Новое исследование показывает, как гены репарации ДНК играют важную роль в болезни Хантингтона
Новое исследование UCLA Health обнаружило на моделях мышей, что гены, связанные с восстановлением несовпадающих ДНК, играют решающую роль в возникновении повреждений нейронов, наиболее уязвимых при болезни Хантингтона, и запуске патологий и двигательных нарушений, проливая свет на механизмы заболевания и потенциальные новые способы разработки методов лечения. Исследование опубликовано в журнале Cell .
Болезнь Хантингтона — одно из наиболее распространенных наследственных нейродегенеративных заболеваний, которое обычно начинается во взрослом возрасте и ухудшается со временем. Пациенты начинают терять нейроны в определенных областях мозга, отвечающих за контроль движений, обучение двигательным навыкам, язык и когнитивные функции. Пациенты обычно живут 15–20 лет после постановки диагноза, а симптомы со временем ухудшаются. Не существует известного лечения или терапии, которая бы изменяла течение заболевания.
Причина болезни Хантингтона была обнаружена более трех десятилетий назад — мутация «генетического заикания» включает повторы трех букв ДНК, цитозин-аденин-гуанин (CAG), в гене, называемом хантингтин. Здоровые люди обычно имеют 35 или меньше повторов CAG, но люди с унаследованной мутацией из 40 или более повторов будут иметь заболевание. Чем больше повторов CAG унаследует человек, тем раньше наступит начало заболевания. Однако то, как мутация вызывает заболевание, остается плохо изученным.
Долгое время загадкой болезни Гентингтона является то, каким образом мутировавший белок, полученный из гена хантингтина, присутствует в каждой клетке организма, однако заболевание, по-видимому, избирательно поражает определенные типы нейронов в нескольких областях мозга.
Эта тайна является общей для болезни Хантингтона и многих других нейродегенеративных заболеваний мозга, включая болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз (БАС), хотя разные типы нейронов подвержены дегенерации при каждом заболевании. Разгадка этой тайны может дать понимание механизмов заболевания и методов лечения.
Недавно генетическое исследование человека обнаружило около дюжины участков ДНК в геноме, которые содержат «модификаторы» болезни Хантингтона, которые являются вариантами ДНК, которые могут ускорить или отсрочить начало заболевания на несколько лет. Интересно, что эти участки содержат несколько генов, участвующих в восстановлении несоответствий ДНК. Однако механистические связи между восстановлением несоответствий ДНК и избирательной нейронной уязвимостью при болезни Хантингтона оставались неизвестными.
Новое исследование, проведенное UCLA Health и Институтом неврологии и поведения человека Джейн и Терри Семел при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, опубликованное в журнале Cell , показывает, что определенная подгруппа генов репарации ошибочных спаренных оснований является ключевыми факторами болезни Хантингтона, а также то, как это заболевание влияет на определенные типы нейронов.
«Мы продемонстрировали, что те же гены репарации несоответствий ДНК, которые являются модификаторами у пациентов с болезнью Хантингтона, могут запускать быстро развивающиеся процессы заболевания только в самых уязвимых нейронах в мышиной модели , что приводит к каскаду фенотипов заболевания», — сказал ведущий автор доктор Икс. Уильям Янг, профессор кафедры психиатрии и биоповеденческих наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и заведующий кафедрой Терри Семела по исследованию и лечению болезни Альцгеймера в Институте Семела.
Янг и коллеги использовали модельных мышей с болезнью Хантингтона с 140 повторами CAG (называемых моделью Q140), поскольку такие длинные повторы необходимы для наблюдения особенностей заболевания в мышиной модели. Они задались вопросом, может ли генетическое изменение девяти генов-модификаторов, полученных от пациентов с HD, включая шесть генов репарации несоответствий, в этой мышиной модели изменить фенотипы любого заболевания.
Хотя у мышиной модели HD отсутствует явная гибель нейрональных клеток, возможно, из-за короткой продолжительности жизни мыши, они демонстрируют множественные фенотипы, похожие на болезни, которые являются высокоселективными по отношению к уязвимым для HD нейронам. Они включают в себя нарушение регуляции экспрессии тысяч генов в стриарных нейронах и накопление скоплений мутантного белка Хантингтина (называемых агрегатами), которые являются отличительным признаком патологии в мозге пациентов с HD. Агрегаты возникают сначала в стриарных нейронах, а затем в корковых нейронах, и они постепенно ухудшаются с течением времени, имитируя прогрессирование заболевания.
Примечательно, что HD мыши, у которых отсутствует подмножество генов репарации несоответствий, особенно Msh3 и Pms1, исправляют подавляющее большинство дефицитов экспрессии генов в этой мышиной модели. Более того, они частично или полностью предотвращают патологию агрегата мутантного Хантингтина по всему мозгу.
Помимо молекулярных и патологических преимуществ, исследование также показывает, что воздействие на Msh3 может улучшить локомоторные и походочные нарушения, улучшить уровни нейронных синаптических белков и снизить чрезмерную реактивность глиальных клеток.
«Мы были удивлены, увидев мощные и устойчивые эффекты воздействия на эти гены исправления несоответствий у мышей HD — эффект сохраняется до 20 месяцев у мышей, что сопоставимо с 60 годами у людей», — сказал Янг. «Наше исследование предполагает, что эти гены не просто модификаторы болезни, как предполагалось в предыдущих исследованиях, но и генетические драйверы болезни Хантингтона».
Как гены репарации несоответствий могут изменить процесс заболевания при HD? Недавние исследования показывают, что мутантные повторы CAG Хантингтина нестабильны в клетках взрослого мозга, особенно в уязвимых нейронах, таких как средние шипиковые нейроны полосатого тела (MSN), и такое расширение связано с изменениями экспрессии генов и возможной гибелью нейрональных клеток.
Однако роль генов-модификаторов в расширении повторов в клетках мозга остается непроверенной у пациентов. На моделях мышей предыдущие исследования показывают, что гены репарации несоответствий вызывают высокий уровень нестабильности в полосатом теле, наиболее уязвимой области мозга, но только подмножество повторов, по-видимому, расширяется за пределы унаследованного аллеля.
«Мы озадачены тем, почему остановка роста подмножества повторов CAG у мышей с дефицитом Msh3 или Pms1 при БГ может привести к улучшению всех нейронов полосатого тела», — говорит Нань Ван, один из первых авторов исследования.
Ван разработала эксперимент по очистке ДНК ядер только из MSN, наиболее уязвимых нейронов в полосатом теле, и измерению размеров повторов ДНК CAG для мутантного Хантингтина. Она обнаружила, что, как ни странно, размеры повторов для всей популяции MSN увеличиваются с линейной скоростью +8,8 повторов в месяц, причем к 12 месяцам количество повторов значительно превышает 220.
Если в этот анализ включить другие типы нейронов полосатого тела или не-нейрональные клетки, большинство повторов останется на уровне 140. Впечатляет, что при удалении одной копии Msh3 скорость расширения CAG в MSN снизилась до +2,3 повторов/месяц, а при удалении обеих копий Msh3 скорость практически стабильна и составляет 0,35 повторов/месяц.
Важно отметить, что эти результаты также показывают, что для агрегации мутантного гентингтина требуется пороговое значение расширения CAG до 150, а нарушение регуляции экспрессии генов также тесно связано с увеличенной длиной CAG в MSN.
«Эти замечательные результаты демонстрируют, что подгруппа генов репарации несоответствий вызывает заболевание в уязвимых нейронах, поскольку они обеспечивают самую высокую скорость расширения CAG-повторов в этих нейронах», — сказал Ян, — «и наше исследование предоставляет механистические связи, которые помогают связать гены-модификаторы у пациентов, расширение повторов, вызванное генами репарации несоответствий, и избирательную уязвимость нейронов при HD».
Исследование дает важные терапевтические выводы. Во-первых, исследование протестировало 6 генов репарации несоответствий ДНК, и только четыре из них, по-видимому, сильно (Msh3 и Pms1) или умеренно (Msh2 и Mlh1) изменяют патогенез в модели мышей HD. Интересно, что эти гены вместе кодируют незначительный комплекс репарации несоответствий, который сохраняется от дрожжей до человека, но его функция в дрожжах остается неизвестной. Более того, хотя 4 из 6 генов репарации несоответствий связаны с раком у человека, Msh3 и Pms1, как известно, не связаны с раком.
Это исследование также показало, что у старых мышей Msh3 и Pms1 отсутствуют заметные молекулярные или патологические изменения. Таким образом, исследование показывает, что нацеливание на гены, кодирующие этот незначительный комплекс репарации несоответствий, либо путем снижения уровней экспрессии Msh3, Pms1, либо путем образования комплекса, может быть терапевтическим при HD.
Более того, это исследование показывает, что нацеливание на эти гены исправления несоответствий может принести пользу нескольким областям мозга , включая области мозга с ранним началом (полосатое тело) или поздним началом (кора). Таким образом, это подразумевает, что терапия, нацеленная на этот механизм заболевания, может быть полезна как для задержки начала, так и для замедления прогрессирования заболевания.
Кроме того, данное исследование демонстрирует, что модель мышей с БХ и ее совокупность молекулярных, патологических и поведенческих фенотипов могут стать платформой для тестирования новых терапевтических средств, нацеленных на гены-модификаторы БХ, участвующие в расширении повторов CAG или механизмах, улучшающих устойчивость или здоровье уязвимых для БХ нейронов.
Унаследованные динамические мутации повторов ДНК влияют на более чем 30 неврологических расстройств, и некоторые из них также обнаружили гены репарации несоответствий, которые могут влиять на нестабильность повторов или тяжесть заболевания. Механистические выводы и модельная платформа могут помочь обнаружить методы лечения и для этих других расстройств.
Другие авторы исследования: Нань Ван, Шаша Чжан, Питер Лангфельдер, Лалини Раманатан, Фуин Гао, Мэри Пласенсия, Рэймонд Вака, Сяофэн Гу, Линна Дэн, Леонардо Э. Дионисио из Центра нейроповеденческой генетики Института Семела и кафедры психиатрии и биоповеденческих наук Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Ха Ву, Эмили Мациевски и Джейсон Эрнст с кафедры биологической химии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; Стив Хорват с кафедры генетики человека Медицинской школы Дэвида Геффена Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе; а также Бринда К. Прасад, Томас Ф. Фогт, Джеффри С. Ааронсон и Джим Росински из CHDI Management, Inc.