De regisseursversie: hoe CAG-herhalingen het bewerken van genetische boodschappen veranderen
Wetenschappers in Massachusetts hebben onlangs ons begrip vergroot van hoe repetitieve sequenties in DNA de creatie en bewerking van genetische boodschappermoleculen in cellen kunnen verstoren, en hoe dit kan leiden tot de productie van schadelijke eiwitten.
Lange repetitieve sequenties van C-A-G letters in de DNA-code worden geassocieerd met ten minste 12 genetische ziekten, waaronder de ziekte van Huntington (ZvH). Een groep wetenschappers in Massachusetts, VS, heeft onlangs een nieuwe genetische strategie ontwikkeld om te bestuderen hoe CAG-herhalingen kunnen leiden tot de productie van schadelijke eiwitten in cellen, waardoor cellen ongezond worden. Hun bevindingen toonden aan dat uitgebreide CAG-herhalingen kunnen interfereren met een proces genaamd ‘splicing’, dat genetische boodschapmoleculen opsplitst en organiseert voordat ze worden omgezet in eiwitten.
CAG-herhaling
Ons DNA is een genetische code die instructies bevat voor het maken van duizenden verschillende eiwitten, de moleculaire machines die onze cellen laten functioneren. Deze code bestaat uit vier bouwstenen of ‘basen’: C, A, G en T. DNA is gerangschikt als een gedraaide ladder met twee DNA-strengen die samen gebonden zijn in een helix, elk gemaakt van een reeks basen. De basen op de ene DNA-streng paren met basen op de tegenoverliggende DNA-streng om de ‘sporten’ van de ladder te vormen.
ZvH staat bekend als een ‘CAG-herhalingsexpansieziekte’. Iedereen heeft een repetitieve sequentie van C-A-G DNA-letters in hun huntingtine-gen, maar mensen die ZvH ontwikkelen hebben meer dan 36 C-A-G herhalingen. Het aantal CAG-herhalingen kan in de loop van de tijd toenemen, wat herhalingsexpansie wordt genoemd, en dit lijkt voornamelijk te gebeuren in cellen die het meest ongezond worden bij ZvH, zoals hersencellen.
Als we precies kunnen begrijpen hoe een langere CAG-herhaling op zichzelf cellen ziek maakt, kunnen we mogelijk hersencellen gezond houden en het moment waarop ZvH-symptomen verschijnen vertragen. Er zijn ook andere ziekten veroorzaakt door expansies in CAG-herhalingen, waaronder spinocerebellaire ataxieën en myotone dystrofieën. Door te proberen overeenkomsten te vinden tussen wat er gebeurt in cellen die door deze andere ziekten worden aangetast, kunnen we mogelijk meer leren over wat er gebeurt bij ZvH.
Scènes knippen in het genetische script
Wanneer een cel een eiwit wil maken dat door een bepaald gen wordt gecodeerd, winden de twee DNA-strengen zich los en scheiden ze zich van elkaar. Cellulaire machinerie leest vervolgens de opengevouwen DNA-basecode en maakt er een kopie van, genaamd een RNA-boodschapmolecuul, een beetje zoals het maken van een fotokopie van een recept uit een kookboek.
Echter, voordat RNA-boodschapmoleculen worden gelezen door de volgende set cellulaire machinerie om het corresponderende eiwit te maken, moet er een essentieel proces plaatsvinden. Net zoals het weglaten van onnodige scènes uit een film om een definitieve gepolijste versie te maken, omvat dit proces het bewerken van de RNA-boodschap om alle overbodige stukjes genetische code die van DNA zijn gekopieerd maar niet echt nodig zijn om een eiwit te maken, te verwijderen. Het proces van het gaan van de onbewerkte RNA-boodschapmolecuul naar een kortere, meer beknopte boodschap wordt ‘splicing’ genoemd. Tijdens splicing worden niet-essentiële delen van de onbewerkte boodschap weggeknipt en de belangrijke delen die overblijven worden aan elkaar geplakt om wat bekend staat als ‘mature’ RNA te produceren. Dit uiteindelijke mature RNA-product bevat alleen de noodzakelijke instructies die de cel nodig heeft om eiwitten te maken.
Uitgebreide CAG-herhalingen kunnen genetische plotwendingen veroorzaken
Bij ziekten veroorzaakt door uitbreidende CAG’s wordt de CAG-herhaling in het DNA gekopieerd naar de RNA-boodschap, wat kan leiden tot de productie van abnormale eiwitten. In het geval van ZvH wordt een extra lange versie van het huntingtine-eiwit gemaakt. Een groep wetenschappers onder leiding van Dr. Jain in Cambridge, Massachusetts, ontdekte eerder dat RNA-boodschappen met herhalingen, samen met de eiwitten die daaruit worden gemaakt, zich combineren tot toxische klonters in cellen die ernstige schade kunnen veroorzaken.
Om precies uit te vinden hoe langere CAG-herhalingen de productie van schadelijke RNA en eiwitten veroorzaken, ontwikkelden Rachel Anderson en collega’s binnen het team van Jain onlangs een slimme nieuwe methode om in detail te kijken naar de precieze genetische boodschap in RNA-moleculen die grote CAG-herhalingen bevatten. Interessant genoeg ontdekten ze dat CAG-herhalingen in RNA fouten veroorzaken tijdens het splitsen van dat RNA-boodschapmolecuul. Uitgebreide CAG-herhalingen in RNA zorgen ervoor dat andere delen van het boodschapmolecuul, soms ver van de CAG-herhaling zelf, worden geknipt en geplakt in of naast de herhaling tijdens splicing.
Hier kan de uitgebreide CAG-herhaling fungeren als de openingstitels van een film, waarin de laatste scènes van de film per ongeluk in de verkeerde volgorde worden ingevoegd. Wanneer dit gebeurt, heeft het plot van de film geen zin meer. Op dezelfde manier heeft de uiteindelijke RNA-boodschap niet veel zin wanneer andere delen van genetische informatie tijdens splicing in de CAG-herhaling worden ingevoegd. Dit leidt tot de creatie van veel verschillende mature RNA’s met herhalingen en onverwachte sequenties.
De onderzoekers ontdekten dat hoe langer de CAG-herhaling in de RNA-boodschap was, hoe meer foutieve splitsingsgebeurtenissen er plaatsvonden. Dit is interessant omdat het CAG-aantal bij ZvH samenhangt met de leeftijd waarop symptomen beginnen en de snelheid waarmee ze vorderen. De onderzoekers toonden aan dat wanneer ze alle splitsingsgebeurtenissen in cellen stopten met behulp van een chemische stof, RNA-boodschappen met herhalingen geen klonters vormden in cellen en dus geen celtoxiciteit veroorzaakten.
Storingen in eiwitproductie
Tot nu toe verklaren deze resultaten hoe uitgebreide CAG-herhalingen leiden tot abnormale en incorrect gesplitste mature RNA-boodschappen, maar wat gebeurt er wanneer deze boodschappen worden gelezen om eiwitten te maken? Alle mature RNA’s die klaar zijn om te worden gelezen door cellulaire machinerie om een eiwit te maken, bevatten een ‘start’-signaal, zoals een groen verkeerslicht. De onderzoekers ontdekten dat soms, wanneer RNA’s met herhalingen incorrect worden gesplitst, er meer van deze startsignalen worden gevonden vóór de herhaling, waardoor er meer verschillende eiwitten worden gemaakt van een enkele RNA-boodschap dan normaal. De onderzoekers veranderden deze startsignalen in de CAG-herhalingbevattende RNA’s om ze uit te schakelen en ontdekten dat dit de productie van abnormale eiwitten stopte.
Afbeelding credits: Friva
De onderzoekers bestudeerden ook de RNA-boodschappen met CAG’s die waren gekopieerd van genen geassocieerd met CAG-herhalingsexpansieziekten, waaronder spinocerebellaire ataxie en myotone dystrofie. De onderzoekers toonden aan dat uitgebreide CAG’s gekopieerd van deze genen ook abnormale splicing in de herhaling veroorzaakten, die opnieuw meer startsignalen voor eiwitaflezing bevatten, wat mogelijk meer abnormale eiwitten kan veroorzaken.
Wat betekent dit voor CAG-herhalingsexpansieziekten?
Het begrijpen van hoe belangrijke processen in cellen worden beïnvloed door lange CAG-herhalingen kan onderzoekers helpen precies te achterhalen hoe cellen ongezond worden bij CAG-herhalingsexpansieziekten en wijzen op welke processen kunnen worden aangepakt met therapeutica. De bevindingen van deze studie voegen een ander stukje toe aan de puzzel van wat er in cellen gebeurt, wat suggereert dat uitgebreide CAG-herhalingen in RNA interfereren met splicing, wat kan leiden tot de productie van schadelijke eiwitten.
Belangrijk is dat deze experimenten werden uitgevoerd in celtypen, zoals niercellen, die gemakkelijk te kweken en te beheren zijn in het lab, maar niet het meest worden aangetast door ZvH. Daarom geven deze cellen mogelijk geen nauwkeurige weergave van wat cellen ziek maakt bij ZvH. Er is veel meer werk nodig om te kijken hoe uitgebreide herhalingen RNA-splicing en eiwitproductie veranderen in cel- en diermodellen van ZvH. Desalniettemin kan het richten op splicing een potentieel opwindende weg zijn die onderzoekers kunnen volgen om medicijnen te ontwikkelen voor ZvH en andere herhalingsexpansieziekten.
Meer informatie
Voor meer informatie over ons openbaarmakingsbeleid, zie onze FAQ…
