De genetische sneeuwbal stoppen: Hoe een eenvoudige genetische onderbreking de Ziekte van Huntington vertraagt

Hoewel de genetische verandering die de ziekte van Huntington (HD) veroorzaakt tot verschillende problemen voor cellen leidt, geloven onderzoekers dat deze voortkomen uit één kernprobleem: de lengte van de genetische verandering die in de loop van de tijd toeneemt, als een sneeuwbal die massa wint terwijl hij bergafwaarts rolt. Dit genetische fenomeen, bekend als somatische instabiliteit of somatische expansie, lijkt een belangrijke drijfveer te zijn voor de voortgang van de ziekte. In een recente studie ontwikkelden wetenschappers een nieuwe variant van CRISPR, een krachtig instrument voor genbewerking, om deze genetische uitbreiding te onderbreken, wat mogelijk de weg vrijmaakt voor nieuwe therapeutische mogelijkheden.

Een genetische sneeuwbal

HD wordt veroorzaakt door een verandering in een gen genaamd HTT, specifiek op de plek waar de genetische letters C-A-G meerdere keren worden herhaald. Bij mensen met HD is dit CAG-gedeelte langer dan normaal, wat een dodelijke kettingreactie in hersencellen op gang brengt. In tegenstelling tot de meeste mutaties, die gedurende het hele leven hetzelfde blijven, worden de CAG-herhalingen in HTT met de jaren langer, als een sneeuwbal die snelheid maakt terwijl hij de helling af dendert.

Bij de geboorte hebben de meeste mensen met HD ongeveer 40 tot 50 CAG-herhalingen in hun HTT-gen. Na verloop van tijd groeit dat aantal exponentieel binnen de cellen, waarbij het soms de 500 herhalingen overschrijdt tegen de tijd dat de symptomen zich ontwikkelen! Als de initiële herhaling boven een kritische drempel ligt (36 herhalingen), verandert de uitbreiding na verloop van tijd in een soort genetische sneeuwbal en begint deze onbeheersbaar te groeien.

HD staat hierin echter niet alleen; het behoort tot een bredere categorie ziekten die trinucleotide-herhalingsziekten worden genoemd – een chique term voor 3 (tri) genetische letters (nucleotide) die zich herhalen (herhaling – oké, die was duidelijk…). Deze aandoeningen delen allemaal een vergelijkbaar probleem met sneeuwbalmutaties. Een voorbeeld hiervan is de ataxie van Friedreich, die wordt veroorzaakt door een groeiende CTG-herhaling die ook na verloop van tijd verergert.

De observatie dat verschillende hersenziekten worden veroorzaakt door een groeiende trinucleotide-herhaling roept een belangrijke vraag op: waarom zijn groeiende trinucleotide-reeksen zo giftig voor hersencellen? Normaal gesproken worden genen zoals HTT gebruikt om boodschapper-RNA te produceren, ook wel mRNA genoemd, een tijdelijke kopie van het DNA die wordt gebruikt om eiwitten te maken, de machines van de cel. Lange trinucleotide-herhalingen zorgen er echter voor dat het RNA zich in superverwarde en stabiele knopen draait, waardoor de eiwitproducerende machines van de cel verstopt raken. Naarmate deze verwarde RNA’s langer en talrijker worden, verstoren ze de eiwitproductie steeds meer, wat uiteindelijk bijdraagt aan celsterfte.

De instabiliteit onderbreken

Wat als er een manier was om dit sneeuwbaleffect te doorbreken voordat het uit de hand loopt? Wetenschappers aan de Harvard-universiteit, onder leiding van dr. David Liu, stelden de hypothese dat ze de herhalende CAG-reeks konden onderbreken door simpelweg een van de CAG’s te vervangen door een vergelijkbare, maar onschadelijke CAA-reeks.

Door de herhalende CAG’s te onderbreken, zelfs met een vergelijkbare CAA-reeks, kan het onderliggende proces dat ertoe leidt dat de CAG’s met de leeftijd groeien, worden geblokkeerd! Met andere woorden, het invoegen van een CAA-reeks is als het plaatsen van een strook rotsen op de heuvel, waardoor de sneeuwbal ertegenaan slaat en zijn vaart verliest!

Liu en zijn team lieten zich inspireren door eerder onderzoek waaruit bleek dat CAA-onderbrekingen het begin van de ziekte lijken te vertragen. Normaal gesproken voorspelt het aantal CAG-herhalingen sterk wanneer iemand HD zal ontwikkelen, maar genetische studies identificeerden mensen met lange herhalingen maar een verlate aanvangsleeftijd.

Bij nader onderzoek bleken deze genetische uitschieters korte CAA-onderbrekingen te bevatten binnen hun CAG-reeks. Opmerkelijk genoeg werden deze eenvoudige onderbrekingen gekoppeld aan een vertraging van 12 jaar in het begin van de ziekte! Gemotiveerd door deze waarnemingen vroegen Liu en zijn team zich af of ze opzettelijk CAA-reeksen konden invoegen in cellen met het gen voor HD, en of dit het beschermende effect kon nabootsen.

CRISPR kraakt de sneeuwbal

Nauwkeurige genetische veranderingen, zoals het omwisselen van een CAG naar CAA, zijn in theorie eenvoudig, maar in de praktijk uiterst uitdagend. Liu en zijn team wendden zich tot CRISPR, een genbewerkingsinstrument dat werkt als een moleculaire schaar om specifieke DNA-sequenties te veranderen. Ze ontwikkelden een speciaal type CRISPR, genaamd base-editing, dat zoekt naar CAG-herhalingen en er enkele vervangt door CAA’s.

Met behulp van menselijke cellen die in petrischalen groeiden, ontdekten ze dat hun CRISPR-base-editingstrategie de HTT CAG-herhaling in ongeveer 80% van de cellen succesvol modificeerde, zonder tekenen van toxiciteit. Nog veelbelovender was dat ze ontdekten dat deze eenvoudige CAA-onderbrekingen de CAG-herhalingsuitbreidingen na 30 dagen leken te stoppen. Ze merkten zelfs dat de met CRISPR bewerkte cellen sneller leken te groeien en er gezonder uitzagen!

Omdat dit type CRISPR zich richt op alle CAG-herhalingen (niet alleen die in HTT) en daar ook CAA-onderbrekingen in aanbrengt, moesten ze bevestigen dat andere genen niet per ongeluk werden verstoord. In totaal vonden ze ongeveer 250 andere genen die door CRISPR waren veranderd, waarschijnlijk omdat ze vergelijkbare CAG-herhalingen bevatten. Echter, slechts ongeveer 50 daarvan zijn actief in hersencellen, en slechts één leek aanzienlijk verstoord te zijn. Hoewel deze bevinding risico’s niet uitsluit, suggereert het wel dat onbedoelde bewerkingen waarschijnlijk geen ernstige problemen zullen veroorzaken. Hoe dan ook, het minimaliseren van onbedoelde bewerkingen zal in de toekomst een topprioriteit zijn!

CAG’s onderbreken met CRISPR

Nu komt de grote uitdaging: kan het team de CRISPR-machinerie in cellen in een levend brein krijgen en met succes CAG-sequenties bewerken? Het team van Liu gebruikte een muismodel van HD dat 110 CAG-herhalingen in het HTT-gen draagt, en deze herhaling groeit snel naarmate de muizen ouder worden (herhalingsinstabiliteit). Om CRISPR in de hersenen af te leveren, verpakte het team CRISPR in een onschadelijk virus, dat fungeert als een genafleverdienst en de genetische bewerkingstools rechtstreeks in de cellen injecteert.

Vier weken na het injecteren van de met CRISPR geladen virussen in de muizen, ontdekten de onderzoekers dat ongeveer 30% van de cellen het genbewerkingsinstrument leek te hebben opgenomen. Van de 30% cellen die CRISPR bevatten, bleek ongeveer 75% ten minste één CAA-onderbreking in hun HTT-gen te hebben. Dat betekent dat ongeveer 1 op de 5 hersencellen met succes de beschermende genetische verandering heeft ontvangen – niet perfect, maar een veelbelovend begin! Na nog eens 12 weken onderzochten de onderzoekers de lengte van de CAG-herhalingen en ontdekten dat de uitbreiding niet alleen leek te stoppen, maar dat sommige CAG-herhalingen zelfs korter waren geworden!

Om te onderzoeken of hun aanpak ook buiten HD werkte, herhaalden de onderzoekers hun experimenten in cel- en muismodellen van de ataxie van Friedreich, een andere aandoening met herhalingsuitbreiding. Spannend genoeg zagen ze vergelijkbare resultaten: tot 55% van de hersencellen leek herhalingsonderbrekingen te bevatten, en de herhalingen leken stabiel in de loop van de tijd, zonder tekenen van uitbreiding met de leeftijd.

Zal CRISPR het ijs breken?

Gezamenlijk lijken deze bevindingen aan te tonen dat de sneeuwbalachtige herhalingsuitbreiding in HTT kan worden gestopt, en deze aanpak zou zelfs van toepassing kunnen zijn op andere herhalingsaandoeningen. Er zijn echter een paar redenen voor voorzichtigheid. Deze studie richtte zich op de vraag of CRISPR CAA-onderbrekingen kon invoegen en de groei van herhalingen kon stoppen, maar er werd niet beoordeeld of deze interventie de symptomen verbetert of de ziekte vertraagt. Het kennen van de impact van dit type therapeutische aanpak op de tekenen en symptomen van HD is essentieel om te bepalen of het verder ontwikkeld moet worden.

Daarnaast zal het verminderen van onbedoelde veranderingen in andere genen dan HTT cruciaal zijn voordat er overgegaan kan worden op menselijke proeven. Een ander probleem is de aflevering – menselijke hersenen zijn veel groter dan die van muizen, en het krijgen van CRISPR in voldoende hersencellen om een verschil te maken, zal bijzonder uitdagend zijn.

Ondanks deze huidige beperkingen zijn deze resultaten een grote stap voorwaarts. Met de vooruitgang in de nauwkeurigheid van genbewerking en effectievere aflevermethoden, zal CRISPR waarschijnlijk een krachtig hulpmiddel worden in de strijd tegen HD en andere trinucleotide-herhalingsziekten.

TL;DR: De belangrijkste punten

• Het probleem: HD wordt veroorzaakt door een mutatie in het HTT-gen, waarbij CAG-herhalingen met de tijd groeien, een proces dat somatische expansie wordt genoemd. Deze “genetische sneeuwbal” lijkt de functie van hersencellen te verslechteren en de voortgang van de ziekte aan te drijven.
• Het inzicht: Zelfs een kleine onderbreking in de herhalende reeks, zoals het omwisselen van een CAG voor een vergelijkbare en onschadelijke CAA, kan mogelijk de uitbreiding vertragen of stoppen en het begin van de symptomen uitstellen.
• De doorbraak: Wetenschappers gebruikten een verfijnd CRISPR-instrument (genaamd base-editing) om deze potentieel beschermende CAA-onderbrekingen in het HTT-gen in te voegen.
• In het lab: In menselijke cellen werkte CRISPR-base-editing in ~80% van de cellen, waarbij de uitbreiding leek te stoppen en de gezondheid van de cellen verbeterde.
• In muizen: Nadat CRISPR via een virale injectie was toegediend, had ongeveer 20% van de hersencellen beschermende veranderingen en leken de CAG-herhalingen te stoppen met groeien.
• Bonus: Vergelijkbaar succes werd gezien in muismodellen van een andere herhalingsaandoening, de ataxie van Friedreich.
• De kanttekening: Er is meer werk nodig om:
  • Verbetering van symptomen te bewijzen
  • Onbedoelde effecten te minimaliseren
  • De aflevering op te schalen naar het veel grotere menselijke brein
• Waarom het belangrijk is: Dit werk laat zien dat CRISPR gebruikt zou kunnen worden om herhalingsuitbreidingen in levend hersenweefsel te onderbreken, wat echte hoop biedt voor de behandeling van HD en vergelijkbare genetische aandoeningen.

Meer leren

Origineel onderzoeksartikel, “Base editing of trinucleotide repeats that cause Huntington’s disease and Friedreich’s ataxia reduces somatic repeat expansions in patient cells and in mice” (open access).