Мутация, связанная с БАС и деменцией, приводит к неправильной экспрессии генов
По данным нового исследования Nature Neuroscience, проведенного учеными из Йельской медицинской школы (YSM), возможно, пришло время переосмыслить некоторые генетические мутации, связанные с двумя разрушительными нейродегенеративными заболеваниями — боковым амиотрофическим склерозом (БАС) и лобно-височной деменцией (ЛВД) .
БАС — тяжёлое неврологическое заболевание, характеризующееся прогрессирующей дегенерацией нервных клеток головного и спинного мозга. В некоторых случаях БАС может сопровождаться лобно-височной деменцией (ЛВД), которая вызывает повреждение височных и лобных долей головного мозга, что приводит к изменениям поведения, личности и речи.
Хотя причина большинства случаев БАС и лобно-височной деменции до сих пор неизвестна, генетические мутации играют важную роль, особенно при наличии семейного анамнеза этих заболеваний. Наиболее распространённая генетическая мутация в европейских и североамериканских популяциях с этими заболеваниями находится в гене C9orf72.
Интересно, что в отличие от большинства генетических мутаций , вызывающих заболевания человека, мутация C9orf72 локализована в так называемом интроне гена. Интроны обычно считаются «молчащими» участками большинства генов нашей ДНК. Хотя и интроны, и их аналоги, известные как экзоны, изначально транскрибируются в РНК, интроны впоследствии удаляются в процессе сплайсинга, оставляя только экзоны для формирования транскриптов зрелой матричной РНК (мРНК), которые несут инструкции по сборке белков.
Следовательно, интроны не должны участвовать в синтезе белков. Однако очевидным исключением является C9orf72.
В первом интроне этого гена мутация приводит к тому, что короткая последовательность ДНК повторяется сотни раз. Согласно общепринятому пониманию интронов, эти повторы при транскрипции в РНК должны удаляться в процессе сплайсинга и не должны приводить к образованию белка. Однако недавние исследования показали, что эти повторы действительно производят токсичные повторяющиеся белки, которые могут накапливаться в головном и спинном мозге, потенциально способствуя нейродегенерации.
«Эти повторяющиеся белки могут нарушать широкий спектр клеточных функций», — объясняет Сучжоу Ян, аспирант Межфакультетской программы нейронауки Йельского университета и ведущий автор исследования. «Но оставалось загадкой, как интронная последовательность, которая обычно вырезается и разрушается, может транслироваться в эти токсичные белки».
Но теперь Ян и Цзюньцзе Го, доктор философии, доцент кафедры нейронауки в YSM и ведущий автор исследования, раскрыли ключевой механизм, помогающий раскрыть эту загадку. Их исследование, опубликованное 11 августа, может расширить терапевтические возможности БАС и лобно-височной деменции, а также пролить свет на другие заболевания, связанные с аналогичными мутациями.
Аберрантный сплайсинг превращает интроны в экзоны
Серьёзной проблемой в понимании биологии мутации C9orf72 стала крайне низкая концентрация мутантных молекул РНК в клетках пациентов — их просто недостаточно для работы. Чтобы преодолеть эту проблему, Ян и Го разработали новый метод выделения и характеристики этих редких молекул РНК.
Это позволило им раскрыть важную часть головоломки, объясняющую, почему повторы не удаляются в процессе сплайсинга: рассматриваемый интрон фактически становится частью экзона.
В норме клеточный аппарат сплайсинга точно удаляет интроны из РНК и собирает обратно соседние экзоны. Но в данном случае наличие повторяющихся последовательностей каким-то образом сбивает механизм сплайсинга с толку , в результате чего часть интрона, включая повторы, сохраняется в зрелой РНК.
«Возможно, одна из причин, по которой нам потребовалось так много времени, чтобы это обнаружить, — это наше статичное представление о геноме и экспрессии генов», — говорит Го. «Но как только мы увидели последовательность РНК, этот аномальный процесс сразу бросился нам в глаза».
Они обнаружили, что некоторые ранее известные факторы сплайсинга играют роль в формировании аномальных паттернов сплайсинга. Более того, в сотрудничестве с коллегами из центра iPSC-Neurocore на кафедре нейронауки Йельского университета они наблюдали, что разные типы клеток, несущие одну и ту же мутацию, например, фибробласты кожи и двигательные нейроны, демонстрируют разные результаты сплайсинга.
Для полного понимания того, как повторяющиеся последовательности вызывают аномальный сплайсинг C9orf72, необходимы дальнейшие исследования.
«Вероятнее всего, существуют дополнительные регуляторы сплайсинга, специфичные для определённых типов клеток, которые определяют неправильные сайты сплайсинга», — объясняет Го. «Если мы сможем идентифицировать эти регуляторы, они могут стать потенциальными целями для манипулирования и обращения вспять этих аномальных событий».
Расширение терапевтических возможностей при БАС и ЛВД
Учитывая, что примерно 10% случаев БАС вызваны мутацией C9orf72, результаты Янга и Го открывают новые возможности для лечения БАС и лобно-височной дегенерации. Ранее работа по разработке терапевтических препаратов была сосредоточена на устранении повторяющихся РНК C9orf72 с целью снижения продукции токсичных белков и замедления нейродегенерации. Однако общим недостатком современных подходов является то, что они не позволяют отличить вредоносную РНК с повторами от нормальной мРНК, кодирующей важный белок.
Новые результаты указывают на новый подход, нацеленный либо на неправильно направленный сплайсинг, либо на образующуюся аберрантную РНК. В качестве доказательства принципа исследователи разработали молекулы, избирательно связывающиеся с аберрантным сплайсинговым соединением – уникальной последовательностью, присутствующей только в РНК, содержащей повторы. Работая с коллегами из клиники Майо, исследователи обнаружили, что эти молекулы эффективно снижают количество вредоносных повторяющихся РНК и их белковых продуктов.
«С терапевтической точки зрения мы считаем, что это широко применимая стратегия выявления уникальных последовательностей, которая позволит нам разрабатывать терапевтические кандидаты для избирательного воздействия на РНК, вызывающую заболевание», — объясняет Го.
Но есть еще один важный вывод из исследования.
«Мы должны быть осторожны, классифицируя мутации исключительно по существующим генным моделям, — говорит Го. — Потому что, как выясняется, интрон не всегда остаётся интроном ».