Wat varkens onthulden over de ziekte van Huntington wat muizen over het hoofd zagen

De ziekte van Huntington (ZvH) begint met een verandering in slechts één gen, huntingtine (HTTHTT Afkorting voor het gen dat de ziekte van Huntington veroorzaakt. Hetzelfde gen wordt ook wel ZvH-gen of IT-15 genoemd.), maar de effecten ervan verspreiden zich binnen cellen en door de hele hersenen en het lichaam. Een langlopend mysterie is waarom de activiteit van duizenden andere genen verstoord raakt in de hersenen bij de ZvH.

Een nieuwe studie met genetisch gemodificeerde varkens wijst op een mogelijke verklaring. Onderzoekers van de Jinan Universiteit in Guangzhou, China, vonden wijdverspreide veranderingen in de chemische versieringen op het DNA (bekend als DNA-methylering) die helpen bepalen hoe genen aan- en uitgeschakeld worden. Ze herleidden een deel van deze verstoring naar lagere niveaus van TET1, een belangrijk eiwit dat helpt bij het beheer van deze DNA-versieringen.

Een verrassend maar belangrijk kenmerk van dit werk is dat de onderzoekers deze TET1-veranderingen wel zagen bij ZvH-varkens, maar niet bij ZvH-muizen. Deze studie is dus ook een herinnering dat grotere diermodellen soms biologie kunnen onthullen die een muis niet laat zien, zeker als het gaat om het begrijpen van menselijke ziekten.

Eén mutatie, duizenden gevolgen

De ZvH heeft een ongebruikelijk duidelijk genetisch startpunt. Een stukje DNA met de letters CAG wordt te vaak herhaald binnen het huntingtine-gen. Het uitgebreide gen maakt een extra lange versie van het huntingtine-eiwithuntingtine-eiwit Eiwit dat geproduceerd wordt door het huntington-gen. Helaas is alles wat daarna gebeurt veel minder eenvoudig. Het uitgebreide huntingtine verstoort een lange lijst van activiteiten binnen de cellen. Het beïnvloedt hoe eiwitten worden verwerkt, hoe cellen energie produceren, hoe neuronen communiceren en, belangrijk voor dit verhaal, welke genen aan- en uitgeschakeld worden.

Wetenschappers weten al jaren dat de genactiviteit bij de ZvH in de war raakt. Sommige genen worden ongebruikelijk stil, andere ongebruikelijk luid. Maar dit roept een fundamentele vraag op: hoe kan een mutatie in één gen uiteindelijk duizenden andere genen verstoren?

Een nieuwe studie van Xie en collega’s, gepubliceerd in Cell Reports, suggereert dat het antwoord te maken kan hebben met een extra informatielaag bovenop ons DNA. Welkom in de wondere wereld van de epigenetica!

DNA met geeltjes

Zie DNA als een gigantische handleiding. Elke cel in je lichaam heeft in wezen dezelfde handleiding. Een hersencel, een levercel en een huidcel bevatten bijna identieke genetische instructies. Toch functioneren ze totaal verschillend. Dat komt omdat cellen niet elke pagina op dezelfde manier lezen. Eén manier waarop cellen bepalen welke genen actief zijn, is door kleine chemische versieringen aan het DNA te plakken. Een van de best bestudeerde vormen heet DNA-methylering, waarbij chemische labels, methylgroepen genaamd, aan het DNA worden toegevoegd.

Je kunt deze labels zien als moleculaire geeltjes. Afhankelijk van waar ze geplaatst worden, kunnen ze beïnvloeden of een bepaalde genetische instructie makkelijk of moeilijk te gebruiken is voor de cel.

De nieuwe studie richtte zich vooral op twee van deze chemische versieringen, genaamd 5mC en 5hmC. Cellen kunnen de balans tussen deze twee aanpassen, en een belangrijk eiwit dat daarbij helpt is TET1. TET1 zet 5mC om in 5hmC, wat helpt om het patroon van chemische informatie bovenop het DNA te herstructureren.

Wat gebeurt er dus met die geeltjes bij de ziekte van Huntington? Volgens deze studie: behoorlijk veel.

De hersenen van ZvH-varkens hebben rommelige geeltjes

Om de ZvH beter te begrijpen in grotere hersenen, bestudeerden de wetenschappers deze chemische geeltjes bij genetisch veranderde varkens. Deze varkens dragen een uitgebreide menselijke huntingtine-sequentie die in het huntingtine-gen van het varken is geplaatst. De onderzoekers vonden wijdverspreide verschillen in DNA-versieringen tussen ZvH-varkens en gezonde varkens. Over het algemeen nam 5mC toe terwijl 5hmC afnam, vooral in het striatum, het gebied dat het zwaarst wordt getroffen door de ZvH.

Toen het team het genoomgenoom al het DNA van een levend organisme, verzamelnaam voor alle genen in meer detail bekeek, vonden ze duizenden genen die veranderd waren bij de ZvH-varkens. Dit waren geen willekeurige genen; veel ervan waren betrokken bij activiteiten die belangrijk zijn voor neuronen, zoals energieverbruik, signalering en communicatie. Kortom, de moleculaire geeltjes waren overal op het DNA van de ZvH-varkens herschikt.

De volgende vraag was: wie heeft er met de Post-its geknoeid?

Maak kennis met TET1, de redacteur van de moleculaire geeltjes

Verschillende eiwitten controleren de DNA-versieringen, dus de wetenschappers maten de hoeveelheid van een groep van deze eiwitten in de hersenen van ZvH-varkens. Eentje sprong eruit: TET1. De TET1-niveaus waren drastisch verlaagd in de hersenen van ZvH-varkens. Wat nog interessanter was, is dat de TET1-niveaus al lager waren in verschillende hersengebieden bij zeer jonge ZvH-varkens, nog voordat er duidelijke symptomen van de ziekte waren verschenen. De afname was vooral duidelijk in het striatum en werd sterker naarmate ze ouder werden.

Deze timing is cruciaal. Als TET1 pas zou verdwijnen nadat de neuronen al ernstig beschadigd waren, zou het afgedaan kunnen worden als bijkomende schade nadat de ZvH zijn werk al had gedaan. Maar het feit dat deze verandering al op de leeftijd van twee maanden wordt gevonden, roept de mogelijkheid op dat TET1 betrokken is bij het begin van het ziekteproces.

Interessant genoeg zagen de wetenschappers dat wanneer ze TET1 kunstmatig verhoogden in gekweekte cellen met uitgebreid huntingtine, sommige abnormale veranderingen in genexpressie weer richting normaal verschoven. Dit bewijst niet dat het herstellen van TET1 de ZvH direct zou kunnen behandelen, maar het geeft wel een belangrijke aanwijzing dat TET1 niet zomaar aan de zijlijn staat.

Deze observatie liet nog steeds een groter mysterie over: waarom verdween TET1 überhaupt? Dit leidde tot misschien wel het interessantste deel van het verhaal.

Huntingtine steelt de sleutel

Om het eiwit TET1 te maken, vertrouwen cellen op een eiwit genaamd TBP om het TET1-gen aan te zetten. Zie TBP als de werknemer met de sleutel die nodig is om de poort van een fabriek te openen. TBP komt aan bij de TET1-fabriek, opent de poort en geeft de fabriek het signaal om TET1 te gaan produceren.

De wetenschappers ontdekten dat uitgebreid huntingtine zich ongewoon sterk vastklampt aan TBP, waardoor er minder TBP beschikbaar is om TET1 aan te zetten. Het uitgebreide huntingtine houdt de sleutelhouder (TBP) dus in feite bezig. Dit suggereert een kettingreactie: uitgebreid huntingtine houdt TBP vast, de TET1-productie daalt, DNA-versieringen veranderen en de activiteit van veel andere genen raakt verstoord. Dit op zich zou al een interessante bevinding zijn, maar toen keek het team naar muizen – en toen werd het ingewikkelder.

De muis in de kamer

Toen kwam de verrassing. Toen de onderzoekers naar ZvH-muizen keken, verwachtten ze dezelfde afname in TET1 te zien als bij de varkens. Dat gebeurde niet. Zelfs oudere ZvH-muizen vertoonden geen vergelijkbare daling in TET1. Dat klinkt misschien als een teleurstelling voor het experiment, maar in plaats daarvan werd het een van de meest interessante waarnemingen in deze studie.

De onderzoekers stelden een simpele vraag: waarom zagen ze verschillende resultaten bij varkens en muizen? Het antwoord lijkt te liggen in het DNA dat het TET1-gen aanstuurt. Bij varkens en mensen bevat dit gebied veel plaatsen waar TBP zich kan binden; bij muizen zijn dat er veel minder.

De menselijke en varkens-TET1-fabrieken lijken sterk afhankelijk te zijn van poorten die door TBP worden geopend. De muizenfabriek zit anders in elkaar en gebruikt mogelijk een andere ingang waarvoor geen TBP nodig is. Als mutant huntingtine TBP wegkaapt, zouden de menselijke en varkens-TET1-systemen daarom bijzonder kwetsbaar kunnen zijn, terwijl de muizenversie relatief normaal kan blijven functioneren.

Dit zou kunnen verklaren waarom dit moleculaire pad tot nu toe zo moeilijk te zien was in traditionele ZvH-muismodellen.

Soms onthult een varken meer dan een muis

Belangrijk is dat dit werk iets illustreert wat wetenschappers soms vergeten als ze jarenlang met muizen werken: muizenhersenen zijn niet simpelweg mensenhersenen in het klein.

Muizen zijn enorm waardevol geweest voor ZvH-onderzoek. Ze zijn relatief goedkoop, planten zich snel voort en kunnen op geavanceerde manieren genetisch worden aangepast. Maar de evolutie heeft tientallen miljoenen jaren besteed aan het veranderen van de kleine lettertjes in hun genoomgenoom al het DNA van een levend organisme, verzamelnaam voor alle genen. Varkens hebben grotere hersenen, een meer mensachtige vouwing en langere ontwikkelingsperioden. Voor deze specifieke biologische vraag lijkt het TET1-gen bij varkens toevallig ook meer op dat van ons.

Dezelfde genetische verandering in huntingtine kan dus in twee heel verschillende moleculaire buurten terechtkomen. De onderzoekers vonden aanzienlijk meer veranderingen in DNA-methylering en genactiviteit bij de ZvH-varkens dan bij vergelijkbare ZvH-muizen. Dit laat zien hoe hetzelfde ziektegen verschillende effecten stroomafwaarts kan hebben, afhankelijk van de diersoort.

Dit is misschien wel een van de bredere lessen van het artikel. Diermodellen kunnen worden gezien als verschillende kaarten van hetzelfde gebied. Sommige kaarten zijn uitstekend om de ene vraag te beantwoorden en minder geschikt voor een andere. In dit geval onthult het varken misschien een weg die simpelweg niet op de muizenkaart staat getekend.

Waarom dit belangrijk is voor de ZvH

Dit werk slaat mogelijk een brug tussen twee dingen die onderzoekers al lang weten over de ZvH: i) uitgebreid huntingtine verandert de activiteit van veel genen, en ii) DNA-“versieringen” zijn veranderd bij de ZvH. De keten waarbij TBP en TET1 betrokken zijn, verbindt deze twee mogelijk, wat een aantal intrigerende therapeutische vragen oproept. Zouden onderzoekers kunnen voorkomen dat mutant huntingtine TBP grijpt, de TET1-activiteit kunnen herstellen, of veranderingen in DNA-versieringen kunnen corrigeren om kwetsbare neuronen te helpen?

Die mogelijkheden zijn nog speculatief, dus TET1 kan het best worden gezien als een nieuw spoor in het onderzoek, niet als een nieuwe behandeling. Er moet nog meer werk worden verzet om het therapeutisch potentieel te testen. Veel van de experimenten in dit artikel vergeleken slechts drie ZvH-varkens met drie controles, onderzochten geen verschillen tussen mannetjes en vrouwtjes, en gebruikten varkens met 150 CAG-herhalingen – veel meer dan de 40-50 die de meeste mensen dragen bij wie de ziekte op volwassen leeftijd begint.

Toekomstige studies zullen moeten uitwijzen of dit pad ook in menselijke neuronen werkt, of het direct bijdraagt aan het ziek worden van neuronen, en of het aanpakken ervan hen kan beschermen. Zelfs met die onbeantwoorde vragen biedt de studie een intrigerende nieuwe verklaring voor hoe één mutant eiwit chaos kan veroorzaken in duizenden genen. En in dit geval was er een varken voor nodig om wetenschappers te helpen dat in te zien.

Samenvatting

• De ziekte van Huntington begint met een uitgebreide CAG-herhalingCAG-herhaling Het stukje DNA aan het begin van het Huntington-gen, dat de CAG-sequentie bevat die vele malen wordt herhaald en abnormaal lang is bij mensen die de ziekte van Huntington zullen ontwikkelen. in het HTT-gen, maar mutant huntingtine veroorzaakt wijdverspreide veranderingen in de activiteit van veel andere genen.
• ZvH-varkens vertoonden grote veranderingen in DNA-methylering, chemische markeringen die helpen bepalen welke genen cellen gebruiken. Deze veranderingen waren vooral prominent in het striatum.
• Een eiwit genaamd TET1, dat helpt deze DNA-markeringen aan te passen, was verlaagd bij ZvH-varkens voordat er symptomen verschenen.
• De onderzoekers ontdekten dat mutant huntingtine zich ongewoon sterk bindt aan TBP, een eiwit dat helpt het TET1-gen aan te zetten. Minder beschikbaar TBP betekent dat er minder TET1 wordt geproduceerd.
• Verrassend genoeg werd hetzelfde effect niet gezien bij ZvH-muizen. Menselijke en varkens-TET1-genen bevatten veel TBP-bindingsplaatsen, terwijl de muizenversie er veel minder heeft.
• De studie benadrukt een belangrijke les: verschillende diermodellen kunnen verschillende stukjes van de biologie van de ziekte van Huntington onthullen.
• De bevindingen tonen nog niet aan dat het herstellen van TET1 of het blokkeren van de binding tussen mutant huntingtine en TBP de ZvH kan behandelen. Die experimenten moeten nog worden uitgevoerd.