Knockouts voor de overwinning: hoe uitdijende CAGs ziekte veroorzaken

De ziekte van Huntington (HD) wordt veroorzaakt door extra herhalingen van de DNA-letters CAG binnen de genetische code van het huntingtin-gen. We dachten vroeger dat die CAG-lengtes stabiel waren in de meeste weefsels, maar we hebben nu een groeiend begrip dat CAG-instabiliteit bijdraagt aan HD. Somatische instabiliteit is het concept dat CAG-repeats in de loop van de tijd uitdijen in sommige soorten cellen, vooral cellen die kwetsbaar zijn bij HD. Veel wetenschappers denken dat dit proces een rol zou kunnen spelen bij het versnellen van de ontwikkeling van symptomen.

Een recent artikel duikt in een deel van de machinerie achter dit fenomeen, en vraagt hoe CAG-expansie verbonden is met ziekte, en hoe de wetenschap DNA-reparatiegenen zou kunnen benutten als behandeling voor HD.

Van mensen naar dieren… en terug naar mensen

Ons huidige begrip van het fenomeen van CAG-repeat expansie komt voort uit grote menselijke studies waarin deelnemers met HD monsters en klinische gegevens doneerden. Hun bijdragen stelden wetenschappers in staat om subtiele verschillen in de genetica van mensen te koppelen aan de leeftijd waarop ze HD-symptomen ontwikkelden. Deze studies, bekend als genoom-brede associatiestudies, of GWAS (uitgesproken als ‘gee-wass’), toonden aan dat bepaalde DNA-variaties het begin van HD sterk konden versnellen of vertragen.

Veel van de genen die in deze studies werden geïdentificeerd en die verder onderzoek verdienden, behoren tot een familie van genen die helpen bij het repareren van DNA. De afgelopen jaren hebben we een golf van activiteit gezien die ons tot enkele nieuwe conclusies over HD en expansie van CAGs heeft geleid. Hier is een korte samenvatting voordat we duiken in enkele nieuwe gegevens rond dit onderwerp:

• De DNA-reparatiemachinerie kan uitglijden bij het proberen te “corrigeren” van extra-lange CAG-repeats – waardoor ze per ongeluk langer en langer worden!

• Dit gebeurt niet in de overgrote meerderheid van cellen, maar lijkt veel voor te komen in een deel van de hersenen dat het striatum wordt genoemd, dat stemming, beweging en motivatie regelt. Het bestuderen van CAG-expansie in het striatum zou ons dichter bij het begrijpen kunnen brengen waarom deze cellen zo kwetsbaar zijn bij HD.

• Sommige studies hebben gevonden dat er een drempel van ongeveer 150 CAG-repeats is waarbij schade aan de cel begint te versnellen.

• Experimentele “knockout” of genetische verwijdering van DNA-reparatiegenen waarvan bekend is dat ze fouten maken bij CAGs kan CAG-repeat expansie in laboratoriummodellen van HD vertragen of zelfs stoppen.

• Sommige van deze genen, zoals Msh3, zijn de doelwitten van menselijke HD-therapieën in ontwikkeling – maar we moeten nog meer begrijpen over hoe ze HD-biologie beïnvloeden, en wat de gevolgen (positief en negatief) zijn van het uitschakelen ervan.

Het opzetten van het experiment

De auteurs van een recent artikel, geleid door X. William Yang aan The University of California, Los Angeles (UCLA), namen een directe en grondige benadering om de verbinding tussen DNA-reparatiegenen, CAG-expansie, hersencelgezondheid en zelfs gedrag te onderzoeken.

Ze kozen een set van negen genen die geïdentificeerd waren in de menselijke GWAS-studies en die deel uitmaken van de machinerie die een bepaald type DNA-reparatie uitvoert, het soort dat de “oeps” van CAG-verlenging veroorzaakt. Vervolgens maakten ze gebruik van gespecialiseerde muisgenetica en fokschema’s om HD-muizen te creëren die een of beide kopieën van deze DNA-reparatiegenen misten.

In elk van deze HD-muizen, die genen zoals Msh3, Pms1, Mlh1 en anderen misten, konden ze meer leren over hoe het verstoren van DNA-reparatie CAG-expansie, RNA-berichtproductie (de specialiteit van het lab), toxische huntingtin-ophoping en andere kenmerken van HD zou kunnen beïnvloeden. Ze waren verrast te leren dat sommige knockouts diepgaande positieve gevolgen hadden, terwijl andere helemaal geen effect hadden. Wat ze leerden is waardevol voor ons begrip van HD-biologie en de ontwikkeling van therapeutica.

RNA-veranderingen omkeren

Ons DNA wordt gelezen of “getranscribeerd” door gespecialiseerde machinerie om RNA-berichten te maken, die uiteindelijk worden gebruikt om eiwitten te maken, de bouwstenen van het leven. Er is een hele tak van wetenschap die de locatie en hoeveelheid RNA-berichten onderzoekt die van verschillende genen worden gemaakt – dit is het gebied van transcriptomica.

Wetenschappers kunnen een gezond muis “transcriptoom” definiëren door naar duizenden genen te kijken en te vragen welke normaal aan- en uitgezet zijn in verschillende cellen, en hoeveel van elk RNA-bericht aanwezig is. Vervolgens kunnen ze kijken hoe dit verandert in een HD-muis in de loop van de tijd, of experimenteren om te zien wat zou kunnen helpen om de RNA-niveaus van de muis naar normaal te herstellen.

Het Yang-lab werkte met een type muis dat HD modelleert en dat grote veranderingen in zijn transcriptoom toont vergeleken met gewone muizen. Veel genen produceren meer of minder RNA dan ze zouden moeten, vooral binnen medium spiny neuronen, de cellen die het meest kwetsbaar zijn bij HD. Toen het Yang-lab de helft van de Msh3 en Pms1 in hun HD-muismodel “uitsloeg”, zagen ze een gedeeltelijke omkering van de RNA-veranderingen in medium spiny neuronen. Met Msh3 of Pms1 volledig weg, waren de RNA-veranderingen bijna volledig omgekeerd, vaak tot een jaar lang (de helft van een leven voor een labmuis!). Het uitschakelen van een paar andere genen – Msh2 en Mlh1 – had ook enkele omkeringseffecten, maar deze waren gematigder. Sommige gen-knockouts hadden helemaal geen effect.

Leden van het Yang-lab zijn wereldexperts in het bestuderen van HD-transcriptomica, en ze gebruikten meerdere geavanceerde laboratoriumtechnieken evenals verschillende statistische benaderingen om hun resultaten te bevestigen. Ze onderzochten RNA-niveaus in veel cellen, tot op het niveau van individuele cellen, en keken ook naar hoe strak het DNA rond zijn “spoel” was gewikkeld, bekend als chromatine. In alle gevallen leek het uitschakelen van Msh3 en Pms1 de HD-gerelateerde veranderingen om te keren.

CAGs en klonters kalmeren

Parallel hieraan mat het Yang-lab de hoeveelheid somatische instabiliteit – de verlenging van CAG-repeats – in verschillende delen van de hersenen en het lichaam. In dit type HD-muis worden CAG-repeats langer in de loop van de tijd, vooral binnen de cellen van het striatum. In feite gebruikte deze groep statistieken om de snelheid te definiëren waarmee CAGs uitdijen in deze kwetsbare muishersencellen: het is ongeveer 8,8 CAG-repeats per maand. (Deze expansiesnelheden gelden NIET voor mensen – deze muizen beginnen met 140 repeats en zijn ontworpen voor experimenten.)

De opwindende bevinding is dat wanneer de muizen minder of geen Msh3 of Pms1 hadden, die snelheid sterk daalde. In feite vertraagde het verwijderen van beide kopieën van Msh3 die snelheid tot 0,3 extra CAG-repeats per maand, helemaal tot 20 maanden oud – dat is in principe een stabiele repeat-lengte, in een oude muis!

Tegelijkertijd observeerden Yang en collega’s dat HD-muizen met de helft of geen Msh3 of Pms1 ook veel minder klonters van huntingtin-eiwit in het striatum hadden. De ophoping van deze klonters is een klassiek kenmerk van HD waarvan veel wetenschappers vermoeden dat het toxisch zou kunnen zijn voor hersencellen. Het verwijderen van Msh3 voorkwam de vorming van huntingtin-klonters ook in andere gebieden van de hersenen. De hoeveelheid geklonterd huntingtin leek overeen te komen met de hoeveelheid abnormale RNA-veranderingen die ze eerder hadden gezien.

Bovendien konden ze resultaten van andere labs bevestigen die aantonen dat er een drempel van CAG-repeats lijkt te zijn – rond de 150 – waarboven de cel meer stress begint te ervaren. Ze verbonden deze drempel met hogere niveaus van RNA-veranderingen: CAG-expansie versnelt en verergert die stress.

Hersenen- en gedragsveranderingen voorkomen

We houden van wiskunde en regenbooggrafieken met meerdere panelen, maar het is nog cooler om een verband te zien tussen genetica en gedragsgezondheid. Een manier waarop dit werk een stap voorwaarts vertegenwoordigt, is dat de auteurs laten zien hoe knockout van de genen die CAG-expansie voorkomen ook effecten kan hebben op hersencellen en muisbewegingen.

Dit type HD-muis heeft de neiging om veranderingen te tonen in de verbindingen tussen neuronen, bekend als synapsen, evenals vergroting van ondersteunende cellen die astrocyten worden genoemd. De muizen hebben ook problemen met hun gang en beweging. Echter, toen de onderzoekers Msh3 uitsloegen, observeerden ze geen van deze HD-gerelateerde veranderingen meer in de muizen. Dit is nog meer bewijs voor de rol van Msh3 bij HD, en suggereert dat het een goed medicijndoelwit is.

Merk op dat dit geen hoofdfocus van het artikel was – ze keken alleen naar een paar kenmerken van hersengezondheid en één gedragstaak – maar het is nog steeds een veelbelovend verband.

Kleine stappen voeden toekomstige behandelingen

Je hebt waarschijnlijk gemerkt dat HDBuzz al een tijdje hamert op somatische instabiliteit (luid en frequent), en dat we veel vergelijkbare boodschappen hebben gepresenteerd: CAG-repeat expansie lijkt bij te dragen aan HD, en wetenschappers hebben enkele manieren geïdentificeerd om dit te bestrijden. Dit werk is geen uitzondering; opnieuw zijn genen zoals Msh3 en Pms1 boosdoeners die “uitgeschakeld” kunnen worden tot groot voordeel in de hersenen van één type HD-muis.

Al deze individuele vooruitgangen lijken misschien klein, maar publicaties zoals deze vertegenwoordigen jaren van samenwerkend werk tussen een groot team, gevormd door frequente input van een internationale gemeenschap van HD-wetenschappers. We kozen ervoor om dit specifieke artikel te benadrukken omdat het de punten verbindt tussen CAG-expansie, abnormale RNA-berichten en veranderingen in hersengezondheid en gedrag.

De auteurs waarschuwen dat we veel meer informatie nodig hebben om het verband tussen Msh3 en Pms1 en de symptomen van HD echt te begrijpen. Ze erkennen ook, zoals we altijd doen, dat muizen geen mensen zijn. Deze muizen in het bijzonder beginnen hun leven met 140 CAGs in elke cel van hun lichaam, wat veel hoger is dan zelfs de meeste gevallen van menselijke juveniele HD. CAG-repeats dijen lang niet zo snel uit bij mensen als bij deze experimentele muizen.

Desondanks maken hun gegevens, samen met die van andere labs die onvermoeibaar werken om HD te begrijpen, een sterk argument voor het ontwikkelen van therapieën gebaseerd op Msh3 en Pms1. En deze inspanningen zijn inderdaad aan de gang!

Meer informatie

• Verschillende mismatch-repair complex genen bepalen de neuronale CAG-repeat expansiesnelheid om selectieve pathogenese in HD-muizen aan te sturen (open access)