Een Californische onderzoeksgroep heeft een nieuw muismodel van de ZvH gemaakt dat veel meer op de menselijke variant lijkt dan ooit tevoren. Hoe zou het ons kunnen helpen om precies uit te zoeken hoe de mutatie de ZvH bij mensen veroorzaakt?

CAG’s en herhaalde instabiliteit

De ziekte van Huntington (ZvH) wordt veroorzaakt wanneer drie ‘DNA-letters’ – C, A en G – te vaak worden herhaald in het huntington-gen. En, gemiddeld, hoe meer CAG’s een persoon in dat gen heeft, hoe eerder de neiging om symptomen van de ZvH te ontwikkelen.

Wat u misschien niet weet, is dat bij mensen met de ZvH de CAG-herhaling onstabiel is en de neiging heeft om gedurende hun hele leven toe te nemen, vooral in de hersencellen. We weten dit al een tijdje, maar de laatste jaren hebben grote genetische studies de aandacht van het onderzoek echt gericht op wat deze herhalingen onstabiel maakt.

Dat komt omdat men ontdekte dat bij mensen met een grotere neiging tot CAG-verlenging gemiddeld genomen de ziekte sneller vorderde, zelfs als rekening werd gehouden met het aantal CAG-herhalingen waarmee hun cellen begonnen.

Nog belangrijker, deze genetische studies toonden aan dat bijna alle niet-huntingtongenen die de progressie van de ZvH beïnvloeden waarschijnlijk betrokken zijn bij het veroorzaken of voorkomen van de verlenging.

Hoewel we weten dat CAG-toename belangrijk is en dat het uiteindelijk de neuronale schade veroorzaakt die we bij de ZvH zien, zijn we nog steeds niet zeker van alle tussenliggende stappen. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan met cel- en diermodellen van de ziekte om die vraag te beantwoorden. Dit werk is van vitaal belang, want om nieuwe behandelingen te kunnen ontwerpen, moeten we elke stap in de ziekte begrijpen, van CAG-toename tot neuronale schade.

BAC to basics

Dit is waar William Yang en zijn team van de Universiteit van Californië in Los Angeles op het toneel verschijnen met een nieuw huntington-muismodel genaamd BAC-CAG. De naam komt van hoe het is gemaakt: ‘bacterieel artificieel chromosoom’. Het beschrijft hoe het hele menselijke huntington-gen in het genoom van de muis werd ingebracht.

Gewoonlijk willen wetenschappers dat hun ziektemodel in de loop van de tijd zo stabiel mogelijk is. Voordat we beseften hoe belangrijk de CAG-herhaling is, hadden eerdere huntingtonmuizen DNA-sequenties die ontworpen waren om gedurende het hele leven van de muis stabiel te blijven. Dat gebeurde door de CAG-streng in het DNA te onderbreken met ‘CAA’-sequenties. Deze CAA’s veranderen het eiwit dat door het gen wordt gemaakt niet, maar ze voorkomen wel dat de herhaling groter wordt. De nieuwe BAC-CAG-muis van Yang heeft echter een ononderbroken CAG-herhaling, waardoor hij dichter bij de DNA-sequentie komt die we zien bij mensen met de ZvH.

Hoe zien de nieuwe muizen eruit?

“Belangrijk is dat, net als bij mensen, de BAC-CAG-muizen CAG-herhalingen vertoonden die het meest uitgesproken zijn in het striatum. ”

De eerste stap met een nieuw muismodel van de ZvH is controleren of het huntingtonachtige symptomen ontwikkelt. Inderdaad, de BAC-CAG-muizen ontwikkelden problemen met beweging en een verstoorde slaap. Bij mensen is het deel van de hersenen dat het vroegst en het meest prominent wordt aangetast, een reeks hersencellen die ‘medium stekelige neuronen’ worden genoemd, in een diep gelegen hersengebied dat het striatum wordt genoemd. Belangrijk is dat de BAC-CAG-muizen vroeg verlies van deze neuronen vertoonden, evenals enige ontsteking ontwikkelden in dit gebied. En net als bij de menselijke ZvH bouwde het gemuteerde huntingtine-eiwit zich op tot klonters die aggregaten worden genoemd in de neuronen van het BAC-CAG-striatum van de muis.

Zoals we hierboven hebben besproken, groeit de CAG-herhaling gedurende het hele leven, maar de snelheid varieert in verschillende weefsels van het lichaam. In delen die niet worden aangetast door de ZvH is het relatief stabiel – daarom verandert de CAG-telling bij een bloedtest over het algemeen niet – maar in het striatum kan het een enorme expansie vertonen. Belangrijk is dat, net als bij mensen, de BAC-CAG-muizen CAG-herhalingen vertoonden die het meest uitgesproken waren in het striatum.

We weten dat in het striatum van mensen met de ZvH het zorgvuldig gecontroleerd in- en uitschakelen van veel genen wordt verstoord. Eerdere vergelijkbare muismodellen toonden slechts een fractie van deze verstoring, maar in BAC-CAG zag Yang’s team een veel grotere verstoring en ontdekte dat het mechanisme sterk leek op wat we bij mensen zien.

De nieuwe muizen gebruiken om CAG-instabiliteit te bestuderen

Na te hebben aangetoond dat BAC-CAG-muizen nauw lijken op wat we zien bij mensen met de ZvH, kunnen Yang en collega’s vervolgens op zoek gaan naar het verband tussen de CAG-instabiliteit en ziekte.

U zult zich herinneren dat eerdere muismodellen CAA-onderbrekingen hadden om de herhalingslengte stabiel te houden. Zowel CAG als CAA vertellen de cel om een glutamine-bouwsteen in te voegen wanneer het huntingtine-eiwit wordt aangemaakt. Het eiwit zal een lange rij glutamines bevatten ongeacht of de herhaling alleen uit CAG’s bestaat of er enkele CAA’s aan de CAG-reeks werden toegevoegd.

Toen Yang en collega’s verschillende muismodellen vergeleken, ontdekten ze dat de mate van verstoring van genetische stabiliteit werd beïnvloed door het aantal zuivere, ononderbroken CAG’s in het huntingtine-gen. Deze verstoring had echter geen betrekking op het aantal glutamines in het eiwit. Dat betekent dat het aantal ononderbroken CAG’s de voortgang van de ZvH bepaalt. Dit weerspiegelt wat we bij mensen zien, maar vertelt ons nog steeds niet hoe deze herhalingen de ziekte veroorzaakt.

Bij BAC-CAG-muizen ontdekte het team van Yang dat hoe meer herhalingen zich voordeden in de hersenen, hoe meer hun beweging en slaap werden verstoord. Hoewel we dit reeds vermoedden uit genetische studies bij mensen, is dit de eerste keer dat de expansie direct gekoppeld is aan symptomen bij huntingtonmuizen. Het versterkt echt het argument dat expansie een sleutelrol speelt bij het veroorzaken van de ziekte.

Wat betekent dit voor de mens?

Hoe kan de CAG-herhaling nu huntington veroorzaken? We hebben lang gedacht dat het was door een eiwit te maken dat giftig was, dat vervolgens klonters vormde in de cellen en ze daardoor liet afsterven. Maar er zijn verschillende andere manieren waarop de CAG-herhaling in DNA toxisch kan zijn voor het striatum.

Er zijn bijvoorbeeld een paar stappen tussen het gen en de vorming van het eiwit ; eerst worden de instructies in het DNA gekopieerd naar een verwant molecuul, RNA genaamd en dat wordt dan ‘vertaald’ in een eiwit. Yang en collega’s ontdekten dat abnormale RNA-moleculen werden aangemaakt door het huntington-gen. Andere groepen hebben eerder aangetoond dat deze RNA-moleculen giftig kunnen zijn voor de cellen. Ze ontdekten ook dat RNA van het huntington-gen zich opstapelde in de cellen - iets waarvan is aangetoond dat het andere degeneratieve ziekten veroorzaakt zoals myotone dystrofie.

Het aflezen van DNA is meestal een zeer georganiseerd proces dat start bij het begin van een gen en zich vervolgens een weg baant in de juiste richting. Wanneer er echter een lange zich herhalende strook DNA is, zoals bij de ZvH, loopt het proces soms verloren. Het startpunt bevindt zich dan dan binnen de herhaling zelf en kan beide richtingen uitgaan. Deze achterwaartse lezing kan veel verschillende soorten vreemde kleine eiwitten maken, waarvan sommige giftig kunnen zijn. Yang en collega’s toonden aan dat deze kleine eiwitten werden geproduceerd in de hersenen van de BAC-CAG-muizen, maar pas laat in het ziekteverloop, lang nadat ze symptomen zich ontwikkelden. Ze concludeerden dat dit proces zou kunnen bijdragen aan de late stadia van de ziekte maar het is onwaarschijnlijk dat het belangrijk is in een vroeger stadium.

Wat nu?

Waar staan we nu? Hebben we het verband tussen de CAG-herhaling en de neuronale schade gevonden? Nog niet helemaal, maar de BAC-CAG-muis heeft ons geholpen om uit te zoeken welke processen daarbij betrokken kunnen zijn en welke minder verantwoordelijk zijn. Deze muis heeft bevestigd dat de CAG-herhaling een belangrijke vroege gebeurtenis is in de ZvH. Deze herhaling leidt op zijn beurt tot neuronale schade en de processen onderweg bestaan waarschijnlijk uit een combinatie van verstoorde genetische omschakeling, de opbouw van eiwitten in neuronen, ontstekingen en toxisch RNA .

Er is nog veel meer werk te doen om erachter te komen welke van deze processen het belangrijkst is bij het veroorzaken van neuronale schade bij de ZvH. En het goed nieuws: de medicijnen komen eraan! Nieuwe behandelingen die gericht zijn op herhaalde expansie, zullen naar verwachting dit jaar starten met klinische proeven en Yang’s werk met de nieuwe muis geeft ons reden om te hopen dat ze effectief zullen zijn in het stoppen van deze schadelijke processen voordat neuronale schade optreedt.

Deel