Plačiojo MIT instituto ir Harvardo, Harvardo medicinos mokyklos ir McLean ligoninės mokslininkai atrado nuostabų mechanizmą, pagal kurį paveldima genetinė mutacija, kuri, kaip žinoma, sukelia Huntingtono ligą, sukelia smegenų ląstelių mirtį. Rezultatai keičia supratimą apie mirtiną neurodegeneracinį sutrikimą ir siūlo galimus būdus, kaip jį atidėti ar net užkirsti kelią.
30 metų mokslininkai žinojo, kad Huntingtono liga sukelia paveldima Huntingtin (HTT) geno mutacija, tačiau jie nežinojo, kaip ši mutacija sukelia smegenų ląstelių mirtį.
Tyrimas, paskelbtas m Ląstelė atskleidžia, kad paveldima mutacija pati nekenkia ląstelėms. Atvirkščiai, mutacija yra nekenksminga dešimtmečius, tačiau pamažu virsta labai toksiška forma, kuri greitai sunaikina ląstelę.
Huntingtono mutacija apima HTT geno DNR atkarpą, kurioje trijų raidžių DNR seka „CAG“ kartojasi mažiausiai 40 kartų, o ne 15–35 pasikartojimai, kuriuos paveldi žmonės, neserga šia liga. Tyrėjai išsiaiškino, kad DNR traktai su 40 ar daugiau CAG pakartojimų auga tol, kol pasikartoja šimtai.
Šio tipo „somatinė plėtra“ pasireiškia tik tam tikro tipo smegenų ląstelėse, kurios vėliau miršta sergant Hantingtono liga. Tik kai ląstelės DNR išsiplėtimas pasiekia ribinį CAG skaičių – maždaug 150 – ląstelė suserga ir miršta. Daugelio tokių ląstelių kumuliacinė mirtis sukelia Hantingtono ligos simptomus.
Tyrimas siūlo galimą paaiškinimą, kodėl Huntingtono vaistai, kuriais siekiama sumažinti HTT baltymo ekspresiją, patyrė sunkumų klinikinių tyrimų metu: Labai nedaug ląstelių turi toksišką baltymo versiją bet kuriuo metu, todėl gydymas gali būti neveiksmingas. terapinis poveikis daugumoje ląstelių.
Tyrimas taip pat iškelia kitokią terapinę strategiją: sustabdžius arba sulėtinus HTT geno pasikartojantį CAG išsiplėtimą, toksiškumas gali būti atidėtas daug didesniam skaičiui ląstelių, uždelsdamas ar net užkirdamas kelią ligos atsiradimui.
„Šie eksperimentai pakeitė mūsų mąstymą apie Huntingtono ligos vystymąsi“, – sakė Steve'as McCarrollas, genetikas ir neurologas bei vienas iš vyresnysis tyrimo autorių.
McCarroll yra instituto narys ir genominės neurobiologijos direktorius Stanley psichiatrinių tyrimų centre Broad, Dorothy ir Milton Flier Biomedicinos mokslų ir genetikos profesorius Harvardo medicinos mokykloje ir Howardo Hugheso medicinos instituto tyrėjas.
„Tai tikrai kitoks mąstymo būdas apie tai, kaip mutacija sukelia ligą, ir manome, kad tai bus taikoma DNR pasikartojantiems sutrikimams, išskyrus Huntingtono ligą.”
„Mūsų darbo tikslas – tai, ką mes visi darome, – palengvinti kančias, kurias sukelia ligos“, – sakė bendraautorė Sabina Berretta, Harvardo medicinos mokyklos ir McLean ligoninės psichiatrijos docentė, Mass General Brigham sveikatos priežiūros sistemos narė. .
Ji taip pat yra Harvardo smegenų audinių išteklių centro (HBTRC), NIH NeuroBioBank centro McLean ligoninėje, direktorė. „Šis tyrimas ir darbas, apie kurį jis informuoja, gali turėti įtakos ir labai palengvinti kančias per trumpą laiką.”
Bobas Handsakeris, personalo mokslininkas, Seva Kashin, vyresnioji programinės įrangos inžinierė, ir buvusi mokslinė bendradarbė Nora Reed, visi iš McCarroll grupės, yra pirmieji šio darbo autoriai.
Atviri klausimai
Huntingtono liga žudo ląstelių populiaciją, vadinamą striataliniais projekciniais neuronais, kurie yra juostoje – giliai smegenų struktūroje, atsakingoje už judėjimą, daugelį pažinimo funkcijų ir motyvaciją.
Kai miršta daug šių ląstelių, pacientams atsiranda nevalingi rankų, kojų ir veido judesiai, daugeliui pacientų taip pat atsiranda pažinimo problemų. Šie simptomai paprastai prasideda vidutinio amžiaus, o vėliau per 10–20 metų progresuoja iki sunkesnių pažinimo problemų ir judėjimo ar rijimo sunkumų.
1993 m. mokslininkai išsiaiškino, kad šią ligą sukelia išsiplėtęs HTT geno CAG ruožas. Dauguma žmonių paveldi geno versijas su 15–35 iš eilės CAG ir niekada nesuserga Huntingtono liga, tačiau tie, kurie paveldi 40 ar daugiau iš eilės CAG, liga beveik visada suserga vėliau.
Kuo ilgesnis kartojimasis, tuo jaunesnis žmogus būna, kai pasireiškia pirmieji simptomai. Taip pat buvo įrodyta, kad pasikartojančių CAG traktas laikui bėgant plečiasi, todėl skirtinguose audiniuose yra įvairaus ilgio.
Tačiau pagrindiniai biologiniai klausimai visada išliko: kaip HTT mutacija yra toksiška? Kodėl HTT baltymas, kuris yra beveik kiekvienoje kūno ląstelėje, nužudytų tik kai kurias smegenų ląsteles, o kitas ne? Ir kodėl pacientams, kurie gimsta su mutacija ir visą gyvenimą išreiškia baltymą, simptomai pasireiškia tik vidutinio amžiaus, po dešimtmečių akivaizdžiai geros sveikatos?
Pakartokite išplėtimą
Siekdama atsakyti į šiuos klausimus, tyrėjų komanda sukūrė technologiją, kurią McCarroll laboratorija sukūrė prieš dešimtmetį, vadinamą lašelių vienos ląstelės RNR sekos nustatymu (Drop-seq), kuri leidžia tyrėjams analizuoti genų ekspresiją tūkstančiuose pavienių ląstelių.
Siekdami suprasti tiesioginį biologinį CAG pasikartojimo ilgio poveikį, mokslininkai pritaikė vienos ląstelės RNR sekos nustatymą, kad padėtų jiems nustatyti ne tik genų ekspresiją ir pavienių ląstelių tapatybę, bet ir kiekvienos ląstelės DNR pasikartojimo takų ilgį.
„Buvo žinoma, kad šie pasikartojimai plečiasi neuronuose”, – sakė Kashinas. „Tačiau galimybė paimti tam tikrą ląstelę ir išmatuoti CAG ilgį ir transkripcijos profilį – tai tikrai svarbus pagrindas, leidžiantis atlikti tikrai galingą analizę.”
Tyrėjai ištyrė smegenų audinį, paaukotą 53 žmonių, sergančių Hantingtono liga ir 50 nesergančių žmonių, surinktus ir saugomus HBTRC.
Jie išanalizavo daugiau nei 500 000 pavienių ląstelių ir nustatė, kad dauguma ląstelių tipų iš žmonių, sergančių šia liga, iš esmės turėjo tą patį CAG pasikartojimą, kurį jie paveldėjo. Tačiau striataliniai projekciniai neuronai – pirminės juostelės ląstelės, kurios miršta nuo ligos – labai išplėtė savo CAG pasikartojančius traktus.
Dauguma ankstesnių žmogaus smegenų audinių tyrimų buvo sutelkti į CAG pasikartojančius traktus, kurių pasikartojimų skaičius buvo mažesnis nei 100, tačiau naujasis tyrimas parodė, kad kai kuriuose neuronuose buvo net 800 CAG, o tai patvirtina atradimą, kurį prieš 20 metų padarė Peggy Shelbourne iš Glazgo universiteto. .
Labiausiai stebina tai, kad tyrimo grupė nustatė, kad DNR pasikartojimo išplėtimas nuo 40 iki 150 CAG neturėjo jokio akivaizdaus poveikio neuronų sveikatai. Tačiau neuronai, kurių pasikartojimai viršijo 150 CAG, parodė labai iškreiptą genų ekspresiją, praradę svarbių genų ekspresiją ir tada mirę.
McCarrollo komanda taip pat naudojo kompiuterinį eksperimentinių duomenų modeliavimą, kad įvertintų CAG pasikartojimo išplėtimo greitį ir laiką striatalinės projekcijos neuronuose.
Jie nustatė, kad CAG pasikartojantys traktai iš pradžių auga lėtai, per pirmuosius du gyvenimo dešimtmečius plečiasi rečiau nei kartą per metus. Tačiau kai ląstelės pasikartojantis traktas pasiekia apie 80 CAG (dažniausiai po kelių dešimtmečių), jos plėtimosi greitis labai paspartėja ir tik po kelerių metų jis išsiplečia iki 150 CAG.
Tada ląstelė miršta vos po kelių mėnesių. Tai reiškia, kad neuronas daugiau nei 95% savo gyvenimo praleidžia su nekenksmingu HTT genu. Be to, kadangi CAG pasikartojantys takai skirtingose ląstelėse skirtingu metu peržengia šią toksiškumo slenkstį, ląstelės, kaip grupė, nyksta lėtai per ilgą laikotarpį, pradedant maždaug 20 metų iki simptomų atsiradimo ir greičiau, kai simptomai prasideda.
„Daug buvo žinoma apie Huntingtono ligą prieš pradedant šį darbą, tačiau mūsų kolektyviniame supratime buvo spragų ir nenuoseklumų“, – sakė Handsakeris. „Mes sugebėjome sujungti visą patologijos trajektoriją, kai ji vystosi per dešimtmečius atskiruose neuronuose, ir tai suteikia mums potencialiai daug skirtingų laiko momentų, kuriais galime įsikišti terapiškai.”
Huntingtono pacientų smegenų audinio analizė buvo labai svarbi darbui. „Dėkojame šeimoms, kurios nusprendė daryti tai, ką padaryti labai sunku“, – sakė Berretta. „Tai nebūtų buvę įmanoma be daugelio smegenų donorų, kurie paliko žinių, kurios išliks ir bus naudingos daugeliui kitų žmonių, altruizmo.
Terapinės galimybės
McCarrollo komanda teigia, kad užuot nukreipus į HTT baltymą, papildomas arba galbūt geresnis terapinis metodas galėtų būti sulėtinti arba sustabdyti DNR pasikartojimo plėtrą, o tai gali padėti atitolinti ar net užkirsti kelią ligai.
Ankstesni Huntingtono genetiniai tyrimai, įskaitant Vanessa Wheeler ir Ricardo Mouro Pinto tyrimus Masačusetso bendrojoje ligoninėje, rodo galimus būdus sulėtinti šią plėtrą.
Tyrimai parodė, kad ląstelių baltymai, susiję su DNR palaikymu ir taisymu, kartais kenkia DNR pasikartojančių takų stabilumui. Pavyzdžiui, MSH3 baltymas paprastai padeda ląstelei stebėti savo DNR dėl galimų mutacijų, tačiau papildomų CAG suformuotos DNR kilpos gali supainioti šį baltymą ir išplėsti CAG kartojimą.
Tarptautinė žmogaus genetikų komanda nustatė, kad bendri genetiniai genų, koduojančių šiuos DNR atkuriamuosius baltymus, variacijos gali paspartinti arba atidėti Huntingtono pacientų simptomų atsiradimą – McCarrollo teigimu, išvados tiesiogiai įkvėpė jo komandą sutelkti dėmesį į būdus, kaip išmatuoti CAG pasikartojimą vienu metu. ląstelės.
Jis priduria, kad tam tikrų DNR palaikymo procesų sulėtinimas naudojant molekulinę terapiją gali sulėtinti DNR pasikartojimo plėtimąsi, leisdamas kitiems mažiau klaidų linkusiems DNR taisymo mechanizmams išspręsti šias kilpas.
Tuo tarpu mokslininkai stengiasi suprasti, kaip DNR pasikartojantys traktai, ilgesni nei 150 CAG, sukelia neuronų sutrikimą ir mirtį, ir kodėl pasikartojimai kai kuriuose neuronuose plečiasi labiau nei kituose. Jie taip pat naudoja panašų vienos ląstelės RNR sekos nustatymo derinį kartu su DNR kartojimo profiliavimu, kad suprastų ryšį tarp DNR pasikartojimo išplėtimo ir ląstelių pokyčių, susijusių su kitais genetiniais sutrikimais, susijusiais su DNR kartojimu ir vėlyvu pacientų atsiradimu.
Daugiau nei 50 žmogaus smegenų sutrikimų, įskaitant trapų X sindromą ir miotoninę distrofiją, sukelia DNR pasikartojimų išsiplėtimas įvairiuose genuose.
„Daugeliui žmonių prireiks daug mokslinio darbo, kad pradėtų gydymą, kuris sulėtins DNR pasikartojimų plėtrą“, – sakė McCarrollas. „Tačiau mes tikimės, kad supratimas, kad tai yra pagrindinis ligos skatinimo procesas, paskatins gilų dėmesį ir naujas galimybes.”