Knockouts für den Sieg: Wie expandierende CAGs die Krankheit vorantreiben

Die Huntington-Krankheit (HD) wird durch zusätzliche Wiederholungen der DNA-Buchstaben CAG innerhalb des genetischen Codes des Huntingtin-Gens verursacht. Früher dachten wir, dass diese CAG-Längen in den meisten Geweben stabil sind, aber wir verstehen zunehmend, dass die CAG-Instabilität zu HD beiträgt. Somatische Instabilität ist das Konzept, dass sich CAG-Repeats im Laufe der Zeit in einigen Zelltypen ausdehnen, insbesondere in Zellen, die bei HD anfällig sind. Viele Wissenschaftler glauben, dass dieser Prozess eine Rolle bei der Beschleunigung der Entwicklung von Symptomen spielen könnte.

Eine aktuelle Arbeit befasst sich mit einigen Mechanismen hinter diesem Phänomen und untersucht, wie die CAG-Expansion mit der Krankheit zusammenhängt und wie die Wissenschaft DNA-Reparaturgene als Behandlung für HD nutzen könnte.

Vom Menschen zum Tier … und zurück zum Menschen

Unser derzeitiges Verständnis des Phänomens der CAG-Repeat-Expansion beruht auf großen Humanstudien, in denen Teilnehmer mit HD Proben und klinische Daten spendeten. Ihre Beiträge ermöglichten es Wissenschaftlern, subtile Unterschiede in der Genetik der Menschen mit dem Alter zu verknüpfen, in dem sie HD-Symptome entwickelten. Diese Studien, bekannt als Genom-weite Assoziationsstudien oder GWAS (ausgesprochen ‚dschi-wass‘), zeigten, dass bestimmte DNA-Variationen den Ausbruch von HD stark beschleunigen oder verzögern können.

Viele der in diesen Studien identifizierten Gene, die weitere Forschung rechtfertigten, gehören zu einer Familie von Genen, die bei der Reparatur von DNA helfen. In den letzten Jahren gab es eine Flut von Aktivitäten, die uns zu einigen neuen Schlussfolgerungen über HD und die Expansion von CAGs geführt haben. Hier ist eine kurze Zusammenfassung, bevor wir in einige neue Daten zu diesem Thema eintauchen:

• Die DNA-Reparaturmaschinerie kann ausrutschen, wenn sie versucht, extra lange CAG-Repeats zu „korrigieren“ – und sie versehentlich immer länger macht!

• Dies geschieht nicht in der überwiegenden Mehrheit der Zellen, scheint aber häufig in einem Teil des Gehirns namens Striatum vorzukommen, das Stimmung, Bewegung und Motivation steuert. Die Untersuchung der CAG-Expansion im Striatum könnte uns näher zum Verständnis führen, warum diese Zellen bei HD so anfällig sind.

• Einige Studien haben ergeben, dass es einen Schwellenwert von etwa 150 CAG-Repeats gibt, ab dem sich die Schädigung der Zelle zu beschleunigen beginnt.

• Experimentelles „Knockout“ oder die genetische Entfernung von DNA-Reparaturgene, von denen bekannt ist, dass sie Fehler bei CAGs machen, kann die CAG-Repeat-Expansion in Labormodellen von HD verlangsamen oder sogar stoppen.

• Einige dieser Gene, wie Msh3, sind die Ziele von Human HD-Therapien in der Entwicklung – aber wir müssen noch mehr darüber verstehen, wie sie die HD-Biologie beeinflussen und was die Folgen (positiv und negativ) des Ausschaltens sind.

Einrichtung des Experiments

Die Autoren einer aktuellen Arbeit unter der Leitung von X. William Yang an der University of California, Los Angeles (UCLA), verfolgten einen direkten und gründlichen Ansatz, um die Verbindung zwischen DNA-Reparaturgene, CAG-Expansion, Gehirnzellgesundheit und sogar Verhalten zu untersuchen.

Sie wählten eine Reihe von neun Genen aus, die in den menschlichen GWAS-Studien identifiziert wurden und die Teil der Maschinerie sind, die eine bestimmte Art der DNA-Reparatur durchführt, die Art, die das „Hoppla“ der CAG-Verlängerung antreibt. Dann nutzten sie spezialisierte Mausgenetik und Zuchtschemata, um HD-Mäuse zu erzeugen, denen eine oder beide Kopien dieser DNA-Reparaturgene fehlten.

In jeder dieser HD-Mäuse, denen Gene wie Msh3, Pms1, Mlh1 und andere fehlten, konnten sie mehr darüber erfahren, wie sich das Herumspielen mit der DNA-Reparatur auf die CAG-Expansion, die RNA-Nachrichtenproduktion (die Spezialität des Labors), die toxische Huntingtin-Anreicherung und andere Merkmale von HD auswirken könnte. Sie waren überrascht zu erfahren, dass einige Knockouts tiefgreifende positive Folgen hatten, während andere überhaupt keine Wirkung zeigten. Was sie gelernt haben, ist wertvoll für unser Verständnis der HD-Biologie und die Entwicklung von Therapeutika.

Umkehrung von RNA-Veränderungen

Unsere DNA wird von spezialisierten Maschinen gelesen oder „transkribiert“, um RNA-Nachrichten zu erstellen, die schließlich zur Herstellung von Proteinen, den Bausteinen des Lebens, verwendet werden. Es gibt einen ganzen Wissenschaftszweig, der den Ort und die Menge der RNA-Nachricht untersucht, die von verschiedenen Genen erstellt wird – dies ist das Gebiet der Transkriptomik.

Wissenschaftler können ein gesundes Maus-„Transkriptom“ definieren, indem sie sich Tausende von Genen ansehen und fragen, welche normalerweise in verschiedenen Zellen ein- und ausgeschaltet werden und wie viel von jeder RNA-Nachricht vorhanden ist. Dann können sie sich ansehen, wie sich dies im Laufe der Zeit in einer HD-Maus ändert, oder experimentieren, um zu sehen, was dazu beitragen könnte, die RNA-Werte der Maus wieder auf normal zu bringen.

Das Yang-Labor arbeitete mit einer Art von Maus, die HD modelliert und im Vergleich zu normalen Mäusen große Veränderungen in ihrem Transkriptom aufweist. Viele Gene produzieren mehr oder weniger RNA als sie sollten, insbesondere in mittelgroßen stacheligen Neuronen, den Zellen, die bei HD am anfälligsten sind. Als das Yang-Labor die Hälfte von Msh3 und Pms1 in ihrem HD-Mausmodell „ausschaltete“, sahen sie eine teilweise Umkehrung der RNA-Veränderungen in mittelgroßen stacheligen Neuronen. Wenn Msh3 oder Pms1 vollständig verschwunden waren, wurden die RNA-Veränderungen fast vollständig umgekehrt, oft bis zu einem Jahr lang (ein halbes Leben lang für eine Labormaus!). Das Ausschalten einiger anderer Gene – Msh2 und Mlh1 – hatte ebenfalls einige Umkehreffekte, aber diese waren moderater. Einige Gen-Knockouts hatten überhaupt keine Wirkung.

Mitglieder des Yang-Labors sind weltweit Experten für die Untersuchung der HD-Transkriptomik, und sie verwendeten mehrere hochmoderne Labortechniken sowie verschiedene statistische Ansätze, um ihre Ergebnisse zu bestätigen. Sie untersuchten die RNA-Spiegel in vielen Zellen bis hinunter zur Ebene einzelner Zellen und untersuchten auch, wie fest die DNA um ihre „Spule“, das sogenannte Chromatin, gewickelt war. In allen Fällen schien das Ausschalten von Msh3 und Pms1 die HD-bedingten Veränderungen umzukehren.

Beruhigung von CAGs und Klumpen

Parallel dazu maß das Yang-Labor die Menge an somatischer Instabilität – die Verlängerung von CAG-Repeats – in verschiedenen Teilen des Gehirns und des Körpers. Bei dieser Art von HD-Maus werden die CAG-Repeats im Laufe der Zeit länger, insbesondere in den Zellen des Striatums. Tatsächlich verwendete diese Gruppe Statistiken, um die Rate zu definieren, mit der sich CAGs in diesen anfälligen Mausgehirnzellen ausdehnen: Sie beträgt etwa 8,8 CAG-Repeats pro Monat. (Diese Expansionsraten gelten NICHT für Menschen – diese Mäuse beginnen mit 140 Repeats und sind für Experimente konzipiert.)

Das aufregende Ergebnis ist, dass diese Rate stark sank, wenn die Mäuse weniger oder kein Msh3 oder Pms1 hatten. Tatsächlich verlangsamte das Entfernen beider Kopien von Msh3 diese Rate auf 0,3 zusätzliche CAG-Repeats pro Monat, bis zu einem Alter von 20 Monaten – das ist im Grunde eine stabile Repeat-Länge in einer alten Maus!

Gleichzeitig beobachteten Yang und Kollegen, dass HD-Mäuse mit der Hälfte oder keinem Msh3 oder Pms1 auch viel weniger Klumpen von Huntingtin-Protein im Striatum hatten. Die Ansammlung dieser Klumpen ist ein klassisches Merkmal von HD, von dem viele Wissenschaftler vermuten, dass es für Gehirnzellen giftig sein könnte. Das Entfernen von Msh3 verhinderte die Bildung von Huntingtin-Klumpen auch in anderen Bereichen des Gehirns. Die Menge an verklumptem Huntingtin schien mit der Menge an abnormalen RNA-Veränderungen übereinzustimmen, die sie zuvor gesehen hatten.

Darüber hinaus konnten sie Ergebnisse aus anderen Labors bestätigen, die zeigen, dass es einen Schwellenwert von CAG-Repeats zu geben scheint – etwa 150 -, ab dem die Zelle beginnt, mehr Stress zu erfahren. Sie verbanden diesen Schwellenwert mit höheren RNA-Veränderungen: Die CAG-Expansion beschleunigt und verschlimmert diesen Stress.

Verhinderung von Gehirn- und Verhaltensänderungen

Wir lieben Mathematik und mehrfarbige Regenbogen-Diagramme, aber es ist noch cooler, eine Verbindung zwischen Genetik und Verhaltensgesundheit zu sehen. Eine Möglichkeit, in der diese Arbeit einen Fortschritt darstellt, ist, dass die Autoren zeigen, wie das Ausschalten der Gene, die die CAG-Expansion verhindern, auch Auswirkungen auf Gehirnzellen und die Bewegung von Mäusen haben kann.

Diese Art von HD-Maus neigt dazu, Veränderungen in den Verbindungen zwischen Neuronen, den sogenannten Synapsen, sowie eine Vergrößerung von Stützzellen, den sogenannten Astrozyten, zu zeigen. Die Mäuse haben auch Probleme mit ihrem Gang und ihrer Bewegung. Als die Forscher jedoch Msh3 ausschalteten, beobachteten sie keine dieser HD-bedingten Veränderungen mehr bei den Mäusen. Dies ist ein weiterer Beweis für die Rolle von Msh3 bei HD und deutet darauf hin, dass es ein gutes Angriffsziel für Medikamente ist.

Beachten Sie, dass dies nicht der Hauptfokus der Arbeit war – sie betrachteten nur einige Merkmale der Gehirngesundheit und eine Verhaltensaufgabe – aber es ist dennoch eine vielversprechende Verbindung.

Kleine Schritte befeuern zukünftige Behandlungen

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass HDBuzz seit einiger Zeit (laut und häufig) die somatische Instabilität betont und dass wir viele ähnliche Botschaften präsentiert haben: Die CAG-Repeat-Expansion scheint zu HD beizutragen, und Wissenschaftler haben einige Möglichkeiten gefunden, sie zu bekämpfen. Diese Arbeit ist keine Ausnahme; wieder einmal sind Gene wie Msh3 und Pms1 Schuldige, die zum großen Nutzen im Gehirn einer Art von HD-Maus „ausgeschaltet“ werden können.

All diese einzelnen Fortschritte mögen klein erscheinen, aber Veröffentlichungen wie diese stellen jahrelange Zusammenarbeit eines großen Teams dar, die durch häufigen Input einer internationalen Gemeinschaft von HD-Wissenschaftlern geprägt ist. Wir haben uns entschieden, diese spezielle Arbeit hervorzuheben, weil sie die Punkte zwischen CAG-Expansion, abnormalen RNA-Nachrichten und Veränderungen in der Gehirngesundheit und im Verhalten verbindet.

Die Autoren warnen davor, dass wir viel mehr Informationen benötigen, um den Zusammenhang zwischen Msh3 und Pms1 und den Symptomen von HD wirklich zu verstehen. Sie räumen auch ein, wie wir es immer tun, dass Mäuse keine Menschen sind. Diese Mäuse beginnen ihr Leben insbesondere mit 140 CAGs in jeder Zelle ihres Körpers, was viel höher ist als selbst in den meisten Fällen von juveniler HD beim Menschen. CAG-Repeats expandieren bei Menschen nicht annähernd so schnell wie bei diesen experimentellen Mäusen.

Dennoch liefern ihre Daten zusammen mit denen anderer Labors, die unermüdlich daran arbeiten, HD zu verstehen, ein starkes Argument für die Entwicklung von Therapien, die auf Msh3 und Pms1 basieren. Und diese Bemühungen sind in der Tat im Gange!

Mehr erfahren

• Distinct mismatch-repair complex genes set neuronal CAG-repeat expansion rate to drive selective pathogenesis in HD mice (open access)