DNA-herstel bij de ziekte van Huntington: Niet op niveau?

Wetenschappers proberen enkele van de eerste veranderingen in DNA-reparatie veroorzaakt door de Ziekte van Huntington (HD) te begrijpen – inzichten die kunnen helpen bij het ontdekken van nieuwe therapeutica en nieuwe manieren om somatische uitbreiding, een belangrijke oorzaak van ziekteprogressie, aan te pakken. Een molecuul dat helpt DNA-schade te repareren – PAR genaamd – is lager dan verwacht bij mensen met het HD-gen. Dit suggereert dat cellen moeite kunnen hebben om hun DNA goed te repareren van de natuurlijke slijtage-schade die elke dag aan het DNA ontstaat. Deze bevindingen zouden implicaties kunnen hebben voor veranderingen in het DNA-herstelproces dat somatische instabiliteit veroorzaakt. De ontdekking zou onderzoekers kunnen helpen nieuwe manieren te vinden om hersencellen te beschermen door de natuurlijke herstelsystemen van de cel te stimuleren.

Genetische mutaties en reparaties

De term genetische mutatie wordt vaak gebruikt, maar wat betekent het eigenlijk? Kort gezegd is een genetische mutatie een verandering in de letters van het DNA – de handleiding van de cel voor het bouwen van eiwitten. Deze veranderingen kunnen de manier veranderen waarop de genetische code wordt gelezen en gebruikt door cellen, waardoor soms de functie van eiwitten, de moleculaire machines van de cel, wordt verstoord. Een opvallend voorbeeld zijn mutaties in het HTT-gen, die de activiteit van het gecodeerde eiwit aanzienlijk verstoren, wat leidt tot HD.

Hoewel de mutatie die HD veroorzaakt bij de geboorte wordt geërfd, verzamelen onze cellen ook nieuwe mutaties naarmate we ouder worden. Het gevolg van deze willekeurige leeftijdgerelateerde mutaties is moeilijk te voorspellen, maar over het algemeen dragen ze bij aan ouderdomsziekten zoals kanker en neurodegeneratie. Gelukkig zijn deze leeftijdsgebonden mutaties normaal en worden ze meestal gerepareerd en hersteld voordat ze problemen veroorzaken.

Maar helaas werkt dit proces niet goed bij HD. Eerdere studies hebben vastgesteld dat cellen van mensen met het gen voor HD de neiging hebben om meer mutaties op te bouwen in de loop van hun leven, waarschijnlijk een gevolg van een defecte DNA-herstelmachine. Storingen in de DNA-herstelmechanismen leiden tot somatische expansie, een biologisch proces waarbij de CAG-herhalingslengte in het HTT-gen in sommige cellen na verloop van tijd toeneemt. Een nieuwe studie onder leiding van Dr. Ray Truant en zijn team aan de McMaster University onderzocht hoe de HD-mutatie het DNA-herstel verstoort en identificeerde een hoofdverdachte: defecte PARylering.

Een kapotte spellingcontrole

Cellen zijn uitgerust met geavanceerde systemen om DNA-beschadiging te repareren, en één belangrijke route is PARylering. PARylatie houdt in dat er lange ketens van een molecuul genaamd PAR (Poly-ADP-Ribose) worden gebouwd op delen van beschadigd DNA. Deze lange ketens fungeren als moleculaire handvatten voor DNA reparatie enzymen om zich aan vast te klampen en te beginnen met het repareren van het DNA. Op deze manier zijn PAR-ketens als de rode kronkellijnen in een Word-document die spelfouten markeren. Maar net als een kapotte spellingscontrole missen HD-cellen veel van deze rode kronkellijntjes, ondanks het feit dat ze meer mutaties hebben.

Om dit te onderzoeken analyseerde het team van Truant eerst de hoeveelheid PAR-ketens in het ruggenmergvocht, een stof die de hersenen baadt, van mensen met HD. Omdat PAR-ketens worden aangemaakt als reactie op DNA-beschadiging en mensen met HD meer DNA-beschadiging hebben, verwachtten ze meer PAR-ketens te vinden.

Wat ze echter vonden verraste hen – mensen met HD hadden minder PAR-ketens. Deze paradox werd vervolgens onderzocht met behulp van cellen van mensen met HD, die geen verhoogde niveaus van PAR-ketens vertoonden, ondanks verhoogde niveaus van DNA-schade. Deze resultaten suggereren dat de machinerie voor het bouwen van PAR-ketens, en dus het repareren van DNA, mogelijk niet in staat is om aan de vraag te voldoen!

Niet op PAR

Waarom zijn er minder PAR-ketens in HD-cellen ondanks dat er meer DNA-beschadiging is? Om erachter te komen waarom, moesten de onderzoekers de onderliggende eiwitmechanismen onderzoeken. PARylering is afhankelijk van twee belangrijke enzymen: PARP, dat PAR-ketens bouwt om DNA-reparatie te starten, en PARG, dat deze ketens opknipt zodra de reparatie is voltooid.

De onderzoekers vroegen zich dus af of PARG overactief is? Of presteert PARP ondermaats? Na wat zorgvuldige biochemie ontdekten ze dat het laatste het geval lijkt te zijn – PARP-activiteit lijkt te zijn verminderd in HD-cellen, wat het tekort aan PAR-ketens en misschien de verhoogde mutatiesnelheden verklaart.

Het team richtte hun aandacht toen op HTT. Omdat het HTT-eiwit als een steiger fungeert en aan veel andere eiwitten bindt, vroegen ze zich af of de gemuteerde versie die HD veroorzaakt de interactie tussen HTT en PAR-gemuteerde eiwitten zou kunnen verstoren. Omdat PAR-ketens zich naast DNA ook vormen op eiwitten, vergeleken ze de eiwitten waarvan bekend is dat HTT ermee interageert met de eiwitten waarvan bekend is dat ze PARyleren. Ze ontdekten dat bijna de helft van de eiwitten waarmee HTT interageert ook PARyleren.

Dit wekt het vermoeden dat HTT zelf gemodificeerd zou kunnen worden door PAR. Als dat zo is, en dit proces is veranderd door mutant HTT, zou dat de verschillen kunnen verklaren in de PAR-ketens die ze zagen in HD-cellen.

HTT- en PAR-ketens

Om te testen of HTT interageert met PAR-ketens, gebruikte het team een hightech microscoop om te zien waar HTT en PAR-ketens zich in levende cellen bevinden. Hoewel PAR-ketens en HTT elkaar meestal niet overlapten, overlapten ze elkaar wel op chromosomen wanneer cellen zich delen.

Bovendien, toen ze de productie van PAR-kettingen uitschakelden door PARP-activiteit te blokkeren, overlapte HTT niet langer, wat suggereert dat PAR-ketens HTT naar chromosomen zouden kunnen leiden tijdens de celdeling. Hoewel het belang van overlappende HTT- en PAR-ketens tijdens de celdeling niet verder is onderzocht, suggereert het wel dat er een functionele interactie tussen beide zou kunnen zijn!

Om hun zaak kracht bij te zetten, gebruikten de onderzoekers nog een paar technieken om de interactie tussen HTT- en PAR-ketens te bevestigen. Eerst keken ze nauwkeurig naar de moleculaire structuur van het HTT-eiwit en vonden veel gleuven waarin een PAR-keten leek te passen. Vervolgens gebruikten ze een hoge-resolutie microscoop om de PAR-ketens die PARP produceerde met en zonder HTT direct te visualiseren. Ze zagen dat PARP veel uitgebreidere PAR-ketens produceerde als HTT in de buurt was, wat suggereert dat HTT de PARP-activiteit stimuleerde. Belangrijk is dat gemuteerde vormen van HTT geen stimulerend effect hadden op PARP-activiteit, wat mogelijk de verminderde productie van PAR-ketens bij mensen met HD verklaart.

Implicaties voor HD en daarna

Deze bevindingen schetsen een duidelijk beeld: in cellen zonder het HD-gen stimuleert HTT PARylering en bevordert het efficiënt DNA-herstel. Maar in HD slaagt het gemuteerde HTT-eiwit er niet in PARP te stimuleren, wat leidt tot minder PAR-ketens, verminderd DNA-herstel en een opeenhoping van mutaties die kunnen bijdragen aan neurodegeneratie.

Deze bevindingen zijn opwindend omdat ze onderzoekers helpen de onderliggende defecten in HD-cellen beter te begrijpen, maar wat misschien nog belangrijker is, ze openen therapeutische mogelijkheden.

Veel van de belangstelling voor PARP is te danken aan de publiciteit die het heeft gekregen in een heel ander onderzoeksdomein – kanker, waar al tientallen moleculen zijn gevonden die gericht zijn tegen PARP. Omdat medicijnen die zijn ontworpen om PARP-activiteit te moduleren al op veiligheid zijn getest, kunnen ze mogelijk opnieuw worden gebruikt voor HD, waardoor de weg naar klinische proeven wordt versneld. Hoewel medicijnen die opnieuw worden gebruikt nog grondig getest moeten worden, opent dit onderzoek opwindende nieuwe therapeutische wegen die het probleem van zich ophopende mutaties, een kritiek probleem bij cellen in HD, kunnen aanpakken.

Meer leren

Oorspronkelijk onderzoeksartikel,“Poly ADP-ribose signalering is ontregeld in de ziekte van Huntington” (Open access).