DNA-Stottern erforschen: Was uns 900.000 Genome über die Ausdehnung von DNA-Wiederholungen lehren

Wissenschaftler haben die Genetik der Huntington-Krankheit (HD) intensiv erforscht, seit das verantwortliche Gen 1993 entdeckt wurde. Im Gegensatz zu vielen anderen genetischen Krankheiten, bei denen eine Veränderung in einem oder wenigen DNA-Bausteinen ausreichen kann, um die Krankheit zu verursachen, resultiert HD aus einer Ausdehnung einer dreibuchstabigen Sequenz (CAG), die sich im Huntingtin (HTT)-Gen immer wiederholt. Wenn dieses genetische „Stottern“ zu lang wird, normalerweise 40 oder mehr CAGs, setzt es HD in Gang. In jüngerer Zeit entdeckten Wissenschaftler, dass sich die CAG-WiederholungCAG-Wiederholung Der Abschnitt der DNA am Anfang des Huntington-Gens, der die Sequenz CAG viele Male wiederholt enthält und ungewöhnlich lang ist bei den Menschen, die die Huntington-Krankheit entwickeln in den Zellen von Menschen ein Leben lang weiter ausdehnen kann. Dieses fortlaufende Wachstum des HTT-CAG-Stotterns ist wahrscheinlich ein entscheidender Schritt bei der Bestimmung, wann die Krankheit beginnt.

Aber HTT ist nicht das einzige Gen, das ein instabiles genetisches Stottern enthält. Ein Team unter der Leitung von Dr. Po-Ru Loh von der Harvard University analysierte die Genome von mehr alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. 900.000 Menschen, um das Verhalten anderer DNA-Wiederholungen zu untersuchen. Ihre Ergebnisse zeigten, dass Wiederholungsexpansionen weit verbreitet sind und durch ähnliche molekulare Signalwege gesteuert werden könnten.

Sind genetische Stotterer häufig?

Obwohl Wissenschaftler wissen, dass die CAG-WiederholungCAG-Wiederholung Der Abschnitt der DNA am Anfang des Huntington-Gens, der die Sequenz CAG viele Male wiederholt enthält und ungewöhnlich lang ist bei den Menschen, die die Huntington-Krankheit entwickeln in HTT während des Lebens eines Menschen wachsen und ihre Anzahl zwischen den Generationen ändern kann, ist weniger bekannt, ob dies auch für andere Wiederholungen üblich ist. Das menschliche GenomGenom Der Name, der für alle Gene vergeben wurde, die die kompletten „Bauanleitungen“ einer Person oder eines Organismus enthalten enthält Hunderttausende kurzer repetitiver DNA-Sequenzen. Wachsen (oder schrumpfen) diese Wiederholungen auch mit dem Alter oder zwischen den Generationen? Wenn ja, könnten sie mit anderen menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht werden? Könnte es einen gemeinsamen zugrunde liegenden zellulären Prozess geben, der fehlerhaft ist und diese genetischen Stotterer verursacht? Dies sind die Fragen, die Dr. Loh und seine Kollegen untersuchen wollten.

Suche nach Wiederholungen in fast einer Million Genomen

Das Messen genetischer Stotterer klingt im Prinzip einfach, aber die genaue Identifizierung von Wiederholungen bei fast einer Million Menschen ist technisch extrem schwierig. Stell dir vor, du versuchst zu zählen, wie oft dasselbe Wort in einem Satz wie „der der der der der der“ vorkommt. Und jetzt stell dir vor, die Schriftgröße ist 0,0001 (Molekül-Schriftgröße!). Wenn ein „der“ hinzugefügt oder entfernt wird, ist es überraschend schwierig zu erkennen, wo es aufgetreten ist oder wie viele Kopien genau vorhanden sind.

Die Untersuchung von DNA erfordert, dass Forscher sie mithilfe einer Reihe chemischer Reaktionen vorbereiten, einschließlich Reaktionen mit Enzymen, die viele Kopien der DNA herstellen. Dieser Prozess birgt ein weiteres Problem: Die kopierenden Enzyme fügen häufig zusätzliche Wiederholungen hinzu, die im ursprünglichen Sample nicht vorhanden waren. Um diese Herausforderungen zu überwinden, entwickelten Dr. Loh und sein Team ausgeklügelte rechnerische und statistische Methoden, um diese „falschen“ Wiederholungen zu identifizieren und herauszufiltern. Anschließend verwendeten sie die verbleibende Probe, um die Länge der Wiederholungen für etwa 350.000 Stellen im GenomGenom Der Name, der für alle Gene vergeben wurde, die die kompletten „Bauanleitungen“ einer Person oder eines Organismus enthalten abzuschätzen.

CAG-Wiederholungen im gesamten GenomGenom Der Name, der für alle Gene vergeben wurde, die die kompletten „Bauanleitungen“ einer Person oder eines Organismus enthalten

Das Team begann mit der Suche nach CAG-Wiederholungen. Obwohl viele andere Arten von sich wiederholender DNA existieren, sind CAG-Wiederholungen bereits dafür bekannt, mehrere Krankheiten, einschließlich HD, zu verursachen. Die Forscher identifizierten 18 Stellen, an denen einige Personen ungewöhnlich lange CAG-Wiederholungen aufwiesen, was möglicherweise auf eine Expansion hindeutete. Eine der häufigsten Expansionen fand sich in einem Gen namens TCF4, wo eine expandierte Wiederholung bei fast 9 % der Studienteilnehmer gefunden wurde. Eine lange Wiederholung zu finden, bedeutet nicht unbedingt, dass sie Krankheiten verursacht, aber es zeigt, dass CAG-Wiederholungen gerne wachsen. Das Team fand auch 15 Stellen, an denen CAG-Wiederholungen ihre Länge zwischen den Generationen änderten, ähnlich wie bei HD. Diese Ergebnisse legen nahe, dass das bei HD beobachtete genetische Stottern Teil eines breiteren genetischen Musters sein könnte.

Nachdem festgestellt wurde, dass einige CAG-Wiederholungen länger alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. erwartet sind und sich zwischen den Generationen verlängern können, war die nächste große Frage, ob sie auch innerhalb der Lebenszeit einer Person wachsen. Dies ist eine Schlüsselfrage, da angenommen wird, dass das Wachstum von CAG-Wiederholungen im Laufe der Zeit zum Ausbruch von HD beiträgt. Von den 15 untersuchten CAG-Wiederholungen zeigten 4 diese „altersabhängige“ Expansion. Eine Entdeckung war besonders unerwartet: Personen, die expandierte CAG-Wiederholungen in einem Gen namens GLS trugen, hatten ein etwa 14-fach erhöhtes Risiko, an einer schweren Nierenerkrankung zu leiden. Dies deutet darauf hin, dass Wiederholungsexpansionen zu mehr Krankheiten beitragen könnten, alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. wir derzeit wissen, und wir finden sie erst jetzt, weil Wiederholungen in der DNA schwer zu erkennen sind.

Warum wachsen genetische Stotterer?

Stell dir einen kaputten Drucker vor, der Schwierigkeiten mit Sätzen hat, die wiederholte Wörter enthalten („kann kann kann kann kann kann“). Jedes Mal, wenn der Satz neu gedruckt wird, werden zusätzliche „kanns“ hinzugefügt – CAG-Wiederholungen verhalten sich ähnlich. Da jedes CAG identisch mit dem nächsten und dem vorherigen aussieht, verrutschen zelluläre Maschinen manchmal, verlieren ihren Platz und fügen zusätzliche Kopien hinzu, wodurch sich das genetische Stottern im Laufe der Zeit in der Länge ändert.

Die Forscher wollten verstehen, warum sich die Wiederholungen einiger Menschen schneller ausdehnten alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. die anderer. Sie konzentrierten sich auf expandierte Wiederholungen in einem Gen namens TCF4, weil sie häufig waren und in Blutzellen stark variierten. Durch die Suche im gesamten GenomGenom Der Name, der für alle Gene vergeben wurde, die die kompletten „Bauanleitungen“ einer Person oder eines Organismus enthalten fand das Team 7 genetische Veränderungen, die mit der TCF4-Expansion in Verbindung zu stehen schienen. Spannenderweise befanden sich vier dieser Stellen in DNA-Reparaturgenen (MSH3, FAN1, ATAD5 und PMS2), die bereits mit der CAG-Wiederholungsexpansion in HTT in Verbindung gebracht worden waren. Diese Ergebnisse stärken die Evidenz, dass DNA-Reparaturgene eine Schlüsselrolle bei der Kontrolle von Wiederholungsexpansionen spielen.

Ein Bremsschweller für die Wiederholungsexpansion

Die Forschung zeigte auch, dass eine winzige Unterbrechung im genetischen Stottern das Wachstum der CAG-WiederholungCAG-Wiederholung Der Abschnitt der DNA am Anfang des Huntington-Gens, der die Sequenz CAG viele Male wiederholt enthält und ungewöhnlich lang ist bei den Menschen, die die Huntington-Krankheit entwickeln verlangsamen könnte. Stell dir die Sequenz „kann kann kann kann kann“ vor. Da jedes Wort dasselbe ist, verliert die DNA-Kopiermaschine leicht ihren Platz. Füge nun ein anderes Wort ein: „kann kann ja kann kann“. Diese winzige Unterbrechung wirkt wie ein Bremsschweller, der das repetitive Muster unterbricht und der DNA-Maschinerie hilft, ihren Standort im Auge zu behalten. Zum Beispiel expandierten im TCF4-Gen 18 CAG-Wiederholungen mit einer winzigen Unterbrechung 135-mal langsamer alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. 18 CAG-Wiederholungen ohne Unterbrechung.

Sequenzunterbrechungen wie diese sind für HD hochrelevant. Obwohl es extrem selten ist, haben Menschen mit CAG-Wiederholungsunterbrechungen einen signifikant späteren Krankheitsbeginn alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. erwartet. Und Wissenschaftler arbeiten bereits intensiv daran, Wiederholungen-stoppende Gentherapien zu entwickeln.

Was bedeutet das für HK?

Eine wichtige Erkenntnis aus dieser Forschung ist, dass CAG-Wiederholungen eine natürliche Tendenz zum Wachstum haben und dass einige der gleichen DNA-Reparaturmechanismen diese Expansion über verschiedene Gene hinweg beeinflussen. Die Beteiligung von DNA-Reparaturmechanismen sowohl bei TCF4 alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. auch bei HTT (zusammen mit vielen anderen Wiederholungen) stützt die Annahme, dass diese Signalwege zentral für die Wiederholungsexpansion – und vielleicht auch für den Krankheitsbeginn – sind. Wir wissen immer noch nicht, ob die Wiederholungsexpansion mit dem Alter HD auslöst, aber diese wachsenden Beweise deuten auf eine faszinierende Verbindung hin.

Eine wichtige Einschränkung ist, dass diese Studie die Expansion hauptsächlich in Blutzellen gemessen hat. Das Wiederholungswachstum in Blutzellen bedeutet nicht unbedingt, dass dieselben Wiederholungen im Gehirn wachsen, da jede Zelle Expansionen mit unterschiedlichen Raten und auf Weisen akkumuliert, die von komplexen zellulären Prozessen abhängen.

Dennoch unterstreicht diese Studie die Notwendigkeit von Wiederholungen-stoppenden Gentherapien und Behandlungen zur Modifizierung der Aktivität von DNA-Reparaturwegen. Beide Ansätze werden bereits untersucht, aber es ist weitere Forschung erforderlich, um festzustellen, ob sie bei Menschen sicher und wirksam sein werden.

Zusammenfassung

• Wissenschaftler untersuchten repetitive DNA-Sequenzen bei mehr alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. 900.000 Menschen.
• Sie fanden heraus, dass sich CAG-Wiederholungen über Generationen und innerhalb der Lebenszeit einer Person ausdehnen können.
• Einige der gleichen DNA-Reparaturgene beeinflussen die Wiederholungsexpansion sowohl in TCF4 alsALS Eine fortschreitende Nervenkrankheit, bei der Bewegungsneuronen absterben. auch im HD-Gen.
• Winzige Unterbrechungen innerhalb von CAG-Wiederholungen verlangsamten deren Wachstum dramatisch, was die Bemühungen zur Entwicklung von Wiederholungen-stoppenden Therapien unterstützt.
• Die meisten Messungen stammten aus Blut, daher ist weitere Forschung erforderlich, um zu verstehen, wie diese Ergebnisse auf das Gehirn zutreffen.