Ultrazeldzame mutaties benadrukken het belang van het HD-gen bij hersenontwikkeling

Een relatief nieuwe technologie genaamd exoom sequencing heeft enkele families geïdentificeerd met nieuwe mutaties in hun HD-genen. Deze zijn anders dan de mutatie die HD veroorzaakt, maar stellen onderzoekers in staat om de normale rol van het HD-gen beter te begrijpen.

Normale HD-gen functie

De mutatie die HD veroorzaakt instrueert hersencellen om een abnormaal, gemuteerd eiwit te maken dat wetenschappers huntingtine noemen. We weten al lang van de vele manieren waarop gemuteerd huntingtine-eiwit kan interfereren met de normale processen van cellen. Bijvoorbeeld, gemuteerd huntingtine kan interfereren met het vermogen van hersencellen om vracht van het ene uiteinde van de cel naar het andere te verplaatsen en het vermogen van cellen om energie te produceren belemmeren.

Waar we minder zeker over zijn is: wat zou gezond huntingtine eigenlijk moeten doen in de cel, en wat gebeurt er als het er niet is om zijn werk te doen? (Je kunt meer lezen over de “Zoektocht naar de Functie van Huntingtine” hier: http://en.hdbuzz.net/221.) Twee recente ontdekkingen benadrukken hoe gezond huntingtine een cruciale rol kan spelen in de ontwikkeling van onze hersenen en zenuwstelsel, wat ons nieuwe informatie geeft om in gedachten te houden terwijl we behandelingen voor HD ontwikkelen.

Voordat we ingaan op de bevindingen, hier een snelle cursus over de techniek die het allemaal mogelijk maakte: hele exoom sequencing. Ons DNA bestaat uit meer dan 3 miljard letters. Maar verrassend genoeg leest de cel slechts ongeveer 1,5% van die genetische blauwdruk om eiwitten te maken. De 1,5% van ons DNA die codeert voor eiwitten worden exonen genoemd.

Sequencing technologieën, die wetenschappers in staat stellen om de informatie gecodeerd in DNA te lezen, zijn de afgelopen tien jaar zeer snel vooruitgegaan. Het is nu mogelijk voor onderzoekers om alle 3 miljard letters te lezen om iemands complete genetische code te krijgen. Onderzoekers noemen dit hele genoom sequencing. Maar het sequencen van alle 3 miljard letters om te zoeken naar een kleine mutatie is als zoeken naar een speld in een hooiberg. Om de hooiberg kleiner te maken, kunnen onderzoekers in plaats daarvan alleen een subset van het genoom sequencen – vaak alleen de subset van iemands DNA die codeert voor eiwitten, de exonen.

Dit proces van het sequencen van alleen de eiwit-coderende regio’s wordt hele exoom sequencing genoemd, en resulteert in een hooiberg die ongeveer 1,5% zo groot is als een heel genoom. Twee verschillende onderzoeksgroepen die hele exoom sequencing gebruikten maakten toevallig belangrijke nieuwe inzichten over de normale functie van het HD-gen.

Zeldzame HD-gen mutaties ontdekt

De eerste groep onderzoekers zocht naar genetische mutaties in een groep van negentien mensen met ernstige ontwikkelingsstoornissen. Hun symptomen, waaronder intellectuele beperking, beperkte spraak- en motorische vaardigheden, en repetitieve bewegingen zoals handenwringen, waren karakteristiek voor een ziekte genaamd Rett-syndroom. Maar, net als HD, wordt Rett-syndroom veroorzaakt door een mutatie in een specifiek gen—en deze mensen hadden niet de mutatie waarvan bekend is dat het Rett-syndroom veroorzaakt.

Om dit mysterie op te lossen, gebruikten onderzoekers hele exoom sequencing om te zoeken naar de mutaties in elk gen dat deze symptomen zou kunnen verklaren. Ze identificeerden verschillende nieuwe mutaties in deze individuen, maar één persoon in het bijzonder is relevant voor ons verhaal hier bij HDBuzz: een vrouw met mutaties in beide kopieën van haar HD-genen. De vrouw had geen HD omdat haar HD-gen mutaties anders waren dan het type dat HD veroorzaakt. En, terwijl de meeste dragers van HD alleen de mutatie in één huntingtine-gen hebben, droegen beide kopieën van deze vrouw’s huntingtine-genen deze nieuwe mutaties.

Terwijl deze studie plaatsvond, zocht een andere groep onderzoekers naar de oorzaak van een ontwikkelingsstoornis in een Ecuadoriaanse familie. De familie bestond uit twee gezonde ouders, één gezond kind, en drie kinderen met ernstige ontwikkelingsachterstanden. De symptomen van de aangetaste kinderen omvatten weinig of geen taalvaardigheden, dramatisch verminderde motorische vaardigheden, en repetitieve bewegingen zoals handenwringen. Geen van hen had een mutatie in het gen dat Rett-syndroom veroorzaakt.

Om de onderliggende mutatie te ontdekken, voerden deze onderzoekers hele exoom sequencing uit op de Ecuadoriaanse familie. Ze ontdekten dat de ontwikkelingsvertraagde kinderen mutaties hadden in beide kopieën van hun HD-genen. Opnieuw waren het nieuwe mutaties—niet de specifieke mutatie die HD veroorzaakt.

In beide studies voerden onderzoekers ook hele exoom sequencing uit op de gezonde ouders van de mensen met ontwikkelingsstoornissen. In beide sets ouders droegen de moeder en vader elk één gemuteerd HD-gen. Hun andere kopie van huntingtine was echter gezond. In de Ecuadoriaanse familie droeg de broer of zus die geen ontwikkelingsachterstanden had ook één kopie van het gemuteerde HD-gen en één gezonde kopie. De enige mensen die ontwikkelingsstoornissen ervoeren waren degenen die twee gemuteerde HD-genen erfden.

We zijn er niet zeker van welke impact de nieuwe, niet-HD genetische mutaties hebben op het huntingtine-eiwit. Maar, gebaseerd op de genetische regio waar de mutaties voorkomen en wat we weten over de structuur van het eiwit, is het waarschijnlijk dat de mutaties de hoeveelheid huntingtine-eiwit in de cel dramatisch verminderen. Dit type mutatie (functieverlies genoemd) is anders dan het type mutatie dat HD veroorzaakt. Bij HD leidt de mutatie tot productie van een toxisch, abnormaal huntingtine-eiwit—maar het beïnvloedt niet de hoeveelheid huntingtine-eiwit die wordt gemaakt.

Dus – om duidelijk te zijn – deze mutaties zijn niet hetzelfde als de mutaties die HD veroorzaken. Maar door toeval kwamen ze voor in het HD-gen, en helpen ons dus beter begrijpen wat het HD-gen doet, naast gemuteerd zijn bij mensen die de ziekte van Huntington ontwikkelen.

Wat leren we?

Deze studies hebben ons verschillende belangrijke dingen geleerd over huntingtine. Ten eerste tonen ze aan dat slechts één kopie van “gezond” huntingtine voldoende is voor de hersenen om zich normaal te ontwikkelen en te functioneren. We weten dit omdat ouders en broers en zussen die één “gezond” huntingtine-gen hadden prima waren, ook al was hun andere kopie gemuteerd.

Deze bevinding ondersteunt ook wat we hebben waargenomen bij twee andere mensen met zeldzame huntingtine-mutaties die ertoe leidden dat één kopie van het gen werd geïnactiveerd, of uitgeschakeld. Mensen met één inactiverende mutatie waren gezond zolang hun andere kopie van huntingtine oké was. We hebben ook hetzelfde type uitkomsten gezien wanneer we huntingtine bestuderen bij muizen. Muizen die één kopie van het huntingtine-gen missen zijn gezond, zolang hun andere kopie van huntingtine nog intact is. Samen suggereren deze bevindingen dat slechts één kopie van functioneel huntingtine genoeg is om de meeste van zijn essentiële functies uit te voeren.

Vervolgens hebben deze ontdekkingen ons geleerd dat er een kritieke rol is voor huntingtine bij hersenontwikkeling. Elk van de mensen met functieverlies-mutaties in beide kopieën van hun huntingtine-genen werd gediagnosticeerd met ernstige ontwikkelingsstoornissen. Hele exoom sequencing onthulde geen andere mutaties die waarschijnlijk de schuldige waren. Daarom hebben deze zeldzame, ongelukkige gevallen ons een glimp gegeven van de normale functie van huntingtine en wat er gebeurt met de hersenen wanneer er onvoldoende huntingtine is om normale hersenontwikkeling te ondersteunen.

Gen silencing voor HD – nog steeds oké?

Het begrijpen van de normale functies van huntingtine is al lang een focus van de HD-onderzoeksgemeenschap. Weten wat huntingtine doet in de cel kan leiden tot nieuwe inzichten over HD of ideeën opwekken om behandelingen te ontwikkelen. Belangrijk is dat de normale functie van huntingtine relevant is voor een experimentele HD-behandeling genaamd gen silencing. (Je kunt meer lezen over gen silencing in dit bericht: http://en.hdbuzz.net/204.)

Gen silencing verlaagt de niveaus van het HD-gen om de productie van gemuteerd, toxisch huntingtine-eiwit te voorkomen. Gezien wat we nu weten over de kritieke rol van huntingtine bij hersenontwikkeling, zal het belangrijk zijn om HD-patiënten die gen-silencing behandeling krijgen zorgvuldig te monitoren. Het betekent ook dat we strategisch de leeftijd van HD-dragers die huntingtine-gen silencing ondergaan moeten evalueren – proberen het HD-gen in de hersenen van zeer jonge mensen te silencen zou ernstige veiligheidszorgen oproepen.

Maar, omdat de overgrote meerderheid van HD-patiënten volwassenen zijn wiens hersenen al volledig ontwikkeld zijn, is het onwaarschijnlijk dat gen silencing zal leiden tot de problemen die gezien werden bij deze patiënten die lage huntingtine-niveaus hadden gedurende de ontwikkeling. Onderzoekers en artsen zullen er zeker voor zorgen dat ze dit allemaal in gedachten houden tijdens klinische studies met gen silencing medicijnen.

En natuurlijk zouden geen van deze inzichten mogelijk zijn geweest als het niet was voor hele exoom sequencing. Deze krachtige techniek stelde onderzoekers in staat om ultrazeldzame mutaties te identificeren die ons begrip van vele ziekten bevorderen—inclusief HD. Dit nieuwe onderzoek werpt licht op huntingtine’s kritieke rol bij hersenontwikkeling, voegt toe aan onze kennis over HD, en helpt ons gen silencing studies te plannen die veiliger zijn voor deelnemers.

Meer informatie

• Originele publicatie van Rodan en collega’s waarin twee patiënten worden beschreven met nieuwe mutaties in hun HD-gen die leiden tot ernstige ontwikkelingsstoornissen (volledige artikel vereist betaling of abonnement)
• Originele publicatie van Lopes en collega’s waarin hun onderzoek wordt beschreven naar patiënten die lijken op Rett-syndroom patiënten (volledige artikel vereist betaling of abonnement)