DNA-Scan-Maschinen steuern, um die Ausdehnung von CAG-Repeats zu verlangsamen

Ein Team von Wissenschaftlern hat kleine Moleküle entdeckt, die das DNA-Reparaturprotein MSH3 blockieren, das als wichtiger Treiber der Repeat-Expansion bei der Huntington-Krankheit (HK) gilt. Obwohl noch in einem frühen Stadium, eröffnet diese Arbeit die Tür zu einer neuen Art von Therapiestrategie: die HK zu verlangsamen, bevor Symptome auftreten. Schauen wir uns an, was sie herausgefunden haben.

Instabile C-A-Gs

HK wird durch eine extralange Sequenz von C-A-G-DNA-Wiederholungen im Huntingtin-Gen verursacht. Je länger die Wiederholung, desto früher treten die Symptome tendenziell auf. Aber es ist nicht nur die vererbte Wiederholungslänge, auch CAG-Anzahl genannt, die zählt. Diese DNA-Wiederholungen können im Laufe des Lebens einer Person in einigen Körperzellen durch einen Prozess namens somatische Instabilität noch länger werden. Viele Forscher arbeiten daran zu verstehen, wie sich ausdehnende DNA-Wiederholungen zur Krankheit beitragen. Eine führende Hypothese ist, dass eine schnellere Repeat-Expansion zu einem schnelleren Fortschreiten der Krankheit führen kann.

Diese Idee wird durch Ergebnisse aus groß angelegten genetischen Studien bei Menschen mit HK gestützt, die zusätzliche Gene jenseits des Huntingtin-Gens identifiziert haben, die den Beginn der Symptome beeinflussen. Viele dieser sogenannten Modifikatorgene sind an einem biologischen Prozess namens DNA-Reparatur beteiligt, der unerwünschte DNA-Veränderungen in Schach hält. Von besonderem Interesse für HK-Forscher sind die DNA-Reparatur-Modifikatoren, die an den Signalwegen beteiligt sind, von denen angenommen wird, dass sie die somatische Instabilität antreiben und kontrollieren.

Ein neues Medikamentenziel: MutSβ und MSH3

Eines dieser DNA-Reparatur-Modifikatorgene kodiert das Protein MSH3. MSH3 ist ein attraktives mögliches Medikamentenziel, da es eine zentrale Rolle bei der Erkennung von DNA-Fehlern spielt, die zu CAG-Repeat-Expansionen führen. Wichtig ist, dass eine Blockierung seiner Funktion das Krebsrisiko voraussichtlich nicht erhöht, im Gegensatz zu einigen der bisher gefundenen anderen Modifikatoren.

MSH3 arbeitet mit einem anderen Protein, MSH2, zusammen, um einen Komplex namens MutSβ (ausgesprochen „Mut S Beta“) zu bilden. Die molekulare Maschine MutSβ nutzt Energie in Form von ATP, einer Art zellulärem „Treibstoff“, um die DNA nach Fehlern zu scannen.

Obwohl MutSβ Zellen normalerweise hilft, indem es bestimmte Arten von DNA-Fehlern erkennt und behebt, kann es im Fall der HK die Dinge tatsächlich verschlimmern. Die MutSβ-Maschine kann fälschlicherweise an CAG-Wiederholungen im Huntingtin-Gen wirken und anstatt die DNA zu schützen, dazu führen, dass die Wiederholungen im Laufe der Zeit durch somatische Instabilität länger werden.

Obwohl MutSβ für die DNA-Reparatur im Allgemeinen „hilfreich“ ist, kann seine Aktivität im speziellen Kontext von CAG-Wiederholungen nach hinten losgehen. Die Wissenschaftler argumentierten, dass, wenn kleine Moleküle blockieren könnten, wie MutSβ den ATP-Treibstoff verwendet, sie diese molekulare Maschine möglicherweise daran hindern könnten zu arbeiten. Dies könnte dann dazu beitragen, CAG-Repeat-Expansionen zu reduzieren, was den Beginn von Anzeichen und Symptomen der HK verzögern könnte.

Die Nadel im Heuhaufen

Das Forschungsteam entwickelte einen empfindlichen Test, um zu messen, wie gut MutSβ in einem Reagenzglas funktionierte, und screente dann eine riesige Bibliothek von fast einer Million verschiedener chemischer Verbindungen, um zu sehen, welche davon seine Funktion stoppen könnten.

In dieser ersten Screening-Runde identifizierten sie Tausende von Kandidatenmolekülen, aber die meisten erwiesen sich als falsch positive Ergebnisse oder schwache Inhibitoren.

Das Team verbesserte seine Screening-Methoden, um Artefakte auszuschließen. Dazu gehörten Dinge wie „klebrige“ Moleküle, die an vielen verschiedenen Proteinen haften bleiben, nicht nur an MutSβ. Nach diesen Filterschritten blieben nur 11 vielversprechende Verbindungen übrig.

Mit dieser Auswahlliste untersuchte das Team genau, wie sie an MSH3 hafteten, im Vergleich zu anderen verwandten Proteinen. Sie fanden heraus, dass mehrere Verbindungen nur an MSH3 und nicht an eng verwandte Proteine wie MSH2 oder MSH6 hafteten, was das Risiko möglicher krebsbedingter Nebenwirkungen reduziert.

Die Moleküle in Aktion

Die Forscher begnügten sich nicht damit, Treffer zu finden. Sie verwendeten spezielle Mikroskope und andere Laborwerkzeuge, um genau zu sehen, wie die kleinen Moleküle in atomarer Auflösung an MSH3 hafteten.

Diese strukturellen Momentaufnahmen bestätigten, dass die Verbindungen wie erwartet wirken, indem sie verhindern, dass der ATP-Treibstoff von MutSβ genutzt wird. Indem sie genau „sehen“, wie die Verbindungen wirken, können die Wissenschaftler nun fundierte Entscheidungen darüber treffen, wie sie diese in Zukunft noch besser machen können.

Warum das für die HK wichtig ist

Diese Ergebnisse sind ein früher, aber vielversprechender Schritt hin zu Medikamenten, die CAG-Repeat-Expansionen verlangsamen oder verhindern und so den Ausbruch der HK potenziell verzögern könnten.

Die identifizierten Moleküle sind noch weit davon entfernt, für die Klinik bereit zu sein. Ihre Eigenschaften müssten erheblich verbessert werden, um sicherzustellen, dass sie in Zellen und schließlich in Menschen wirken, anstatt nur in einem Reagenzglas.

Doch dank der von diesem Team geteilten Daten können Wissenschaftler dieser Gruppe und Wirkstoffforscher aus aller Welt rationale Entscheidungen darüber treffen, wie dies am besten so schnell und effizient wie möglich umgesetzt werden kann.

Der weitere Weg

Diese Studie zeigt, dass MSH3 tatsächlich medikamentös beeinflusst werden kann, und liefert die ersten molekularen Baupläne dafür, wie genau dies zu tun ist.

Es gibt noch viel zu tun, um die medikamentenähnlichen Eigenschaften dieser Verbindungen zu verbessern und sicherzustellen, dass sie keine unerwünschten Nebenwirkungen haben. Selbst dann wissen wir noch nicht mit Sicherheit, ob die Blockierung von MSH3 mit dieser Art von Therapie die somatische Instabilität in Zellen oder Tiermodellen der HK tatsächlich reduzieren wird, oder, was am wichtigsten ist, ob dies die Anzeichen und Symptome der HK bei Menschen verlangsamen oder stoppen wird.

Die gute Nachricht ist, dass viele verschiedene Teams in diesem Bereich arbeiten, um diese Probleme zu lösen. Dazu gehören das Biotech-Unternehmen Loqus23 und das Pharmaunternehmen Pfizer sowie viele akademische Wissenschaftlerteams.

Gemeinsam treiben ihre Bemühungen die Suche nach Therapien stetig voran, die einen möglichen genetischen Treiber des HK-Fortschreitens anvisieren.

Zusammenfassung

• CAG-DNA-Wiederholungen dehnen sich in einigen Zellen im Laufe des Lebens einer Person mit HK durch einen Prozess namens somatische Instabilität aus.
• Das DNA-Reparaturprotein MSH3, Teil des MutSβ-Komplexes, ist ein Treiber der Repeat-Expansion und ein attraktives Medikamentenziel.
• Wissenschaftler haben fast eine Million Verbindungen gescreent und eine Handvoll identifiziert, die MSH3 spezifisch blockieren.
• Diese Moleküle sind Werkzeuge im Frühstadium, liefern aber die ersten Baupläne, um MSH3 medikamentös zu beeinflussen und so potenziell die HK zu behandeln.

Mehr erfahren

„Orthosterische Hemmung der MutSβ-ATPase-Funktion: Erste Offenlegung von MSH3-gebundenen niedermolekularen Inhibitoren“, (kostenpflichtiger Zugang).