Huntingtine pakt een hamer: DNA-reparatie bij de ziekte van Huntington

DNA-schade is een hot topic bij de ziekte van Huntington – en nieuw onderzoek biedt een intrigerende verklaring. Canadese onderzoekers hebben een mogelijke rol voor huntingtine ontdekt bij de reparatie van DNA. Ze speculeren dat het normale eiwit naar de celkern wordt gehaald om een ondersteunende structuur te bieden voor een bouwploeg van DNA-reparatie-eiwitten. Gemuteerd huntingtine kan wel naar de werkplek komen, maar kan de taak niet uitvoeren.

Het huntingtine-eiwit vastpinnen

Een onregelmatige reeks CAG-herhalingen is de genetische bron van de ziekte van Huntington. Het grote mysterie is hoe deze eenvoudige toevoeging aan een enkel gen de achteruitgang veroorzaakt van specifieke hersengebieden die stemming, beweging en redenering controleren. HD-onderzoek legt meestal de nadruk op de mutatie, waarbij de disfunctie die hieruit voortvloeit in cellen en muizen wordt gemodelleerd. Deze aanpak blijft ons begrip van HD vergroten, maar even belangrijk is het onderzoek naar de normale functie van huntingtine. Wat zou het precies moeten doen, en hoe wordt die activiteit verstoord bij HD?

Huntingtine is een enorm, multifunctioneel eiwit, en we weten dat het essentieel is voor de ontwikkelende hersenen. Eerder onderzoek heeft het gedefinieerd als een bemiddelaar van transport en communicatie binnen zenuwcellen. Belangrijk is dat huntingtine ook in en uit de celkern kan bewegen, het controlecentrum van de cel, waar DNA wordt opgeslagen. We weten niet precies waarom huntingtine toegang tot de kern nodig heeft, maar een recente studie biedt een verklaring, wijzend op een cruciale taak: de reparatie van beschadigd DNA.

Toezicht houden op DNA-schadereparatie

DNA wordt voortdurend intensief gebruikt om cellulaire bouwstenen te construeren en moleculaire boodschappen te wijzigen. Het loopt regelmatig schade op die onmiddellijk moet worden hersteld – tot wel een miljoen keer per dag – en er is een hele ploeg eiwitten betrokken bij het onderhoud.

In 2015 rapporteerden we over een gen dat in de celkern DNA-schade opspoort en reparatie-eiwitten rekruteert om het te herstellen. Dit schadeopsporing-gen heet ataxia telangiectasia mutated, of ATM, en de niveaus ervan waren verhoogd in HD-muizen.

Hoewel ATM andere eiwitten aanstuurde om DNA-schade te herstellen, rekruteerde het ook eiwitten die de cel zouden doden als de schade te groot was. Met andere woorden, in HD-muizen gedroeg ATM zich als een overijverige bouwopzichter, die de reparatieploeg overbelastte en het sloopteam erbij haalde. Als gevolg hiervan verbeterde het halveren van de hoeveelheid ATM in HD-muizen hun gedrag en beschermde het hun hersencellen.

Terwijl ATM toezicht hield op de chaotische renovatieplaatsen waar DNA was beschadigd, kwam gemuteerd huntingtine de celkern binnen. Dit bracht de Canadese onderzoeker Ray Truant van McMaster University ertoe zich af te vragen of ATM het huntingtine-eiwit naar de celkern riep als onderdeel van de DNA-reparatieploeg. Het eerdere werk van het lab ondersteunde dit idee: wanneer DNA-stress optrad in cellen, kreeg huntingtine een soort tijdelijke ID-tag, een zogenaamde post-translationele modificatie, die het toegang tot de celkern zou geven. Bij nader onderzoek verschenen huntingtine en ATM op dezelfde plekken in de celkern. Zou huntingtine reageren op de oproep van ATM en de celkern binnengaan om DNA-schade te helpen herstellen?

Huntingtine-koplampen en de ATM-voorman

Het team van Truant, onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Tam Maiuri, gebruikte een innovatieve methode om hun hypothese te onderzoeken, met behulp van moleculen genaamd “chromobodies”. Deze kunnen zich hechten aan specifieke eiwitdoelen en fluorescerend licht uitstralen, waardoor werkende eiwitten worden verlicht die onder een microscoop kunnen worden gevolgd. In dit geval was het alsof er een kleine hoofdlamp aan elk huntingtin-eiwit in de celkern werd bevestigd. Een kanttekening is dat deze nieuwe techniek soms een beetje toxisch kan zijn, maar het is een volledig nieuwe manier om huntingtin in levende cellen zichtbaar te maken.

De onderzoekers redeneerden dat als huntingtine zelf deel uitmaakt van het DNA-reparatieteam, het gloeiende eiwit zich zou verplaatsen naar plaatsen waar DNA was beschadigd, onder leiding van ATM. Om dit te testen, gebruikten ze een uiterst nauwkeurige laserstraal om elke celkern te bestralen, waarbij een streep DNA-schade in zijn kielzog werd geëtst. Kort daarna observeerden ze de aankomst van gloeiende huntingtine-eiwitten langs de beschadigde strook. ATM-eiwitten waren op dezelfde plek verzameld. Toen een medicijn werd gebruikt om ATM uit te schakelen, navigeerden huntingtine-eiwitten niet naar de DNA-schadestreep, wat suggereert dat ATM huntingtine zou kunnen signaleren om zich bij de reparatieploeg te voegen. ATM was niet direct verantwoordelijk voor het bevestigen van huntingtine’s ID-tag voor toegang tot de celkern, dus de rekrutering van huntingtine gebeurt waarschijnlijk via een tussenpersoon. De exacte commandoketen is het onderwerp van toekomstige experimenten.

Huntingtine’s reparatiespecialiteit

DNA-schade komt in vele variëteiten voor – stel je de dubbele helix voor als een houten trap die wordt geteisterd door een groep ruwe kinderen. Er zal onvermijdelijk iets morsen, splinteren of slijten, in minuscule maar onophoudelijke stappen, met potentieel gevaarlijke gevolgen. In de cel kan nalatige reparatie van DNA-streng breuken, structurele vervormingen of onjuiste toevoegingen in extreme gevallen leiden tot kanker of zelfs celdood. Huntingtine arriveerde langs een door laser gemaakte geul van ernstige, veelzijdige DNA-schade – maar welk type reparatie was het daar om te ondersteunen? De meeste eiwitten in de DNA-reparatieploeg hebben een specifieke specialiteit, en het team van Truant wilde huntingtine’s specialiteit bepalen.

Andere recente bevindingen van het Truant-lab suggereerden dat huntingtin de celkern zou kunnen binnengaan als reactie op stressfactoren die enkelvoudige DNA-laesies kunnen veroorzaken. Deze laesies beïnvloeden slechts één “letter” van een enkel paar in de genetische code, wat misschien minimaal klinkt, maar stel je nu een scherpe spijker voor die uit één trede van een houten trap steekt. Enkelvoudige schade wordt op specifieke locaties hersteld door een proces genaamd base excision repair, of BER. Om aan te tonen dat huntingtin een rol zou kunnen spelen in BER, stelden onderzoekers cellen bloot aan een chemische stof die enkelvoudige schade veroorzaakt. Huntingtin reisde niet alleen naar plaatsen waar BER plaatsvond, maar assembleerde ook naast een team van bekende DNA-hersteleiwitten. Alleen eiwitten van het BER-renovatieteam werden biochemisch vastgemaakt aan huntingtin. Dit suggereert dat huntingtin zou kunnen fungeren als een steiger, die een raamwerk biedt voor andere BER-eiwitten om DNA-plaatsen te bereiken die werk nodig hebben. Opnieuw arriveerde huntingtin alleen op herstelplaatsen wanneer ATM actief was, wat impliceert dat het door ATM werd gerekruteerd.

Gemuteerd huntingtine komt werken en verprutst de klus

Bij HD-muizen was het verlagen van ATM-niveaus gunstig, misschien omdat het ATM’s verkeerd gerichte DNA-reparaties en overijverige sloopacties temperde. Maar als huntingtine zelf helpt bij het repareren van DNA-laesies, is er misschien een verschil in hoe normaal versus gemuteerd huntingtine naar de celkern beweegt, of deelneemt aan de reparatieklus. Maiuri redeneerde dat gemuteerd huntingtine minder mobiel of minder efficiënt zou kunnen zijn. Om dit te testen, werkte ze met normale en gemuteerde huidcellen gedoneerd door HD-patiënten en hun partners.

Het blijkt dat mobiliteit niet het probleem was – gemuteerd huntingtine navigeerde naar plaatsen van DNA-schade net als normaal huntingtine. De DNA-schade was echter ernstiger en hardnekkiger in HD-cellen dan in normale cellen, wat suggereert dat gemuteerd huntingtine minder efficiënt is in zijn reparatierol dan normaal huntingtine. We weten niet precies hoe, maar het is mogelijk dat gemuteerd huntingtine een wankele steiger vormt, wat het efficiënt herstellen van beschadigd DNA zou kunnen verhinderen. Bovendien zou het omvangrijke gemuteerde huntingtine op de een of andere manier andere belangrijke zaken in de celkern kunnen belemmeren. Net als bij een langdurige vertraging in de bouw, heb je nu een defecte structuur en extra verkeer. Of gemuteerd huntingtine nu slecht is in zijn DNA-reparatietaak, of drama veroorzaakt rond de werkplek, het wordt een verlies-verlies situatie voor ATM om het naar de celkern te roepen. Dit zou kunnen verklaren waarom het verlagen van ATM-niveaus in HD-muizen gunstig was.

Vooruitgang: DNA-schade bij HD bestuderen

Over het algemeen wijzen de gegevens op een mogelijke rol voor normaal huntingtine bij DNA-reparatie, en de auteurs konden speculeren over hoe de HD-mutatie die functie zou kunnen verstoren. Er zijn meer experimenten nodig om de link tussen ATM en huntingtine te versterken, en om te begrijpen hoe ze mogelijk communiceren over DNA-reparatie in tijden van stress. Hoewel de chromobody-techniek een nieuwe en nuttige manier is om de beweging van huntingtine te observeren, informeert de overlap van twee gloeiende eiwitten ons niet volledig over hoe en waarom ze zouden interacteren. Huntingtine heeft vele functies, en er is een kans dat zijn aanwezigheid in de celkern naast ATM en DNA-reparatiegenen toevallig is, of beïnvloed wordt door de chromobody-techniek.

Niettemin is een directe link tussen huntingtine en DNA-schade-eiwitten zoals ATM intrigerend. Hoe beter we begrijpen hoe normaal huntingtine werkt en met welke cellulaire partners, hoe sneller we medicijnen kunnen ontwerpen die de gemuteerde vorm blokkeren of omleiden. Bovendien zijn deze bevindingen bijzonder actueel: toenemend bewijs uit het veld van humane genetica suggereert dat DNA-schade een rol zou kunnen spelen bij vroeger begin van HD. Kortom, DNA-reparatie is een hot topic in HD met opwindend therapeutisch potentieel, en meer gedetailleerde mechanistische experimenten zullen zeker volgen.

Meer informatie

• Origineel artikel van het Truant-lab (volledig artikel vereist betaling of abonnement)