BAC tot de basis: een nauwkeuriger muismodel voor de ziekte van Huntington
Een genetisch aangepast muismodel voor de ziekte van Huntington laat zien dat de CAG-herhaling de neiging heeft om te groeien, net zoals we zien bij mensen met de mutatie.
Een Californische onderzoeksgroep heeft een nieuw muismodel van de ziekte van Huntington gemaakt dat veel meer lijkt op de menselijke ZvH dan ooit tevoren. Hoe kan dit ons helpen om precies uit te zoeken hoe de mutatie ZvH bij mensen veroorzaakt?
CAG’s en herhalingsinstabiliteit
De ziekte van Huntington (ZvH) wordt veroorzaakt wanneer drie DNA ‘letters’ – C, A en G – te vaak achter elkaar worden herhaald in het huntingtine-gen. En gemiddeld geldt: hoe meer CAG’s iemand in dat gen heeft, hoe eerder zij symptomen van ZvH zullen ontwikkelen.
Wat je misschien niet weet is dat bij mensen met ZvH de CAG-herhaling instabiel is en gedurende hun leven de neiging heeft om groter te worden, vooral in de hersencellen. We weten dit al een tijdje, maar in de afgelopen jaren hebben grote genetische studies de onderzoeksschijnwerper echt gericht op wat herhalingen instabiel maakt.
Dat komt omdat ze ontdekten dat mensen met een grotere neiging tot groei van de CAG-herhaling gemiddeld de mensen waren bij wie de ZvH sneller verergerde, zelfs als rekening werd gehouden met het aantal CAG-herhalingen waarmee hun cellen begonnen.
Nog belangrijker is dat deze genetische studies aantoonden dat bijna alle niet-huntingtine-genen die de progressie van ZvH beïnvloeden, waarschijnlijk betrokken zijn bij het veroorzaken of voorkomen van herhalingsexpansie.
Hoewel we weten dat herhalingsexpansie belangrijk is en dat het uiteindelijk de neuronale schade veroorzaakt die we zien bij de ziekte van Huntington, zijn we nog niet zeker van alle tussenstappen. Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan met cel- en diermodellen van de ziekte van Huntington om die vraag te beantwoorden. Dit werk is essentieel, want om nieuwe behandelingen te ontwikkelen moeten we elke stap in de ziekte begrijpen, van herhalingsexpansie tot neuronale schade.
BAC tot de basis
Hier komen William Yang en zijn team van de Universiteit van Californië in Los Angeles in beeld, met een nieuw ZvH-muismodel genaamd ‘BAC-CAG’. De naam komt van hoe het werd gemaakt; BAC staat voor ‘bacterial artificial chromosome’, wat beschrijft hoe ze erin slaagden om het hele menselijke Huntingtine-gen in het genoom van de muis te plaatsen.
Normaal gesproken willen wetenschappers dat hun ziektemodel zo consistent mogelijk blijft in de tijd, dus eerdere ZvH-muizen, gemaakt voordat we beseften hoe belangrijk herhalingsexpansie is, hadden DNA-sequenties die waren ontworpen om stabiel te blijven gedurende het leven van de muis. Dat werd gedaan door de CAG-reeks in het DNA te onderbreken met ‘CAA’-sequenties. Deze CAA’s veranderen het eiwit dat door het gen wordt gemaakt niet, maar ze stoppen wel de herhaling om groter te worden. De nieuwe BAC-CAG-muis van Yang heeft echter een ononderbroken CAG-herhaling – waardoor het meer lijkt op de DNA-sequentie die we zien bij mensen met ZvH.
Hoe zien de nieuwe muizen eruit?
“Belangrijk is dat, net als bij mensen, de BAC-CAG-muizen CAG-expansie vertoonden die het meest uitgesproken was in het striatum.”
De eerste stap met een nieuw muismodel van ZvH is controleren of het ZvH-achtige symptomen ontwikkelt. De BAC-CAG-muizen ontwikkelden inderdaad problemen met hun beweging en hadden verstoorde slaap. Bij mensen wordt het deel van de hersenen dat het vroegst en het meest prominent wordt aangetast, gevormd door een groep hersencellen die ‘medium spiny neurons’ worden genoemd, in een diep gebied dat het striatum heet. Belangrijk is dat de BAC-CAG-muizen vroeg verlies van juist deze neuronen vertoonden, evenals wat ontstekingen in dit gebied. En net als bij menselijke ZvH hoopte het gemuteerde huntingtine-eiwit zich op in klonters, aggregaten genoemd, in de neuronen van het BAC-CAG-muisstriatum.
Zoals we hierboven bespraken, groeit de CAG-herhaling gedurende het hele leven, maar de snelheid varieert in verschillende weefsels in het lichaam. In delen die niet door ZvH worden aangetast, is het relatief stabiel – daarom verandert de CAG-telling bij een bloedtest over het algemeen niet – maar in het striatum kan het enorme expansie vertonen. Belangrijk is dat, net als bij mensen, de BAC-CAG-muizen CAG-expansie vertoonden die het meest uitgesproken was in het striatum.
We weten dat in het striatum van mensen met ZvH de zorgvuldig gecontroleerde aan- en uitschakeling van veel genen verstoord is. Eerdere vergelijkbare muismodellen vertoonden slechts een fractie van deze verstoring, maar in BAC-CAG zag het team van Yang een veel grotere verstoring, en ze ontdekten dat het sterk leek op wat we bij mensen zien.
De nieuwe muizen gebruiken om CAG-instabiliteit te bestuderen
Nadat was aangetoond dat BAC-CAG-muizen nauw nabootsen wat we zien bij mensen met ZvH, konden Yang en collega’s vervolgens op zoek gaan naar het verband tussen CAG-herhalingsinstabiliteit en ziekte.
Je herinnert je dat eerdere muismodellen CAA-onderbrekingen hebben om de herhalingslengte stabiel te houden. Zowel CAG als CAA vertelt de cel om een glutamine-bouwsteen in te voegen bij het maken van het huntingtine-eiwit, dus ongeacht of de herhaling alleen uit CAG’s bestaat, of als er enkele onderbreking-CAA’s zijn, zal het eiwit een lange rij glutamines bevatten.
Toen Yang en collega’s veel verschillende muismodellen vergeleken, ontdekten ze dat de mate van verstoring van genetische schakeling werd beïnvloed door het aantal pure, ononderbroken CAG’s in het huntingtine-gen. Deze verstoring had echter geen verband met het aantal glutamines in het eiwit. Dat betekent dat het het aantal ononderbroken CAG’s is dat het verloop van ZvH bepaalt. Dit weerspiegelt wat we bij mensen zien – maar vertelt ons nog steeds niet hoe herhalingsexpansie ziekte veroorzaakt.
Bij BAC-CAG-muizen ontdekte het team van Yang dat hoe meer herhalingsexpansie er in de hersenen was, hoe meer hun beweging en slaap verstoord waren. Hoewel we dit al vermoedden uit genetische studies bij mensen, is dit de eerste keer dat herhalingsexpansie direct is gekoppeld aan symptomen bij ZvH-muizen; het versterkt echt het argument dat expansie een sleutelrol speelt bij het veroorzaken van de ziekte.
Wat betekent dit voor mensen?
Hoe zou CAG-herhalingsexpansie dus ZvH kunnen veroorzaken? We dachten lang dat het kwam door het maken van een eiwit dat toxisch was, bijvoorbeeld door te aggregeren in cellen en ze te laten sterven. 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 het eiwit dat het maakt; eerst worden de instructies in het DNA gekopieerd naar een verwant molecuul dat RNA heet, en dan wordt dat ‘vertaald’ in eiwit. Yang en collega’s ontdekten dat er abnormale RNA-moleculen werden gemaakt van het huntingtine-gen, en andere groepen hebben eerder aangetoond dat deze RNA-moleculen toxisch kunnen zijn voor cellen. Ze ontdekten ook dat RNA van het huntingtine-gen zich ophoopte in cellen – het soort ding dat andere degeneratieve ziekten zoals myotone dystrofie blijkt te veroorzaken.
DNA lezen is meestal een zeer georganiseerd proces dat aan het begin van een gen begint en in de juiste richting verder gaat. Wanneer er echter een lange repetitieve reeks DNA is, zoals bij ZvH, raakt de machinerie soms verdwaald, en het proces begint binnen de herhaling zelf, en kan in beide richtingen gaan. Dit achterwaarts lezen kan veel verschillende soorten vreemde kleine eiwitten maken, waarvan sommige toxisch kunnen zijn. Yang en collega’s toonden aan dat deze kleine eiwitten werden geproduceerd in de hersenen van de BAC-CAG-muizen, maar dat het pas laat in het ziekteverloop begon, lang nadat ze symptomen hadden ontwikkeld. Ze concludeerden dat dit proces zou kunnen bijdragen aan de late stadia van ZvH, maar waarschijnlijk geen belangrijke vroege stap is.
Wat is de volgende stap?
Waar staan we nu? Hebben we de verbanden gelegd tussen CAG-herhalingsexpansie en neuronale schade? Nog niet helemaal, maar de BAC-CAG-muis heeft ons geholpen uit te zoeken welke processen betrokken zouden kunnen zijn, en welke minder waarschijnlijk verantwoordelijk zijn. Deze muis heeft geholpen om CAG-expansie te bevestigen als een belangrijke vroege gebeurtenis in ZvH. Herhalingsexpansie leidt op zijn beurt tot neuronale schade, en de processen onderweg hebben waarschijnlijk te maken met een combinatie van verstoring van genetische schakeling, de ophoping van eiwitten in neuronen, ontsteking en toxisch RNA.
Er is nog veel meer werk te doen om uit te zoeken welke van deze processen het belangrijkst zijn voor het veroorzaken van de neuronale schade bij ZvH. En goed nieuws – de medicijnen komen eraan! Nieuwe behandelingen gericht op herhalingsexpansie zullen naar verwachting dit jaar klinische trials ingaan, en het werk van Yang 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.
Meer informatie
Bronnen & Referenties
Voor meer informatie over ons openbaarmakingsbeleid, zie onze FAQ…
