Den genetischen Schneeball stoppen: Wie eine einfache genetische Unterbrechung die Huntington-Krankheit verlangsamt

Die genetische Veränderung, die die Huntington-Krankheit verursacht, führt zu verschiedenen Problemen für die Zellen. Forscher glauben, dass sie von einem Kernproblem herrühren könnten: Die Länge der genetischen Veränderung nimmt mit der Zeit zu, wie ein Schneeball, der an Masse gewinnt, wenn er bergab rollt. Dieses genetische Phänomen, das als somatische Instabilität oder somatische Expansion bekannt ist, scheint ein Hauptfaktor für das Fortschreiten der Krankheit zu sein. In einer aktuellen Studie haben Wissenschaftler eine neue Variante von CRISPR, einem leistungsstarken Gen-Editing-Tool, entwickelt, um diese genetische Expansion zu unterbrechen und so möglicherweise den Weg für neue therapeutische Möglichkeiten zu ebnen.

Ein genetischer Schneeball

Huntington wird durch eine Veränderung in einem Gen namens HTT verursacht, und zwar dort, wo sich die genetischen Buchstaben C-A-G mehrmals wiederholen. Bei Betroffenen ist dieser CAG-Abschnitt länger als normal, wodurch eine tödliche Kettenreaktion in den Gehirnzellen in Gang gesetzt wird. Im Gegensatz zu den meisten Mutationen, die das ganze Leben lang gleich bleiben, werden die CAG-Wiederholungen in HTT mit dem Alter länger, wie ein Schneeball, der immer schneller wird, während er bergab rollt.

Bei der Geburt haben die meisten Menschen mit Huntington etwa 40 bis 50 CAG-Wiederholungen in ihrem HTT-Gen. Mit der Zeit wächst diese Zahl in den Zellen exponentiell an und übersteigt manchmal 500 Wiederholungen, wenn sich Symptome entwickeln! Wenn die anfängliche Wiederholung einen kritischen Schwellenwert überschreitet (36 Wiederholungen), entwickelt sich die Expansion mit der Zeit zu einer Art genetischem Schneeball und gerät außer Kontrolle.

Die Huntington-Krankheit ist jedoch nicht allein. Sie gehört zu einer breiteren Kategorie von Krankheiten, die als Trinukleotid-Wiederholungsstörungen bezeichnet werden – ein schicker Begriff für 3 (tri) genetische Buchstaben (Nukleotide), die sich wiederholen. Diese Erkrankungen haben alle ein ähnliches Problem mit schneeballartigen Mutationen. Ein Beispiel dafür ist die Friedrich-Ataxie, die durch eine wachsende CTG-Wiederholung ausgelöst wird, die sich im Laufe der Zeit ebenfalls verschlechtert.

Die Beobachtung, dass mehrere Gehirnerkrankungen durch eine wachsende Trinukleotidwiederholung verursacht werden, wirft eine wichtige Frage auf: Warum sind wachsende Trinukleotidsequenzen so giftig für Gehirnzellen? Normalerweise werden Gene wie HTT verwendet, um Boten-RNA, auch mRNA genannt, zu produzieren, eine temporäre Kopie der DNA, die zur Herstellung von Proteinen, den Maschinen der Zelle, verwendet wird. Lange Trinukleotid-Wiederholungen führen jedoch dazu, dass sich die RNA zu superverschlungenen und stabilen Knoten verdreht und die Proteinbildungsmaschinerie der Zelle verstopft. Wenn diese verhedderten RNAs länger und häufiger werden, stören sie zunehmend die Proteinproduktion und tragen schließlich zum Zelltod bei.

Unterbrechung der Instabilität

Was wäre, wenn es einen Weg gäbe, diesen Schneeballeffekt zu unterbrechen, bevor er außer Kontrolle gerät? Wissenschaftler der Harvard University unter der Leitung von Dr. David Liu stellten die Hypothese auf, dass sie die sich wiederholende CAG-Sequenz unterbrechen könnten, indem sie einfach eines der CAGs durch eine ähnliche, aber harmlose CAA-Sequenz ersetzen.

Durch die Unterbrechung der sich wiederholenden CAGs, selbst mit einer ähnlichen CAA-Sequenz, könnte der zugrunde liegende Weg, der dazu führt, dass die CAGs mit dem Alter wachsen, blockiert werden! Mit anderen Worten: Das Einfügen einer CAA-Sequenz ist so, als würde man ein Stück Felsen auf den Hügel legen, so dass der Schneeball dagegen prallt und sein Schwung gebrochen wird!

Liu und sein Team wurden durch frühere Forschungen inspiriert, die zeigten, dass CAA-Unterbrechungen den Ausbruch der Krankheit zu verzögern scheinen. Normalerweise ist die Anzahl der CAG-Wiederholungen ein wichtiger Indikator für die Entwicklung der Huntington-Krankheit. In genetischen Studien wurden jedoch Menschen mit langen CAG-Wiederholungen identifiziert, bei denen sich der Ausbruch der Krankheit verzögert.

Bei näherer Betrachtung stellte sich heraus, dass diese genetischen Ausreißer kurze CAA-Unterbrechungen innerhalb ihrer CAG-Strecke enthielten. Bemerkenswerterweise waren diese einfachen Unterbrechungen mit einer 12-jährigen Verzögerung des Ausbruchs der Krankheit verbunden! Angeregt durch diese Beobachtungen fragten sich Liu und sein Team, ob sie absichtlich CAA-Sequenzen in Zellen mit dem Gen für HD einfügen könnten und ob dies den schützenden Effekt wiederherstellen könnte.

CRISPR knackt den Schneeball

Präzise genetische Veränderungen, wie der Austausch eines CAG gegen ein CAA, sind in der Theorie einfach, aber in der Praxis eine große Herausforderung. Liu und sein Team wandten sich an CRISPR, ein Gen-Editing-Tool, das wie eine molekulare Schere funktioniert, um bestimmte DNA-Sequenzen zu verändern. Sie entwickelten eine spezielle Art von CRISPR, das sogenannte Base Editing, das nach CAG-Wiederholungen sucht und einige von ihnen gegen CAAs austauscht.

Anhand menschlicher Zellen, die in Petrischalen wuchsen, fanden sie heraus, dass ihre CRISPR-Base-Editing-Strategie die HTT-CAG-Wiederholung in etwa 80 % der Zellen erfolgreich veränderte, ohne Anzeichen von Toxizität. Noch vielversprechender war, dass diese einfachen CAA-Unterbrechungen die CAG-Repeat-Expansion nach 30 Tagen zu stoppen schienen. Sie stellten sogar fest, dass die CRISPR-editierten Zellen schneller zu wachsen schienen und gesünder aussahen!

Da diese Art von CRISPR auf alle CAG-Wiederholungen abzielt (nicht nur auf die in HTT) und auch CAA-Unterbrechungen in sie einführt, mussten sie bestätigen, dass andere Gene nicht versehentlich unterbrochen wurden. Insgesamt fanden sie etwa 250 andere Gene, die durch CRISPR verändert wurden, wahrscheinlich weil sie ähnliche CAG-Wiederholungen enthielten. Allerdings sind nur etwa 50 von ihnen in den Gehirnzellen aktiv, und nur eines schien signifikant gestört zu sein. Dieser Befund schließt das Risiko zwar nicht aus, deutet aber darauf hin, dass unbeabsichtigte Änderungen wahrscheinlich keine ernsthaften Probleme verursachen. Ungeachtet dessen wird die Minimierung versehentlicher Bearbeitungen in Zukunft höchste Priorität haben!

Unterbrechung von CAGs mit CRISPR

Jetzt kommt die große Herausforderung: Kann das Team die CRISPR-Maschinerie in Zellen eines lebenden Gehirns einschleusen und die CAG-Sequenzen erfolgreich bearbeiten? Das Team von Liu verwendete ein Mausmodell der Huntington-Krankheit, das 110 CAG-Wiederholungen in seinem HTT-Gen trägt, und diese Wiederholungen wachsen schnell, wenn die Mäuse altern (Wiederholungsinstabilität). Um CRISPR in das Gehirn zu bringen, verpackte das Team CRISPR in ein harmloses Virus, das wie ein Gentransportdienst funktioniert und die genetischen Bearbeitungswerkzeuge direkt in die Zellen injiziert.

Vier Wochen nach der Injektion der CRISPR-beladenen Viren in die Mäuse stellten die Forscher fest, dass etwa 30% der Zellen das Gen-Editing-Tool aufgenommen zu haben schienen. Von den 30% der Zellen, die CRISPR enthielten, schienen etwa 75% mindestens eine CAA-Unterbrechung in ihrem HTT-Gen zu haben. Das bedeutet, dass etwa 1 von 5 Gehirnzellen erfolgreich die schützende Genveränderung erhalten hat – nicht perfekt, aber ein vielversprechender Anfang! Nach weiteren 12 Wochen untersuchten die Forscher die Länge der CAG-Wiederholungen und stellten fest, dass die Expansion nicht nur zu stoppen schien, sondern dass sich einige CAG-Wiederholungen sogar verkürzt hatten!

Um herauszufinden, ob ihr Ansatz auch jenseits der Huntington-Krankheit funktioniert, wiederholten die Forscher ihre Experimente in Zell- und Mausmodellen der Friedreich-Ataxie, einer anderen Störung der Wiederholungsexpansion. Spannenderweise stellten sie ähnliche Ergebnisse fest: bis zu 55% der Gehirnzellen schienen Wiederholungsunterbrechungen zu enthalten, und die Wiederholungen schienen im Laufe der Zeit stabil zu sein und zeigten keine Anzeichen von Expansion mit dem Alter.

Wird CRISPR das Eis brechen?

Insgesamt scheinen diese Ergebnisse zu zeigen, dass die schneeballartige Ausbreitung von Wiederholungen bei HTT gestoppt werden kann, und dieser Ansatz könnte sogar für andere Wiederholungsstörungen gelten. Es gibt jedoch einige Gründe zur Vorsicht. Diese Studie konzentrierte sich auf die Frage, ob CRISPR CAA-Unterbrechungen einfügen und das Wachstum der Repeats stoppen kann, aber sie untersuchte nicht, ob dieser Eingriff die Symptome verbessert oder die Krankheit verzögert. Die Auswirkungen eines solchen therapeutischen Ansatzes auf die Anzeichen und Symptome der Huntington-Krankheit zu kennen, ist wichtig, um zu entscheiden, ob dieser Ansatz weiterentwickelt werden sollte.

Darüber hinaus wird es entscheidend sein, unbeabsichtigte Veränderungen an anderen Genen als HTT zu vermeiden, bevor die Versuche am Menschen beginnen. Ein weiteres Problem ist die Verabreichung – menschliche Gehirne sind viel größer als die von Mäusen, und es wird eine besondere Herausforderung sein, CRISPR in genügend Gehirnzellen zu bringen, um etwas zu bewirken.

Ungeachtet dieser derzeitigen Einschränkungen sind diese Ergebnisse ein großer Schritt nach vorn. Mit Fortschritten bei der Genauigkeit des Gen-Editierens und effektiveren Verabreichungsmethoden wird CRISPR wahrscheinlich zu einem mächtigen Werkzeug im Kampf gegen HD und andere Trinukleotid-Repeat-Krankheiten werden.

In Kürze: Die wichtigsten Erkenntnisse

• Das Problem: Huntington wird durch eine Mutation im HTT-Gen verursacht, bei der die CAG-Wiederholungen mit der Zeit wachsen, ein Prozess, der somatische Expansion genannt wird. Dieser „genetische Schneeball“ scheint die Funktion der Gehirnzellen zu verschlechtern und das Fortschreiten der Krankheit zu fördern.
• Die Erkenntnis: Selbst eine kleine Unterbrechung in der sich wiederholenden Sequenz, wie der Austausch eines CAG gegen ein ähnliches und harmloses CAA, kann die Ausbreitung verlangsamen oder stoppen und das Auftreten von Symptomen verzögern.
• Der Durchbruch: Die Wissenschaftler verwendeten ein verfeinertes CRISPR-Werkzeug (genannt Base Editing), um diese potenziell schützenden CAA-Unterbrechungen in das HTT-Gen einzufügen.
• Im Labor: In menschlichen Zellen funktionierte das CRISPR Base Editing in ~80% der Zellen und schien die Expansion zu stoppen und die Zellgesundheit zu verbessern.
• Bei Mäusen: Nachdem CRISPR über eine Virusinjektion verabreicht wurde, wiesen etwa 20% der Gehirnzellen schützende Veränderungen auf und die CAG-Wiederholungen schienen nicht mehr zu wachsen.
• Bonus: Ein ähnlicher Erfolg wurde bei Mausmodellen einer anderen wiederkehrenden Erkrankung, der Friedreich-Ataxie, beobachtet.
• Der Haken: Es ist mehr Arbeit nötig:
  • Verbesserung der Symptome nachweisen
  • Minimieren Sie unbeabsichtigte Auswirkungen
  • Skalierung der Behandlung auf das viel größere menschliche Gehirn
• Warum das wichtig ist: Diese Arbeit zeigt, dass CRISPR zur Unterbrechung von Wiederholungsexpansionen in lebendem Hirngewebe verwendet werden kann. Dies bietet echte Hoffnung für die Behandlung von Huntington und ähnlichen genetischen Störungen.

Mehr erfahren

Original-Forschungsartikel (auf Englisch):„Base Editing von Trinukleotid-Wiederholungen, die die Huntington-Krankheit und die Friedreich-Ataxie verursachen, reduziert somatische Wiederholungsexpansionen in Patientenzellen und in Mäusen“ (freier Zugriff).