Nieuwe onderzoekstechniek suggereert dat een antioxidantgen kwetsbare neuronen beschermt
Onderzoekers gebruiken een nieuwe techniek in een HD-muis om een gen, Gpx6, te ontdekken dat beschermend werkt voor kwetsbare neuronen.
Onderzoekers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld waarmee ze kunnen screenen op genen die mogelijk bijdragen aan de progressie van de ziekte van Huntington en andere neurodegeneratieve aandoeningen. Dit is de eerste keer dat dit mogelijk is in het centrale zenuwstelsel van zoogdieren. Ze gebruikten de techniek in een HD-muis om een antioxidantgen, Gpx6, te ontdekken dat beschermend werkt voor neuronen.
Elegante modellen voor eminente vragen
HD-onderzoekers zijn voortdurend op zoek naar aanwijzingen om de grote vragen achter hun werk te verklaren. Waarom veroorzaakt een enkele genetische mutatie een complexe en progressieve neurologische aandoening? Op welke moleculaire routes moeten we ons richten om toe te werken naar succesvolle behandelingen?
Eenvoudige modelsystemen, zoals gist of cellen in een petrischaal, worden vaak gebruikt om grote aantallen genen te ‘screenen’ die belangrijk kunnen zijn voor schade of bescherming tijdens het verloop van een ziekte. Maar de bevindingen vertalen zich niet altijd naar het zenuwstelsel van zoogdieren – dit is een groot obstakel voor de voortgang van het onderzoek.
Onlangs heeft een team van onderzoekers een nieuwe methode ontwikkeld om te testen op genen die beschermend werken in het centrale zenuwstelsel van muismodellen van de ziekte. Ze besloten hun nieuwe techniek voor het eerst toe te passen op een muismodel van de ziekte van Huntington, en waren in staat een gen te ontdekken dat belangrijk is voor het in leven houden van kwetsbare cellen en het bevorderen van verbeterd gedrag. Maar hoe wisten ze naar welke genen ze moesten kijken?
Eerst het belangrijkste: de zoektocht naar veranderingen in verouderende neuronen
Het onderzoeksteam staat onder leiding van Dr. Miriam Heiman, van het Broad Institute van MIT en Harvard University. Ze richtten zich op neuronen in het striatum, een hersengebied dat functies zoals beweging, stemming en motivatie reguleert. Striatale cellen zijn het meest kwetsbaar voor degeneratie in de vroege stadia van HD.
Neuronen veranderen van nature met de leeftijd, waarbij verschillende sets genen in de loop van de tijd aan- of uitgezet worden. Het team onderzocht eerst normale muizen om de veranderingen in ‘genexpressie’ te volgen die optreden in het striatum tijdens het verouderen, waarbij ze 6 weken oude muizen vergeleken met 2 jaar oude muizen. (Normale laboratoriummuizen leven ongeveer 2½ jaar). Deze veranderingen kunnen ons vertellen hoe de rol van elk gen verandert tijdens het verouderen, en aanwijzingen geven over welke betrokken zijn bij ziekteprogressie.
Toen ze keken naar veranderingen in genexpressie in cellen in het striatum van een gezonde muis, zagen ze de grootste veranderingen tussen 6 weken oude en 2 jaar oude muizen in genen die werken om oxidatieve stress tegen te gaan, waaronder een gen genaamd Gpx6.
Een antioxidant belangrijk tijdens veroudering
“Gpx6 stond bovenaan de lijst van genen die, wanneer ze werden uitgeschakeld, de dood van neuronen in het striatum van HD-muizen veroorzaakten.”
Gpx6 maakt deel uit van een familie van antioxidanteiwitten. Regelmatige HDBuzz-lezers herinneren zich misschien dat een ander lid van de Gpx-familie, Gpx1, werd geïdentificeerd als belangrijk in een gistmodel van de ziekte van Huntington (http://en.hdbuzz.net/156). Wat is de rol van deze eiwitten die steeds opduiken in HD-onderzoek?
Antioxidanten werken om oxidatieve stress tegen te gaan, die wordt veroorzaakt door reactieve zuurstofsoorten (ROS), een bijproduct van normaal metabolisme. Oxidatieve stress neemt toe tijdens het verouderen – en nog meer bij ziekte. (Voor een overzicht van oxidatieve stress en hoe het wordt aangepakt om de ziekte van Huntington te behandelen, bekijk dit eerdere HDBuzz-artikel: http://en.hdbuzz.net/107).
Na het ontdekken van enkele belangrijke leeftijdsgerelateerde veranderingen in genexpressie in het meest kwetsbare hersengebied bij de ziekte van Huntington, het striatum, waren de onderzoekers klaar om hun nieuwe techniek te proberen in een muismodel van HD.
Introductie van SLIC
De methode heet SLIC, wat staat voor ‘synthetic lethal in the central nervous system’ (synthetisch dodelijk in het centrale zenuwstelsel). Het idee achter “synthetische letaliteit” is dat soms een combinatie van twee genetische veranderingen schadelijker is dan elk van de veranderingen afzonderlijk. Net als bij een speeltuinwip met kinderen die aan elke kant in evenwicht zijn, is er een balans in genexpressie die een cel gezond houdt. Eén mutatie alleen heeft misschien niet genoeg gewicht om de wip uit balans te brengen. Maar als er mutaties in twee verschillende genen in dezelfde cel zijn, is het alsof je twee extra kinderen van één uiteinde haalt: het evenwicht wordt verstoord en die cel heeft veel meer kans om te sterven dan wanneer een van die mutaties alleen zou optreden.
We kunnen de ziekte van Huntington-mutatie zien als een groot kind op de wip: elke HD-neuron is al verschoven in de balans richting degeneratie. Met behulp van de SLIC-techniek in een veelgebruikt HD-muismodel genaamd R6/2, dat menselijk huntingtine bevat met de herhalende CAG-mutatie, vroegen de auteurs zich af: “Welke genen hebben genoeg gewicht om dat evenwicht tegen te gaan?” Als uitgebreid huntingtine aan het ene uiteinde van een wip zit en veel genen aan het andere, welk gen zou, als het eraf sprong, de HD-kant laten neerstorten?
Het principe achter SLIC is dat de onderzoekers veel genen tegelijkertijd kunnen ‘uitschakelen’, maar slechts één per neuron, en kunnen zien welke dodelijk zijn in combinatie met gemuteerd huntingtine.
Hier is hun coole nieuwe techniek, opgedeeld in drie stappen.
1) Selecteer een groep genen om uit te schakelen met korte haarspeld-RNA’s (shRNA’s).
shRNA’s zijn kleine RNA-sequenties die een gen kunnen ‘uitschakelen’ door te binden aan het RNA-bericht zodat het nooit wordt vertaald in eiwit, waardoor het gen effectief wordt kortgesloten. De auteurs selecteerden een groep shRNA’s die genen zouden uitschakelen die belangrijk zijn voor de ziekte van Huntington en het verouderende striatum. Ze kozen ongeveer 100 verschillende genen om uit te schakelen, gebaseerd op de genexpressieveranderingen die ze vonden in het striatum, zoals Gpx6, en enkele die eerder door andere wetenschappers waren geïdentificeerd.
2) Injecteer de gekozen groep shRNA’s in het striatum van de HD-muis.
Om in neuronen te komen, worden de shRNA’s verpakt in speciale virussen. Dit zijn niet het soort virussen dat de muis verkouden zou maken – ze worden specifiek gebruikt in onderzoek om moleculen af te leveren die genetische veranderingen veroorzaken. Wanneer de virussen in het striatum van de HD-muis worden geïnjecteerd, ontvangt elke neuron een enkele shRNA die één gen in die cel uitschakelt. Dit gebeurt in vele, vele neuronen – ongeveer 250.000 per injectie! Deel dat door de 100 verschillende genen die ze kozen, en ze kunnen testen wat er gebeurt met 2.500 cellen met de HD-mutatie die een enkel ander gen uitgeschakeld hebben.
3) Controleer welke genen ervoor zorgden dat HD-neuronen stierven.
Als het uitschakelen van een bepaald gen bijzonder slecht zou zijn voor een cel in het striatum die al de HD-mutatie had, zou die cel niet overleven. De geïnjecteerde shRNA zou verdwijnen als de cel stierf, maar aanwezig blijven in een levende cel. Door een genetische sequentietest uit te voeren om elke shRNA te detecteren, konden de auteurs zien welke het meest schadelijk waren – een maand na de injectie zou er veel minder van over zijn. Dit zou aangeven welke genen het belangrijkst waren voor de overleving van kwetsbare neuronen in het striatum bij HD.
“Dat de auteurs ervoor kozen om hun nieuwe techniek te testen in een model van de ziekte van Huntington, getuigt van de kracht van de onderzoeksmiddelen en de gezamenlijke inspanning van de HD-gemeenschap.”
Dus, welke genen waren het belangrijkst?
Gpx6 stond bovenaan de lijst van genen die, wanneer ze van de wip werden geduwd, de dood van neuronen in het striatum van HD-muizen veroorzaakten. Bovendien was het uitschakelen van Gpx6 in normale muizen niet zo slecht voor neuronen als in HD-muizen. Dit is de kern van ‘synthetische letaliteit’ – de HD-genmutatie plus uitschakeling van het beschermende Gpx6 is een één-twee combinatie die echt slecht is voor neuronen in het striatum. Dus als Gpx6 echt belangrijk is voor bescherming, zou het toevoegen van meer ervan de symptomen in de HD-muizen kunnen verbeteren?
Om dit te testen, overexpresseerden de onderzoekers Gpx6 in het striatum van de HD-muis – dit betekent dat ze genetisch extra Gpx6 toevoegden. De muizen vertoonden verbeteringen in gedrag bij twee bewegingstaken – geen volledig herstel, maar beter dan HD-muizen die geen extra Gpx6 hadden. HD-muizen die extra Gpx6 kregen, hadden ook minder degeneratie in het striatum.
Een bevestigd onderzoekspad en een nieuwe methode
Over het algemeen komen de bevindingen van deze studie overeen met ander onderzoek dat Gpx6 identificeert als belangrijk voor de bescherming van cellen in de progressie van de ziekte van Huntington. Er bestaan medicijnen die de werking van Gpx-eiwitten kunnen nabootsen, wat een belangrijke overweging is bij het voortzetten van de studie van een moleculair ziektepad. Verbeteringen in het gedrag van de muizen in deze studie waren bescheiden maar suggereren nog steeds dat oxidatieve stress paden een cruciale onderzoeksrichting vormen.
Het belangrijkste is dat deze studie een nieuwe methodologie introduceert, SLIC, die kan worden gebruikt om te testen op relevante moleculaire paden in veel verschillende soorten ziektemodellen in het centrale zenuwstelsel van zoogdieren. Dat de auteurs ervoor kozen om het eerst te testen in een model van de ziekte van Huntington, getuigt van de kracht van de onderzoeksinstrumenten en de gezamenlijke inspanning van de HD-gemeenschap.
Meer informatie
Voor meer informatie over ons openbaarmakingsbeleid, zie onze FAQ…
