären diese Ergebnisse, wie expandierte CAG-Wiederholungen zu abnormalen und falsch gespleißten reifen RNA-Botschaften führen, aber was passiert, wenn diese Botschaften gelesen werden, um Proteine herzustellen? Alle reifen RNAs, die bereit sind, von zellulärer Maschinerie gelesen zu werden, um ein Protein herzustellen, enthalten ein „Start“-Signal, wie eine grüne Ampel. Die Forscher fanden heraus, dass manchmal, wenn Repeat-haltige RNAs falsch gespleißt werden, mehr dieser Startsignale vor der Wiederholung gefunden werden, was dazu führt, dass mehr verschiedene Proteine aus einer einzelnen RNA-Botschaft hergestellt werden als normal. Die Forscher veränderten diese Startsignale in den CAG-Repeat-haltigen RNAs, um sie auszuschalten, und stellten fest, dass dies die Herstellung abnormaler Proteine stoppte.

Die Forscher untersuchten auch die RNA-Botschaften, die CAGs enthielten, die von Genen kopiert wurden, die mit CAG-Repeat-Expansionserkrankungen in Verbindung stehen, darunter spinozerebelläre Ataxie und myotone Dystrophie. Die Forscher zeigten, dass expandierte CAGs, die von diesen Genen kopiert wurden, auch abnormales Spleißen in die Wiederholung verursachten, die wiederum mehr Proteinlese-Startsignale enthielt, was zur Herstellung weiterer abnormaler Proteine führen kann.

Was bedeutet das für CAG-Repeat-Expansionserkrankungen?

Das Verständnis, wie wichtige Prozesse in Zellen durch lange CAG-Wiederholungen beeinflusst werden, kann Forschern helfen, genau zusammenzusetzen, wie Zellen bei CAG-Repeat-Expansionserkrankungen ungesund werden, und darauf hinweisen, welche Prozesse mit Therapeutika angegriffen werden können. Die Ergebnisse dieser Studie fügen dem Puzzle, was in Zellen passiert, ein weiteres Teil hinzu und legen nahe, dass expandierte CAG-Wiederholungen in RNA das Spleißen stören, was zur Herstellung schädlicher Proteine führen kann.

Wichtig ist, dass diese Experimente in Zelltypen wie Nierenzellen durchgeführt wurden, die im Labor leicht zu züchten und zu handhaben sind, aber nicht am stärksten von HK betroffen sind. Daher spiegeln diese Zellen möglicherweise nicht genau wider, was Zellen bei HK krank macht. Es sind noch viele weitere Arbeiten erforderlich, um zu untersuchen, wie expandierte Wiederholungen das RNA-Spleißen und die Proteinproduktion in Zell- und Tiermodellen von HK verändern. Nichtsdestotrotz könnte das Anvisieren des Spleißens ein potenziell vielversprechender Weg sein, den Forscher verfolgen können, um Medikamente für HK und andere Repeat-Expansionserkrankungen zu entwickeln.

Mehr erfahren

• CAG-Repeat-Expansionen erzeugen Spleißakzeptorstellen und produzieren abweichende, Repeat-haltige RNAs (vollständiger Artikel erfordert Bezahlung oder Abonnement)