Die Herunterregulierung von Mismatch-Reparatur-Genen verlangsamt das Wachstum der Huntington-Wiederholung in menschlichen Neuronen

Wissenschaftler nutzten Zellen einer Person mit Huntington-Krankheit (HD), um zu testen, ob die Senkung der Spiegel von DNA-Reparatur-Genen das Wachstum der schädlichen CAG-Wiederholung verlangsamen kann. In diesen im Labor gezüchteten menschlichen Zellen wuchs die Wiederholung tatsächlich langsamer, was eine potenzielle therapeutische Strategie zur möglichen Verzögerung des Krankheitsbeginns und -fortschreitens nahelegt, obwohl diese Arbeit noch in einem frühen Stadium ist.

Warum expandierende CAG-Wiederholungen bei HD wichtig sind

HD wird durch eine abnorm lange Sequenz von drei DNA-Bausteinen, CAG, im Huntingtin-Gen verursacht, oft abgekürzt als HTT. Im Allgemeinen ist die zunehmende Länge der expandierten CAG-Wiederholung damit verbunden, dass Menschen früher Symptome der HD zeigen und die Krankheit schneller fortschreitet.

Wir wissen heute, dass für Menschen mit HD die CAG-Länge, die eine Person geerbt hat, nicht lebenslang feststeht. In einigen Zellen, insbesondere in einer Gehirnregion etwa in der Mitte des Kopfes, dem Striatum, kann die CAG-Wiederholung über viele Jahre langsam länger werden. Dieser Prozess wird als somatische Expansion bezeichnet – die Expansion der CAG-Wiederholung in „somatischen“ Zellen oder Körperzellen.

Beweise aus menschlichem Hirngewebe und Tiermodellen für HD deuten darauf hin, dass dieses zusätzliche Wachstum (somatische Expansion) ein signifikanter Faktor für die Anfälligkeit dieser Neuronen und ein Haupttreiber für das Fortschreiten der Krankheit ist.

DNA-Reparatur: Ein Haupttreiber der CAG-Expansion

Unsere DNA wird ständig durch Dinge wie UV-Exposition durch die Sonne, Umweltschadstoffe und Stress in unseren Zellen geschädigt. Aber Zellen arbeiten ständig daran, diesen Schaden in ihrer DNA zu reparieren. Ein kritisches System, das für die Aufrechterhaltung der Integrität des genetischen Materials verantwortlich ist, wird als Mismatch-Reparatur (MMR) bezeichnet. Es fungiert als molekularer Korrekturleser, der kleine Fehler lokalisiert und korrigiert, um die genetische Integrität zu wahren.

Die hoch repetitive CAG-Sequenz im HTT-Gen ist jedoch strukturell instabil und kann ungewöhnliche Formen annehmen, wie z. B. DNA-Schleifen. Wenn Komponenten des MMR-Systems auf diese seltsamen Strukturen treffen, wird angenommen, dass der Reparaturprozess den DNA-Buchstabencode falsch liest, ähnlich wie ein Korrekturlesesystem Tippfehler akzeptiert.

Diese Korrekturlesefehler des MMR-Systems können zur Einlagerung zusätzlicher Wiederholungen führen. In diesem Kontext wird das MMR-System, das normalerweise den genetischen Code schützt, unbeabsichtigt zu einem wichtigen Mechanismus, der die schädliche Expansion der CAG-Wiederholung vorantreibt.

Diese destruktive Rolle der MMR bei der Entstehung von HD wird durch langjährige Forschung stark unterstützt. Große genetische Studien, bekannt als Genomweite Assoziationsstudien (GWAS), bei Menschen mit HD bestätigten diesen Zusammenhang, indem sie natürliche genetische Unterschiede (Varianten) in mehreren MMR-assoziierten Genen identifizierten, die das Alter des Symptombeginns modifizieren.

Diese Erkenntnisse etablierten überzeugende therapeutische Strategien. Wenn wir die Aktivität oder die Spiegel spezifischer MMR-Gene sicher reduzieren können, könnten wir diesen Expansionsprozess an seiner Quelle effektiv verlangsamen.

Untersuchung der Mismatch-Reparatur in menschlichen HD-Neuronen

Die meisten früheren Forschungen zur Mismatch-Reparatur und CAG-Expansion verwendeten Mäuse, die HD modellieren, oder tierische Zellen, die in einer Petrischale gezüchtet wurden. In einer kürzlich von Dr. Sarah Tabrizi vom University College London geleiteten Studie verwendeten die Forscher ein System, das für den Menschen direkter relevant ist.

Sie begannen mit Hautzellen, die von einem siebenjährigen Mädchen mit juveniler HD gespendet wurden, das eine sehr große expandierte CAG-Wiederholung von über 125 im HTT-Gen trug. Die Wissenschaftler fügten Moleküle hinzu, die die Hautzellen dazu brachten, Stammzellen zu werden, die zur Selbsterneuerung fähig sind und zu verschiedenen Zelltypen, einschließlich Gehirnzellen, geleitet werden können.

Mithilfe von Protokollen, die zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedliche Chemikalien hinzufügen, wandelte das Team die HD-Stammzellen in Gehirnzellen um, die mit mittelgroßen Stachelneuronen (MSNs) angereichert waren, die im Striatum, einer zentralen Gehirnregion, die stark von HD betroffen ist, vorkommen. MSNs sind spezifische Gehirnzellen, die bekanntermaßen besonders anfällig für Degeneration bei HD sind. Die Forscher maßen die CAG-Wiederholungslänge sowohl in den sich teilenden Stammzellen als auch in diesen Gehirnzellkulturen, um zu überwachen, wie sich die Wiederholungslänge im Laufe der Zeit änderte.

Verwendung eines molekularen Dimmerschalters

Um die Rolle der Mismatch-Reparatur zu testen, verwendeten sie ein leistungsstarkes genetisches Werkzeug namens CRISPR-Interferenz (CRISPRi). CRISPRi fungiert als molekulares System zur präzisen Reduzierung der Genaktivität in einzelnen Genen. Dieses System unterscheidet sich von der Standard-Genbearbeitung, da es die DNA nicht schneidet. Stattdessen verwendet es ein Molekül, das man sich als molekulare Schere vorstellen kann, namens Cas9, das auf molekularer Ebene an einen Dimmerschalter geheftet ist, der die Spiegel eines Zielproteins effektiv senkt.

Das Team nutzte CRISPRi, um die Aktivität von Mismatch-Reparatur-Genen zu reduzieren, die in den humanen genetischen Studien (GWAS) identifiziert wurden. Sie zielten auch auf die Partner dieser MMR-Gene ab. Zu den Zielgenen gehörten Komponenten aus den Multiproteinkomplex-Familien, der MutS-Familie (MSH2, MSH3, MSH6) und der MutL-Familie (MLH1, PMS1, PMS2, MLH3), zusammen mit dem Enzym DNA-Ligase 1 (LIG1).

Ziel der Studie war es, ihre Aktivität auf ein Niveau zu reduzieren, das durch therapeutische Medikamente realistisch erreichbar ist, anstatt die Gene vollständig zu eliminieren. Dieser Ansatz ermöglichte es ihnen, realistischer nachzuahmen, was als Behandlung entwickelt werden könnte, oder jene Varianten nachzuahmen, die bei Menschen mit HD, die einen späteren Symptombeginn hatten, natürlich vorkommen.

Als Nächstes überprüften die Forscher, ob ihre Experimente erfolgreich waren, und führten dazu ein weiteres Experiment durch, das als „MMR-Defizienz-Assay“ bezeichnet wird. Dies ermöglichte es ihnen, zu bestätigen, dass sie tatsächlich die Aktivität der MMR-Zielgene senkten. Dazu behandelten sie die Zellen mit einer Chemikalie, die DNA-Schäden nachahmt. In Zellen mit einem voll funktionsfähigen MMR-System löst diese Chemikalie typischerweise den Zelltod aus. Wenn die MMR-Funktion jedoch beeinträchtigt ist, können die Zellen überleben.

Das Experiment bestätigte, dass das MMR-System in den modifizierten Zellen geschwächt war und eine erhöhte Zellüberlebensrate im Vergleich zu den Kontrollen zeigte. Wichtig ist, dass die reduzierte Funktion nicht vollständig war, was dem Ziel einer teilweisen Reduzierung entsprach und den Forschern ein System gab, in dem sie die Spiegel dieser Gene molekular dimmen können, um sie herunter- statt auszuschalten.

Der Einfluss der Dimmung von MMR-Genen auf CAG-Expansionen

Schließlich untersuchten sie die Rate, mit der sich die CAG-Wiederholung sowohl in den sich teilenden Stammzellen als auch in den spezialisierten Striatum-Neuronen ausdehnte, und verglichen die Expansionsraten mit und ohne die reduzierte Aktivität der Mismatch-Reparatur-Gene.

In den HD-Stammzellen wurde die CAG-Wiederholung im Laufe der Zeit normalerweise länger, was erwartet wurde. Aber als mehrere Mismatch-Reparatur-Gene mit CRISPRi herunterreguliert wurden, verlangsamte sich dieses Wachstum, was darauf hindeutet, dass die Theorie des Teams richtig war! Die stärksten verlangsamenden Effekte wurden beobachtet, als das Team die Hauptkomponenten von MutS (MSH2 und MSH3) und die Kernkomponente von MutL (MLH1) reduzierte. Die Senkung dieser Gene reduzierte die Expansionsrate in den sich teilenden Stammzellen um 60 % bis 65 %, wobei andere MutL-Faktoren (PMS1, PMS2 und MLH3) die Rate um 25-35 % reduzierten.

Am wichtigsten ist, dass ähnliche Muster in den Gehirnzellkulturen aus denselben HD-Stammzellen beobachtet wurden. Die Forscher konzentrierten sich strategisch auf die MutL-Faktoren (PMS1, PMS2 und MLH3) in Neuronen, da frühere Stammzell-Experimente MSH6 und LIG1 ausschlossen und MSH2 aufgrund des Krebsrisikos potenzielle Sicherheitsbedenken aufwarf. Sie gingen auch nicht tiefer auf MSH3 ein, da es anderswo aktiv als therapeutisches Ziel verfolgt wird.

In den Neuronen verlangsamte sich die Expansion bei herunterreguliertem MLH1 um 69 %, und das Anzielen von PMS1, PMS2 oder MLH3 verlangsamte die Expansion ebenfalls um über 20 % im Vergleich zu Kontrollzellen. Dies zeigt, dass die Mismatch-Reparatur ein wichtiger Treiber der somatischen Expansion in menschlichen HD-Neuronen bleibt, nicht nur in sich teilenden Stammzellen oder bei Mäusen. Darüber hinaus zeigt es, dass Forscher durch die Anpassung der Spiegel dieser spezifischen MMR-Gene die somatische Expansion bedeutsam verlangsamen können. Eine sehr spannende Aussicht!

Was die Studie herausfand und was sie nicht zeigt

Einfach ausgedrückt lautet die Kernbotschaft dieser Forschung: In menschlichen Neuronen, die in einer Petrischale gezüchtet und von einer Person mit HD stammten, scheint die Herunterregulierung von Mismatch-Reparatur-Genen auszureichen, um das Wachstum der schädlichen CAG-Wiederholung zu verlangsamen.

Diese Arbeit ist ermutigend für die Idee von „Anti-Expansions“-Therapien. Gleichzeitig ist es wichtig, klarzustellen, was diese Studie nicht zeigt. Die gesamte Arbeit wurde an Zellen in Petrischalen durchgeführt, nicht in lebenden Gehirnen. Es wurde nur eine Stammzelllinie von juveniler HD mit einer sehr langen Wiederholung verwendet.

Die Studie maß die Länge der CAG-Wiederholung und ihre Verteilung. Sie testete weder das Überleben von Neuronen, noch das Verhalten oder die Gehirnfunktion. Auch die Langzeitsicherheit wurde nicht behandelt. Mismatch-Reparatur-Gene helfen, alle Gewebe vor Krebs zu schützen, und eine Änderung ihrer Aktivität bei Menschen birgt das Risiko, Krebs zu verursachen, insbesondere da der Verlust von Genen wie MSH2 und MLH1 mit einem signifikant erhöhten Risiko für Krebserkrankungen des Nervensystems verbunden ist, wobei PMS2 ebenfalls ein gewisses Risiko birgt.

Die Arbeit liefert jedoch eine realistischere Kurzliste von Mismatch-Reparatur-Genen, die im menschlichen HD-Kontext vielversprechend erscheinen, wobei Mitglieder der MutL-Familie, insbesondere PMS1, als potenzielle Ziele hervorgehoben werden. Sie unterstützt die Idee, dass eine sorgfältige Reduzierung der Aktivität ausgewählter Mismatch-Reparatur-Gene, wahrscheinlich in moderatem Maße und möglicherweise in Kombination, ein wertvoller Weg sein könnte, die CAG-Expansion zu verlangsamen. Diese Informationen könnten dazu beitragen, das Design und die Priorisierung zukünftiger Therapien zu leiten, die nicht nur Symptome behandeln, sondern das Tempo der Huntington-Krankheit selbst verändern sollen.

Zusammenfassung

• Mismatch-Reparatur treibt die CAG-Expansion in menschlichen Neuronen voran: Mithilfe von Gehirnzellen, die von einer Person mit HD stammten und in einer Laborschale gezüchtet wurden, bestätigten Forscher, dass das Mismatch-Reparatur-System das Wachstum der CAG-Wiederholung in menschlichen Neuronen vorantreibt, nicht nur in Mäusen oder sich teilenden Zellen.
• Herunterregulierung von Reparaturgenen verlangsamte die Expansion: Durch die teilweise Reduzierung der Aktivität spezifischer Mismatch-Reparatur-Gene verlangsamte das Team das Wachstum der CAG-Wiederholung in Neuronen um bis zu 69 %, wobei Mitglieder der MutL-Familie, insbesondere PMS1, als potenzielle therapeutische Ziele hervorgingen.
• Genetische Erkenntnisse haben nun experimentelle Unterstützung in menschlichen Zellen: Große genetische Studien wiesen zuvor auf Mismatch-Reparatur-Gene als Modifikatoren des HD-Beginns hin. Diese Studie bestätigt ihre Rolle in menschlichen Neuronen, die in einer Laborschale gezüchtet wurden, und hilft bei der Priorisierung, welche Gene angezielt werden sollen. Die Arbeit wurde in einer einzelnen Zelllinie in einer Petrischale durchgeführt, ist aber ein wichtiger Schritt hin zu Therapien, die darauf abzielen, die CAG-Expansion zu verlangsamen.