Удивительный способ, которым генетическая мутация вызывает болезнь Гентингтона, меняет понимание этого заболевания
Ученые из Института Брода Массачусетского технологического института и Гарварда, Гарвардской медицинской школы и больницы Маклина обнаружили удивительный механизм, посредством которого наследственная генетическая мутация, известная как причина болезни Хантингтона, приводит к гибели клеток мозга. Результаты исследования меняют понимание фатального нейродегенеративного расстройства и предлагают потенциальные способы отсрочить или даже предотвратить его.
На протяжении 30 лет исследователи знали, что болезнь Гентингтона вызывается наследственной мутацией в гене Хантингтина (HTT), но они не знали, каким образом эта мутация вызывает гибель клеток мозга .
Исследование, опубликованное в Cell, показывает, что унаследованная мутация сама по себе не вредит клеткам. Скорее, мутация безвредна в течение десятилетий, но медленно трансформируется в высокотоксичную форму, которая затем быстро убивает клетку.
Мутация Хантингтона включает в себя участок ДНК в гене HTT, в котором трехбуквенная последовательность ДНК, «CAG», повторяется не менее 40 раз, в отличие от 15-35 повторов, унаследованных людьми без этого заболевания. Исследователи обнаружили, что тракты ДНК с 40 или более повторами CAG растут до тех пор, пока не станут длиной в сотни повторов.
Этот тип «соматического расширения» происходит только в определенных типах клеток мозга, которые позже умирают при болезни Хантингтона. Только когда расширение ДНК клетки достигает порогового числа CAG — примерно 150 — клетка заболевает и затем умирает. Кумулятивная смерть многих таких клеток приводит к симптомам болезни Хантингтона.
Исследование предлагает потенциальное объяснение того, почему препараты-кандидаты Хантингтона, направленные на снижение экспрессии белка HTT, не прошли клинические испытания: в любой момент времени токсичная версия белка присутствует лишь в очень немногих клетках, поэтому лечение может не оказывать терапевтического эффекта на большинство клеток.
Исследование также предлагает другую терапевтическую стратегию: остановка или замедление экспансии CAG-повторов в гене HTT может отсрочить токсичность в гораздо большем количестве клеток, задерживая или даже предотвращая начало заболевания.
«Эти эксперименты изменили наши представления о развитии болезни Гентингтона», — сказал Стив МакКэрролл, генетик и нейробиолог, один из старших авторов исследования.
Маккэрролл — член института и директор отдела геномной нейробиологии в Центре психиатрических исследований Стэнли при Институте Броуда, профессор кафедры биомедицинских наук и генетики имени Дороти и Милтона Флиер в Гарвардской медицинской школе, а также исследователь Медицинского института Говарда Хьюза.
«Это действительно другой способ понимания того, как мутация приводит к заболеванию, и мы считаем, что он будет применим и к нарушениям, связанным с повторением ДНК, помимо болезни Гентингтона».
«Смысл нашей работы — то, что мы все делаем — заключается в облегчении страданий, вызванных болезнью», — сказала соавтор исследования Сабина Берретта, доцент кафедры психиатрии Гарвардской медицинской школы и больницы Маклина, входящей в систему здравоохранения Массачусетского государственного университета в Бригаме.
Она также является директором Гарвардского центра ресурсов мозговой ткани (HBTRC), центра NIH NeuroBioBank в больнице Маклина. «Это исследование и работа, которую оно информирует, могут иметь большое значение и внести большой вклад в облегчение страданий в краткосрочной перспективе».
Боб Хэндсейкер, научный сотрудник, Сева Кашин, старший ведущий инженер-программист, и бывший научный сотрудник Нора Рид, все из группы Маккэрролла, являются первыми соавторами работы.
Открытые вопросы
Болезнь Гентингтона убивает популяцию клеток, называемых проекционными нейронами полосатого тела, которые расположены в полосатом теле — структуре, глубоко в мозге, отвечающей за движение, многие когнитивные функции и мотивацию.
Когда большое количество этих клеток умирает, у пациентов развиваются непроизвольные движения в руках, ногах и лице, а у многих пациентов также развиваются когнитивные проблемы. Эти симптомы обычно начинаются в среднем возрасте и затем прогрессируют в течение 10–20 лет, переходя в более серьезные когнитивные проблемы и трудности с движением или глотанием.
В 1993 году исследователи обнаружили , что болезнь вызывается расширенным участком CAG в гене HTT. Большинство людей наследуют версии гена с 15–35 последовательными CAG и никогда не заболевают болезнью Хантингтона, но те, кто наследует версию с 40 или более последовательными CAG, почти всегда заболевают в более позднем возрасте.
Чем длиннее участок повторов, тем моложе человек, когда симптомы появляются впервые. Также было показано, что тракт повторяющихся CAG расширяется со временем, что приводит к различной длине в разных тканях.
Но основные биологические вопросы всегда оставались: как мутация HTT токсична? Почему белок HTT, который появляется почти в каждой клетке тела, убивает только некоторые клетки мозга, а другие нет? И почему у пациентов, которые рождаются с мутацией и экспрессируют белок на протяжении всей жизни, симптомы проявляются только в среднем возрасте, после десятилетий кажущегося хорошего здоровья?
Повторное расширение
Чтобы ответить на эти вопросы, исследовательская группа использовала технологию, разработанную в лаборатории Маккэрролла десять лет назад, которая называется капельное секвенирование РНК отдельных клеток ( Drop-seq ). Она позволяет исследователям анализировать экспрессию генов в тысячах отдельных клеток.
Стремясь понять прямые биологические эффекты длины CAG-повторов, исследователи адаптировали секвенирование РНК отдельных клеток, чтобы определить не только экспрессию генов и идентичность отдельных клеток, но и длину участков повторов ДНК внутри каждой клетки.
«Известно, что эти повторы расширяются в нейронах», — сказал Кашин. «Но возможность взять конкретную клетку и измерить как длину CAG, так и транскрипционный профиль — это действительно важная основа, которая позволяет проводить действительно мощный анализ».
Исследователи изучили мозговую ткань, пожертвованную 53 людьми с болезнью Гентингтона и 50 людьми без этого заболевания, собранную и сохраненную HBTRC.
Они проанализировали более 500 000 отдельных клеток и обнаружили, что большинство типов клеток у людей с этим заболеванием имели по сути тот же самый повтор CAG, который они унаследовали. Но стриатные проекционные нейроны — первичные стриатные клетки, которые умирают при заболевании — значительно расширили свои тракты CAG-повторов.
Большинство предыдущих исследований тканей человеческого мозга были сосредоточены на участках CAG-повторов, содержащих менее 100 повторов, но новое исследование показало, что некоторые нейроны имеют до 800 CAG, что подтверждает открытие, сделанное 20 лет назад Пегги Шелбурн из Университета Глазго.
Самое удивительное, что исследовательская группа обнаружила, что расширение повтора ДНК с 40 до 150 CAG не оказало видимого влияния на здоровье нейронов. Но нейроны, повторы которых превышали 150 CAG, показали сильно искаженную экспрессию генов, потеряв экспрессию критических генов и затем погибнув.
Команда Маккэрролла также использовала компьютерное моделирование экспериментальных данных для оценки скорости и времени расширения CAG-повторов в проекционных нейронах полосатого тела.
Они обнаружили, что тракты повторов CAG изначально растут медленно, расширяясь менее одного раза в год в течение первых двух десятилетий жизни. Но когда тракт повторов клетки достигает примерно 80 CAG — обычно через несколько десятилетий — скорость его расширения резко ускоряется, и он расширяется до 150 CAG всего за несколько лет.
Клетка затем умирает всего через несколько месяцев. Это означает, что нейрон проводит более 95% своей жизни с безвредным геном HTT. Более того, поскольку тракты CAG-повторов в разных клетках пересекают этот порог токсичности в разное время, клетки, как группа, исчезают медленно в течение длительного периода, начиная примерно за 20 лет до появления симптомов и быстрее по мере их появления.
«До того, как мы начали эту работу, о болезни Гентингтона было известно многое, но в нашем коллективном понимании были пробелы и несоответствия», — сказал Хэндсейкер. «Мы смогли собрать воедино полную траекторию патологии, которая разворачивается на протяжении десятилетий в отдельных нейронах, и это дает нам потенциально много разных временных точек, в которые мы можем вмешаться терапевтически».
Анализ мозговой ткани, предоставленной пациентами Хантингтона, имел решающее значение для работы. «Мы благодарны семьям, которые решили сделать то, что очень трудно сделать», — сказал Берретта. «Это было бы невозможно без альтруизма многих доноров мозга, которые оставили наследие знаний, которое сохранится и принесет пользу многим другим людям».
Терапевтические возможности
Команда Маккэрролла предполагает, что вместо воздействия на белок HTT, дополнительным или потенциально лучшим терапевтическим подходом может быть замедление или остановка расширения повторов ДНК, что может помочь отсрочить или даже предотвратить заболевание.
Предыдущие генетические исследования болезни Хантингтона, включая исследования Ванессы Уилер и Рикардо Моуру Пинто из Массачусетской больницы общего профиля, указывают на возможные способы замедления этого распространения.
Исследования показали, что клеточные белки, участвующие в поддержании и восстановлении ДНК, иногда подрывают стабильность ДНК-повторяющихся трактов. Например, белок MSH3 обычно помогает клетке контролировать свою ДНК на предмет потенциальных мутаций, но петли в ДНК, образованные дополнительными CAG, могут сбить этот белок с толку, заставив его расширить повтор CAG.
Международная группа генетиков обнаружила , что общие генетические вариации в генах, кодирующих эти белки репарации ДНК, могут ускорить или отсрочить появление симптомов у пациентов с болезнью Хантингтона. По словам МакКэрролла, эти результаты напрямую вдохновили его команду на разработку способов измерения повторов CAG в отдельных клетках.
Он добавляет, что замедление определенных процессов поддержания ДНК с помощью молекулярной терапии может замедлить расширение повторов ДНК, позволяя другим, менее подверженным ошибкам механизмам репарации ДНК разрешать эти петли.
В то же время исследователи работают над тем, чтобы понять, как тракты ДНК-повторов длиной более 150 CAG приводят к нейронным нарушениям и смерти, и почему повторы расширяются больше в некоторых типах нейронов, чем в других. Они также используют похожую комбинацию секвенирования РНК отдельных клеток вместе с профилированием ДНК-повторов, чтобы понять связь между расширением ДНК-повторов и клеточными изменениями при других генетических расстройствах, связанных с повторами ДНК и поздним началом у пациентов.
Более 50 заболеваний человеческого мозга, включая синдром ломкой Х-хромосомы и миотоническую дистрофию, вызваны расширением повторов ДНК в различных генах.
«Потребуется большая научная работа многих людей, чтобы найти методы лечения, которые замедлят расширение повторов ДНК», — сказал МакКэрролл. «Но мы надеемся, что понимание этого как центрального процесса, приводящего к заболеванию, приведет к глубокому фокусу и новым возможностям».