DNA-Reparatur bei der Huntington-Krankheit: Nicht ganz auf der Höhe?

Wissenschaftler arbeiten daran, einige der frühesten Veränderungen der DNA-Reparatur zu verstehen, die durch die Huntington-Krankheit (HD) verursacht werden. Diese Erkenntnisse könnten dazu beitragen, neue Therapeutika und neue Wege zu finden, um die somatische Expansion, einen Hauptfaktor für das Fortschreiten der Krankheit, anzugehen. Ein Molekül, das bei der Reparatur von DNA-Schäden hilft – PAR genannt – ist bei Menschen mit dem HD-Gen geringer als erwartet. Dies deutet darauf hin, dass die Zellen Schwierigkeiten haben könnten, ihre DNA ordnungsgemäß zu reparieren, wenn die DNA auf natürliche Weise abgenutzt wird, wie es jeden Tag der Fall ist. Diese Erkenntnisse könnten Auswirkungen auf Veränderungen im DNA-Reparaturprozess haben, der die somatische Instabilität vorantreibt. Die Entdeckung könnte den Forschern dabei helfen, neue Wege zum Schutz der Gehirnzellen zu finden, indem sie die natürlichen Reparatursysteme der Zellen stärken.

Genetische Mutationen und Reparaturen

Der Begriff „Genmutation“ wird häufig verwendet, aber was bedeutet er eigentlich? Kurz gesagt, eine genetische Mutation ist jede Veränderung der Buchstaben der DNA – der Gebrauchsanweisung der Zelle für den Aufbau von Proteinen. Diese Veränderungen können die Art und Weise verändern, wie der genetische Code von den Zellen gelesen und verwendet wird, und manchmal die Funktion von Proteinen, den molekularen Maschinen der Zelle, stören. Ein markantes Beispiel sind Mutationen im HTT-Gen, die die Aktivität des kodierten Proteins erheblich stören und zu Huntington führen.

Während die Mutation, die HD verursacht, bei der Geburt vererbt wird, sammeln unsere Zellen mit zunehmendem Alter auch neue Mutationen an. Die Folgen dieser zufälligen altersbedingten Mutationen sind schwer vorherzusagen, aber im Allgemeinen tragen sie zu altersbedingten Krankheiten wie Krebs und Neurodegeneration bei. Glücklicherweise sind diese altersbedingten Mutationen normal und werden meist repariert und behoben, bevor sie Probleme verursachen.

Aber leider funktioniert dieser Prozess bei HD nicht richtig. In früheren Studien wurde festgestellt, dass Zellen von Menschen mit dem Gen für Huntington dazu neigen, im Laufe ihres Lebens mehr Mutationen anzuhäufen, was wahrscheinlich auf einen fehlerhaften DNA-Reparaturmechanismus zurückzuführen ist. Fehler in der DNA-Reparaturmaschinerie führen zu einer somatischen Expansion, einem biologischen Prozess, der die CAG-Wiederholungslänge im HTT-Gen in einigen Zellen im Laufe der Zeit erhöht. Eine neue Studie unter der Leitung von Dr. Ray Truant und seinem Team an der McMaster University untersuchte, wie die HD-Mutation die DNA-Reparatur stört und identifizierte einen Hauptverdächtigen: fehlerhafte PARylierung.

Eine kaputte Rechtschreibprüfung

Zellen sind mit ausgeklügelten Systemen ausgestattet, um DNA-Schäden zu beheben, und ein wichtiger Weg ist die PARylierung. Bei der PARylierung werden lange Ketten eines Moleküls namens PAR (Poly-ADP-Ribose) an Regionen der beschädigten DNA gebildet. Diese langen Ketten wirken wie molekulare Griffe für DNA-Reparaturenzyme, die sich daran festhalten und mit der Reparatur der DNA beginnen. Auf diese Weise sind PAR-Ketten wie die roten, verschnörkelten Linien in einem Word-Dokument, die Rechtschreibfehler hervorheben. Doch wie bei einer defekten Rechtschreibprüfung fehlen in HD-Zellen viele dieser roten Schnörkel, obwohl sie mehr Mutationen aufweisen.

Um dies zu untersuchen, analysierte das Team von Truant zunächst die Menge an PAR-Ketten in der Rückenmarksflüssigkeit, einer Substanz, die das Gehirn umspült, von Menschen mit HD. Da PAR-Ketten als Reaktion auf DNA-Schäden produziert werden und Menschen mit Huntington ein höheres Maß an DNA-Schäden aufweisen, erwarteten sie, dass sie mehr PAR-Ketten finden würden.

Was sie jedoch fanden, überraschte sie: Menschen mit HD hatten weniger PAR-Ketten. Dieses Paradoxon wurde dann anhand von Zellen von Menschen mit HD untersucht, die trotz erhöhter DNA-Schäden keine erhöhten Mengen an PAR-Ketten aufwiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Maschinerie zur Bildung von PAR-Ketten und damit zur Reparatur der DNA möglicherweise nicht mit der Nachfrage Schritt halten kann!

Nicht auf PAR

Warum könnten in HD-Zellen weniger PAR-Ketten vorhanden sein, obwohl sie mehr DNA-Schäden aufweisen? Um dies herauszufinden, mussten die Forscher die zugrunde liegende Proteinmaschinerie untersuchen. Die PARylierung hängt von zwei Schlüsselenzymen ab: PARP, das die PAR-Ketten aufbaut, um die DNA-Reparatur einzuleiten, und PARG, das sie nach Abschluss der Reparaturen zerschneidet.

Die Forscher fragten also: Ist PARG überaktiv? Oder ist PARP unteraktiv? Nach einigen sorgfältigen biochemischen Untersuchungen fanden sie heraus, dass Letzteres der Fall zu sein scheint – die PARP-Aktivität scheint in HD-Zellen reduziert zu sein, was den Mangel an PAR-Ketten und vielleicht die erhöhten Mutationsraten erklärt.

Das Team wandte dann seine Aufmerksamkeit auf HTT. Da das HTT-Protein als Gerüst fungiert und an viele andere Proteine bindet, fragten sie sich, ob die mutierte Version, die HD verursacht, die Interaktion von HTT mit PARylierten Proteinen beeinträchtigen könnte. Da sich PAR-Ketten nicht nur an DNA, sondern auch an Proteinen bilden, verglichen sie die Proteine, von denen bekannt ist, dass sie mit HTT interagieren, mit den Proteinen, von denen bekannt ist, dass sie PARyliert sind. Sie fanden heraus, dass fast die Hälfte der Proteine, mit denen HTT interagiert, auch PARyliert sind.

Dies lässt den Verdacht aufkommen, dass HTT selbst durch PAR modifiziert werden könnte. Wenn dies der Fall ist und dieser Prozess durch mutiertes HTT verändert wird, könnte dies die Unterschiede in den PAR-Ketten erklären, die sie in HD-Zellen gesehen haben.

HTT und PAR-Ketten

Um zu testen, ob HTT mit PAR-Ketten interagiert, verwendete das Team ein High-Tech-Mikroskop, um zu verfolgen, wo HTT und PAR-Ketten in lebenden Zellen zu finden sind. Obwohl sich die PAR-Ketten und HTT die meiste Zeit nicht überschneiden, überschneiden sie sich auf den Chromosomen, wenn sich die Zellen teilen.

Als sie außerdem die Produktion der PAR-Ketten durch Blockieren der PARP-Aktivität ausschalteten, überlappte HTT nicht mehr, was darauf hindeutet, dass die PAR-Ketten HTT während der Zellteilung zu den Chromosomen leiten könnten. Obwohl die Bedeutung der Überlappung von HTT- und PAR-Ketten während der Zellteilung nicht weiter untersucht wurde, deutet dies darauf hin, dass es eine funktionelle Interaktion zwischen ihnen geben könnte!

Um ihre These zu untermauern, verwendeten die Forscher einige weitere Techniken, um die Interaktion zwischen HTT- und PAR-Ketten zu bestätigen. Zunächst sahen sie sich die molekulare Struktur des HTT-Proteins genau an und fanden viele Schlitze, die aussahen, als könnten sie eine PAR-Kette aufnehmen. Dann visualisierten sie mit einem hochauflösenden Mikroskop direkt die von PARP produzierten PAR-Ketten mit und ohne HTT. Sie stellten fest, dass PARP in Anwesenheit von HTT weitaus komplexere PAR-Ketten produzierte, was darauf hindeutet, dass HTT die PARP-Aktivität stimuliert. Wichtig ist, dass mutierte Formen von HTT keine stimulierende Wirkung auf die PARP-Aktivität hatten, was möglicherweise die verminderte Produktion von PAR-Ketten bei Menschen mit HD erklärt.

Implikationen für HD und darüber hinaus

Diese Ergebnisse zeichnen ein klares Bild: In Zellen ohne das HD-Gen stimuliert HTT die PARylierung und fördert eine effiziente DNA-Reparatur. Bei der Huntington-Krankheit gelingt es dem mutierten HTT-Protein jedoch nicht, PARP zu stimulieren, was zu weniger PAR-Ketten, einer beeinträchtigten DNA-Reparatur und einer Anhäufung von Mutationen führt, die an der Neurodegeneration beteiligt sein könnten.

Diese Erkenntnisse sind spannend, weil sie den Forschern helfen, die zugrunde liegenden Defekte in HD-Zellen besser zu verstehen. Aber vielleicht noch wichtiger ist, dass sie therapeutische Möglichkeiten eröffnen.

Ein Großteil des Interesses an PARP ist auf die Aufmerksamkeit zurückzuführen, die es in einem ganz anderen Bereich der Forschung erhalten hat – bei Krebs, wo bereits Dutzende von Molekülen gefunden wurden, die auf PARP abzielen. Da Medikamente, die auf die Modulation der PARP-Aktivität abzielen, bereits auf ihre Sicherheit getestet wurden, könnten sie möglicherweise für die Huntington-Krankheit umgewidmet werden, was den Weg zu klinischen Studien beschleunigen würde. Obwohl alle neu entwickelten Medikamente noch gründlich getestet werden müssten, eröffnet diese Forschung aufregende neue therapeutische Wege, die das Problem der Mutationshäufung angehen könnten, ein kritisches Problem bei Zellen mit Huntington.

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Original-Forschungsartikel,„Poly ADP-ribose signaling is dysregulated in Huntington disease“ (Open access).