Een toxisch fragment blokkeren: nieuwe muizenstudie benadrukt het belang van HTT1a bij de ziekte van Huntington

Een nieuwe studie die gebruikmaakt van nauwkeurige genbewerking in een muismodel voor de ziekte van Huntington (HvH) levert bewijs dat een klein fragment van het huntingtine-eiwit (HTT), genaamd HTT1a, een centrale aanjager van de ziekte is. Door de HTT1a-niveaus te verlagen, vertraagden onderzoekers tekenen van de ziekte zoals eiwitklontering, herstelden ze welke genen aan- of uitgeschakeld worden en brachten ze biomarkers weer onder controle bij muizen die model staan voor de ziekte. Het ontdekken van de meest toxische vorm van HTT die de ziekte aanstuurt, kan belangrijke gevolgen hebben voor de manier waarop we HTT-verlagende medicijnen ontwerpen.

Een korte opfrisser: CAG-herhalingen en HTT1a

Iedereen met de ziekte van Huntington heeft een verandering in de genetische code van het HTT-gen. Een herhalende reeks van C-A-G DNA-letters breidt zich uit tot te veel herhalingen. Mensen met 40 of meer CAG’s in hun HTT-gen zullen de ziekte ontwikkelen als ze lang genoeg leven, en langere herhalingen zijn over het algemeen gekoppeld aan een eerder begin van de ziekte.

De uitgebreide CAG-herhaling in het HTT-gen veroorzaakt een overeenkomstige uitbreiding in het gecodeerde HTT-eiwit, dat op basis van deze genetische instructies wordt gemaakt. Maar de CAG-herhaling verandert niet alleen de eiwitvolgorde. Het beïnvloedt ook hoe de tussenstap tussen het DNA en het eiwit – het boodschapper-RNA – wordt verwerkt.

Een kopie van het genetische recept

Boodschapper-RNA is een genetisch boodschappermolecuul. Het wordt gemaakt als een getrouwe kopie van de gecodeerde DNA-sequentie voor een bepaald gen, voordat het wordt gebruikt om het eiwit te maken dat door deze sequentie wordt gecodeerd. Dit is een beetje zoals het maken van een kopie van een recept uit een boek, zodat je het recept kunt koken zonder steeds terug te hoeven bladeren naar het originele boek zelf.

Wanneer de CAG-herhaling is uitgebreid, kan een verborgen signaal in het HTT-boodschapper-RNA worden geactiveerd. Dit signaal wordt een “cryptisch polyA” genoemd en vertelt de cellulaire machinerie om te vroeg te stoppen met het maken van het HTT-eiwit. Dit betekent dat de cel, in plaats van het volledige HTT-eiwit te maken, slechts een klein fragment maakt, genaamd HTT1a.

HTT1a: een toxisch HTT-fragmenteiwit

Het HTT1a-fragmenteiwit bevat het uitgebreide gebied, gecodeerd door de CAG-herhaling, dat eruitziet als een heleboel van hetzelfde aminozuur glutamine, dat zich steeds herhaalt. Dit fragment is zeer vatbaar voor klontering (een proces dat aggregatie wordt genoemd) en er is in veel dier- en celmodellen van de ziekte van Huntington aangetoond dat het toxisch is.

Belangrijk is dat hoe langer de CAG-herhaling is, hoe meer van het HTT1a-fragmenteiwit er wordt gemaakt. Omdat de CAG-herhaling in sommige cellen van het lichaam langer kan worden bij mensen met de ziekte van Huntington, een proces dat somatische expansie wordt genoemd, wordt gedacht dat HTT1a een sleutelstap is in hoe de ziekte voortschrijdt.

Om dit beter te begrijpen, vroegen onderzoekers in deze studie zich af of de toename van de hoeveelheid HTT1a die wordt aangemaakt de drijvende kracht zou kunnen zijn die somatische expansie koppelt aan zenuwcelbeschadiging.

Een slimme genetische strategie: het verwijderen van de signalen die het fragment veroorzaken

Om dit direct te testen, gebruikte het team een muismodel voor de ziekte van Huntington met bijna 200 CAG’s in het HTT-gen. Dit is een veel hoger aantal herhalingen dan doorgaans bij mensen wordt gezien, maar dit versnelt het moment waarop symptomen bij de muizen zichtbaar worden, waardoor onderzoekers sneller antwoorden op hun experimenten kunnen krijgen. Vanwege de eigenaardigheden van Huntington-modelsystemen worden deze muizen HdhQ150-muizen genoemd.

Met behulp van CRISPR-tools, die lijken op een genetische schaar, verwijderden ze een deel van het HTT-gen dat het signaal bevat om de HTT1a-fragmentvorm te maken. Dit zou moeten voorkomen dat het toxische HTT1a-fragment in deze muizen wordt aangemaakt, zelfs als het aantal CAG’s hoog genoeg is om de cellen aan te zetten tot het maken van het toxische fragment. Dit nieuwe type muismodel kreeg de naam HdhQ150ΔI-muis, waarbij de Δ (delta) staat voor het genetische domein dat werd verwijderd.

Ze gebruikten ook muizen met CAG-herhalingsaantallen die de ziekte van Huntington niet veroorzaken, om de algemene bevolking zonder de ziekte te vertegenwoordigen. Bij deze muizen verwijderden ze ook het HTT1a-signaal, zodat ze een controle hadden voor de mogelijke effecten van genetische bewerking, los van het aantal CAG’s. Dit betekende dat ze zouden weten of de resultaten die ze zagen te wijten waren aan de CRISPR-bewerking zelf, of echt doordat HTT1a niet werd geproduceerd.

Wat gebeurde er met de HTT1a-niveaus in deze muizen?

Zoals verwacht daalden de HTT1a-niveaus in de HdhQ150ΔI-muizen. Het HTT1a RNA-boodschappermolecuul was volledig afwezig in deze muizen en de eiwitniveaus waren verlaagd, maar nog steeds detecteerbaar.

Maar waarom zou er nog steeds wat HTT1a worden gevonden? De onderzoekers suggereren dat deze verwijdering de genetische machinerie ertoe kan hebben aangezet het gen anders “door te lezen”, op een manier die nog steeds HTT1a-eiwit produceert, maar in zeer lage hoeveelheden.

Belangrijk is dat de niveaus van het volledige HTT, zowel de niet-uitgebreide (normale) als de uitgebreide (Huntington-vorm), onveranderd bleven. Dit is belangrijk voor vervolgexperimenten, zodat het team kon uitzoeken welke effecten specifiek te wijten waren aan de HTT1a-reductie en niet aan de totale HTT-niveaus.

Een aanzienlijke vertraging in aggregatie

Een opvallend resultaat van deze studie was dat toxische HTT-klonten, of aggregaten, veel later in de hersenen werden gevonden bij de HdhQ150ΔI-muizen vergeleken met de HdhQ150-muizen.

In standaard HdhQ150-muizen die model staan voor de ziekte, werden aggregaten ontdekt in verschillende hersengebieden bij muizen van 6 maanden oud en deze bleven toenemen naarmate de muizen ouder werden. Je denkt misschien: “Wauw! 6 maanden is erg jong!” En daar heb je gelijk in. De snelle tijdlijn van de ziektekenmerken bij deze muizen wordt veroorzaakt door het zeer hoge aantal CAG-herhalingen en is opzettelijk, zodat resultaten sneller kunnen worden behaald.

In HdhQ150ΔI-muizen die het toxische HTT1a-fragment niet aanmaakten, waren deze klonten echter enkele maanden vertraagd, en in sommige delen van de hersenen waren ze pas zichtbaar toen de muizen veel ouder waren. Deze klonten bevatten nog steeds HTT1a, wat het idee versterkt dat dit HTT-fragment belangrijk is om de vorming van deze klonten op gang te brengen.

Effecten op genexpressie

Vervolgens keken de onderzoekers naar welke genen aan- en uitgeschakeld werden in deze verschillende muismodellen. Dit is een goed gedocumenteerde verandering die in een vroeg stadium optreedt in verschillende Huntington-modellen, met een specifiek patroon van veranderingen in de genschakelaars.

In de HdhQ150-muizen ontdekten de onderzoekers dat meer dan 1.200 genschakelaars veranderd waren na 6 maanden in het striatum, een diep gelegen hersengebied dat het meest wordt aangetast bij de ziekte van Huntington. Na 12 maanden liep dit op tot meer dan 2.800 genen.

Bij de muizen met minder HTT1a waren sommige van deze genschakelaars hersteld, met een verbetering van 25% na 6 maanden en een verbetering van 40% na 12 maanden. Toen ze in een ander deel van de hersenen keken, de hippocampus genaamd, zagen ze daar ook gedeeltelijke verbeteringen.

Interessant genoeg waren zelfs de lage resterende HTT1a-niveaus in HdhQ150ΔI-muizen voldoende om dit kenmerk van de ziekte van Huntington te beginnen te herstellen.

Biomarkers: een opvallend effect

Misschien wel het meest opwindende resultaat in deze studie kwam van de biomarkerniveaus die de onderzoekers bekeken in het plasma en het hersenvocht dat de hersenen omspoelt, ook wel liquor of CSF genoemd. Het team mat NfL, een algemene biomarker voor de gezondheid van de hersenen, evenals BRP39, het muis-equivalent van een menselijke biomarker genaamd YKL-40 die samenhangt met ontstekingen.

In de HdhQ150-muizen waren beide biomarkers na 12 maanden verhoogd in het hersenvocht, wat aangeeft dat het zenuwstelsel van deze muizen ziek was. In de HdhQ150ΔI-muizen bleven NfL en BRP39 na 12 en 17 maanden in het hersenvocht echter op het niveau van de normale muizen zonder de ziekte, en ze waren ook verlaagd in het plasma.

Interessant genoeg gebeurde deze terugkeer naar normale niveaus van biomarkers in het hersenvocht, ook al waren de veranderingen in de genschakelaars slechts gedeeltelijk hersteld. Omdat NfL en YKL-40 in klinische studies bij mensen kunnen worden gebruikt om de gezondheid van de hersenen te beoordelen, suggereert deze bevinding dat het verlagen van HTT1a de biologie van de ziekte van Huntington op een betekenisvolle manier zou kunnen veranderen.

De punten verbinden: van somatische expansie → HTT1a → aggregatie

Somatische CAG-expansie wordt nu door veel Huntington-onderzoekers gezien als een aanjager van de ziekte. Naarmate CAG-herhalingen uitbreiden in de neuronen die het meest worden aangetast bij de ziekte, zullen de HTT1a-niveaus stijgen. De wetenschappers in deze studie stellen een model voor waarin:

1. Somatische expansie de CAG-herhaling en de HTT1a-productie verhoogt.
2. Verhoogde HTT1a leidt tot meer toxische klonten in deze cellen.
3. De klonten zorgen voor meer veranderingen in de genschakelaars.
4. Dit zorgt er vervolgens voor dat de cellen ziek worden, wat leidt tot veranderingen in de biomarkerniveaus.

Ze stellen voor dat dit vertraagd of gestopt zou kunnen worden door de HTT1a-niveaus te verlagen om dit proces te onderbreken.

Wat betekent dit voor therapieën?

Verschillende HTT-verlagende benaderingen zijn in ontwikkeling of worden klinisch getest. Velen verlagen alleen de volledige vorm van HTT. Deze omvatten het antisense oligonucleotide (ASO) tominersen van Roche, en kleine-molecuul splicing-modulatoren zoals votoplam en SKY-0515 van respectievelijk Novartis en SkyHawk.

Andere richten zich op exon 1 en kunnen dus de niveaus van zowel het volledige HTT als HTT1a verlagen, waaronder de gentherapie AMT-130 van uniQure en het siRNA ALN-HTT02 van Alnylam Pharmaceuticals.

Deze studie suggereert dat het verlagen van alleen de volledige vorm van HTT mogelijk minder gunstig is en dat het verlagen van HTT1a ook belangrijk kan zijn. Omdat het normale HTT-eiwit belangrijke functies heeft in cellen, zouden strategieën die zich specifiek op HTT1a richten een veiligere en efficiëntere aanpak kunnen zijn.

Belangrijke kanttekeningen

Dat gezegd hebbende, zijn er enkele belangrijke beperkingen aan deze studie te noemen. Al deze gegevens zijn afkomstig van muizen die model staan voor de ziekte van Huntington en een zeer lange CAG-herhaling hebben (~195). Muizen zijn een geweldig model voor wetenschappers om dit soort ideeën te verkennen, maar ze leven lang niet zo lang als mensen en de meeste mensen met de ziekte hebben gemiddeld ~42 CAG’s, veel minder dan in dit modelsysteem.

Toch zullen de gegevens uit deze studie zeker een bron van nieuwe ideeën zijn voor andere teams om op voort te bouwen. Blijf HDBuzz volgen voor meer onderzoek op dit gebied.

Samenvatting

• Onderzoekers maakten een muismodel voor de ziekte van Huntington dat minder van het HTT1a-fragment aanmaakte, waarvan wordt gedacht dat het toxisch is bij de ziekte.
• Door de niveaus van de HTT1a-boodschap te verlagen, zagen de onderzoekers vertragingen in de vorming van toxische eiwitklonten die door HTT1a worden gemaakt.
• Welke genen aan- of uitgeschakeld werden, leek in deze speciale HTT1a-deficiënte muizen meer op muizen zonder het Huntington-gen, en veel belangrijke biomarkers keerden terug naar niveaus die dichter bij normaal lagen.
• Deze bevindingen leveren bewijs dat HTT1a niet alleen een bijproduct is van de Huntington-expansie, maar een aanjager van de biologie van de ziekte.