Precisie-snoeien met PROTACs: Selectief aanpakken van giftig huntingtine

In de natuur staan dominante organismen erom bekend dat ze de natuurlijke hulpbronnen in een gebied overnemen. Een boom die na verloop van tijd hoog groeit, wordt bijvoorbeeld blootgesteld aan grote hoeveelheden zonlicht. Als er echter een zaailing naast de hoge boom wordt geplant, zal deze niet dezelfde toegang tot de zon hebben en mogelijk niet overleven. In cellen kunnen verkeerd gevouwen eiwitten met elkaar reageren om plakkerige klonten te vormen, ook wel aggregaten genoemd, die zich kunnen gedragen als een dominant organisme. Bij ziekten zoals de ziekte van Huntington (HvH) kunnen deze klonten energie en hulpbronnen in de cel verbruiken, wat eiwitstress veroorzaakt en uiteindelijk bijdraagt aan celsterfte.

In een recente studie hebben wetenschappers een chemische stof ontwikkeld die uitgebreide huntingtine (HTT) klonten afbreekt in Huntington-cellen en muismodellen. Deze stof spoort HTT-klonten op en markeert ze om te worden afgebroken. Het alleen ‘snoeien’ van de uitgebreide HTT-klonten en het achterlaten van gezond HTT kan uiteindelijk de gezondheid van de cel verbeteren. Laten we eens kijken wat deze studie heeft aangetoond.

Kiezen voor de zaailing

Bij de ziekte van Huntington zorgt een herhalend stukje van de genetische lettercode C-A-G ervoor dat er een uitgebreide vorm van het HTT-eiwit wordt aangemaakt. Uitgebreid HTT is extra lang en vouwt zich in een iets andere vorm dan de normale vorm van HTT. De nieuwe HTT-vorm kan leiden tot de vorming van HTT-klonten, waarvan wordt vermoed dat ze de eiwitstress verhogen, wat weer kan leiden tot celsterfte. Eén idee is om deze giftige HTT-klonten op te ruimen, maar dat brengt de nodige uitdagingen met zich mee.

Mensen met de ziekte van Huntington produceren zowel normaal als uitgebreid HTT. Omdat normaal HTT een belangrijke rol speelt bij de gezondheid en het functioneren van de cel, kan het belangrijk zijn om een deel ervan te behouden. Stel je voor dat een boswachter een speciale zaailing meer zonlicht wil geven en daarom een onkruidverdelger spuit die alle planten in de omgeving vernietigt. De chemische stof zou de hoge boom verwijderen, maar de zaailing zou het waarschijnlijk ook niet overleven. In plaats daarvan moet de boswachter een manier vinden om de hoge boom te verwijderen zonder de zaailing te schaden. Op dezelfde manier onderzoeken wetenschappers behandelingen die zich richten op het opruimen van het uitgebreide HTT-eiwit, terwijl de gezonde, normale vorm van HTT behouden blijft.

De hoge boom aanpakken

Hoe pakken we uitgebreid HTT aan, maar niet het normale HTT? In een studie van het lab van Jen-Tse Huang in Taiwan hebben onderzoekers een verbinding ontworpen genaamd PROTAC 2’ (uitgesproken als pro-tack twee accent) die precies dat kan doen in laboratoriummodellen van de ziekte van Huntington. PROTAC 2’ spoort uitgebreide HTT-klonten op die een andere vorm hebben dan normaal HTT, en grijpt ze vast.

Het Huang-lab ontwierp PROTAC 2’ niet alleen om uitgebreid HTT te herkennen, maar ook om het naar de afvalverwerkingsmachine van de cel te brengen om het af te breken. Het is alsof de boswachter de onkruidverdelger bij zich draagt terwijl hij naar de boom zoekt. Dit is veel efficiënter dan de boom lokaliseren, teruggaan om de chemicaliën te halen en hopen dat je nog weet waar je de boom hebt gevonden. Omdat PROTAC 2’ zowel de uitgebreide HTT-klonten ALS de bestaande afvalverwerkingsmachine van de cel vastgrijpt, kunnen de klonten gemakkelijker worden afgebroken en afgevoerd.

Giftige uitgebreide HTT-klonten in cellen opruimen

Uitgebreid HTT kan in verschillende vormen voorkomen. Onderzoekers definiëren deze vormen soms op basis van hun vermogen om in verschillende vloeistoffen op te lossen, of hoe ze zich gedragen wanneer ze worden gemarkeerd met kleurrijke chemische “labels”. Klonten van uitgebreid HTT die niet gemakkelijk oplossen of dicht op elkaar gepakt zitten, worden vaak “onoplosbaar” genoemd. Het uitgebreide HTT-eiwit kan ook in een “oplosbare” vorm voorkomen. Er zijn aanwijzingen dat de onoplosbare vorm van uitgebreid HTT giftiger zou kunnen zijn.

In cellen in een kweekschaal die werden behandeld met PROTAC 2’, vonden de onderzoekers lagere niveaus van onoplosbare uitgebreide HTT-klonten, terwijl de niveaus van de andere HTT-vormen gelijk bleven. Dit suggereert dat PROTAC 2’ de cellen helpt om van uitgebreide HTT-klonten af te komen, zonder andere vormen van het eiwit aan te tasten – precies zoals de onderzoekers hoopten!

Het Huang-lab was ook geïnteresseerd in hoe cellen reageerden op de lagere niveaus van uitgebreide HTT-klonten. In cellen die behandeld waren met PROTAC 2’, vonden onderzoekers een toename in celoverleving en minder tekenen van stress. Dit suggereert dat het behandelen van cellen met PROTAC 2’ zou kunnen helpen om een aantal van de problemen in de cel te verminderen die we associëren met de ziekte van Huntington.

Vertraging van de ziekteprogressie bij muizen

De onderzoekers injecteerden PROTAC 2’ ook in muizen die model staan voor de ziekte van Huntington om te zien of PROTAC 2’ hun Huntington-achtige symptomen kon verminderen. Deze muizen zijn genetisch gemanipuleerd om het menselijke Huntington-gen te dragen met een uitbreiding van ongeveer 120 CAG-herhalingen. Dit leidt tot de vorming van uitgebreide HTT-klonten en ontstekingen in de hersenen, evenals progressief gewichtsverlies, achteruitgang van de motoriek en een veel kortere levensduur vergeleken met muizen die het Huntington-gen niet hebben.

Voordat ze met de zieke muizen aan de slag gingen, leerden de onderzoekers meer over de veiligheid en werking van PROTAC 2’ door dit molecuul te injecteren bij muizen die de Huntington-mutatie niet droegen. Vervolgens behandelden ze de Huntington-muismodellen en ontdekten dat de muizen die PROTAC 2’ kregen minder HTT-klonten hadden, verbeteringen vertoonden in andere hersenmarkers en symptomen, en een langere levensduur hadden vergeleken met de onbehandelde Huntington-muizen. Dit suggereert dat behandeling met PROTAC 2’ de effecten van de ziekteprogressie in dit ziektemodel zou kunnen vertragen.

Blik op de toekomst

Onderzoekers van het Huang-lab ontwierpen een verbinding die zowel HTT-klonten als de afbraakmachine naar dezelfde plek brengt. Als een boswachter die een kostbare jonge boom beschermt, breekt PROTAC 2’ effectief klonten in cellen af terwijl het normale huntingtine wordt gespaard. Dit vertraagde de progressie van Huntington-achtige symptomen bij muizen, en de auteurs suggereren dat PROTACs in de toekomst potentie kunnen hebben als therapie.

Hoewel ze de potentie van deze moleculen bij muizen konden aantonen, moet er nog veel gebeuren voordat we deze aanpak bij mensen kunnen toepassen. Eén uitdaging is dat PROTACs aan de grote kant zijn voor medicijnachtige moleculen, en het kan moeilijk voor ze zijn om diep in het hersenweefsel door te dringen, wat een groter probleem is in grotere (menselijke) hersenen. Bovendien maakte deze studie geen directe vergelijking tussen gezonde en zieke muizen – en het is mogelijk dat de ziekte van Huntington het vermogen van de PROTAC om hersenweefsel binnen te dringen verandert. Grotere studies zouden ook nodig zijn om beter te begrijpen hoe PROTAC 2’ andere processen beïnvloedt die door de ziekte van Huntington worden geraakt, zoals de energieproductie.

Niettemin is het afbreken van giftige eiwitklonten een strategie die bij meerdere hersenziekten wordt onderzocht, en het is opwindend om te zien dat het positieve effecten kan hebben bij Huntington-muizen. De auteurs merken op dat opruimmethoden op basis van eiwitten een deel van de giftige boosdoener kunnen verwijderen met minder kans op langetermijnschade dan strategieën zoals gentherapie.

Samenvatting

• PROTAC 2’ richt zich selectief op uitgebreide HTT-klonten voor de afvalbak van de cel, waarbij normaal HTT wordt gespaard
• Het werkt door de afvalopruimmachine naar giftige eiwitklonten te lokken
• In cellen zorgde deze behandeling voor minder onoplosbare uitgebreide HTT-klonten en minder stress
• In muismodellen voor de ziekte van Huntington verminderde PROTAC 2’ bewegingsproblemen en andere ziektekenmerken, en verlengde het de levensduur