Блокирование токсичного фрагмента: новое исследование на мышах подчеркивает важность HTT1a при болезни Гентингтона

Новое исследование, использующее точное редактирование генов на мышиной модели болезни Гентингтона (БГ), предоставляет доказательства того, что небольшой фрагмент белка хантингтина (HTT), называемый HTT1a, является центральным фактором развития БГ. Снижая уровни HTT1a, исследователи замедлили признаки БГ, такие как слипание белков, восстановили активность или неактивность генов и нормализовали биомаркеры у мышей, моделирующих БГ. Выявление наиболее токсичной формы HTT, вызывающей заболевание, может иметь важные последствия для разработки препаратов, снижающих уровень HTT.

Краткое напоминание: CAG-повторы и HTT1a

У каждого человека с БГ есть изменение в генетическом коде гена HTT. Повторяющаяся последовательность ДНК-букв C-A-G расширяется, имея слишком много повторов. Люди с 40 или более CAG-повторами в гене HTT заболеют, если проживут достаточно долго, а более длинные повторы обычно связаны с более ранним началом заболевания.

Расширенный CAG-повтор в гене HTT вызывает соответствующее расширение в кодируемом белке HTT, который создается по этим генетическим инструкциям. Но CAG-повтор не только изменяет последовательность белка. Он также влияет на то, как обрабатывается промежуточное звено между ДНК и белком — матричная РНК.

Копия генетического рецепта

Матричная РНК — это молекула генетического сообщения. Она создается как точная копия кодируемой последовательности ДНК для данного гена, прежде чем будет использована для создания белка, который кодирует эта последовательность. Это немного похоже на создание копии рецепта из книги, чтобы вы могли приготовить блюдо по рецепту, не возвращаясь постоянно к оригинальной книге.

Когда CAG-повтор расширен, может активироваться скрытый сигнал в матричной РНК HTT. Этот сигнал называется «криптическим полиА» и указывает клеточному аппарату слишком рано прекратить производство белка HTT. Это означает, что вместо полноразмерного белка HTT клетка производит лишь небольшой фрагмент, называемый HTT1a.

HTT1a: токсичный фрагмент белка HTT

Фрагмент белка HTT1a содержит расширенную область, кодируемую CAG-повтором, которая выглядит как множество повторяющихся аминокислот глутамина. Этот фрагмент очень склонен к слипанию (процесс, называемый агрегацией) и, как было показано во многих животных и клеточных моделях БГ, является токсичным.

Важно отметить, что чем длиннее CAG-повтор, тем больше фрагмента белка HTT1a производится. Поскольку CAG-повтор может удлиняться в некоторых клетках тела у людей с БГ, процесс, называемый соматическим расширением, HTT1a считается ключевым этапом в прогрессировании заболевания.

Чтобы лучше понять это, исследователи в данном исследовании задались вопросом, может ли увеличение количества производимого HTT1a быть движущей силой, связывающей соматическое расширение с повреждением нервных клеток.

Умная генетическая стратегия: удаление сигналов, вызывающих фрагмент

Чтобы проверить это напрямую, команда использовала мышиную модель БГ, которая имеет почти 200 CAG-повторов в гене HTT. Это значительно большее число повторов, чем обычно наблюдается у людей, но это ускоряет проявление симптомов у мышей, позволяя исследователям быстрее получать ответы на свои эксперименты. Из-за особенностей модельных систем БГ, эти мыши фактически называются HdhQ150.

Используя инструменты CRISPR, которые подобны генетическим ножницам, они удалили часть гена HTT, содержащую сигнал для образования фрагмента HTT1a. Это должно предотвратить образование токсичного фрагмента HTT1a у этих мышей, даже несмотря на то, что число CAG достаточно велико, чтобы вызвать у клеток образование токсичного фрагмента. Этот новый тип мышиной модели БГ был назван HdhQ150ΔI, где Δ (дельта) представляет удаленный генетический домен.

Они также использовали мышей с числом CAG-повторов, которые не вызывают БГ, чтобы представить общую популяцию без БГ. У этих мышей они также вырезали сигнал, производящий HTT1a, чтобы иметь контроль над возможными эффектами генетического редактирования, не связанными с числом CAG. Это означало, что они будут знать, были ли наблюдаемые результаты вызваны самим редактированием CRISPR или действительно тем, что HTT1a не производился.

Что произошло с уровнями HTT1a у этих мышей?

Как и ожидалось, уровни HTT1a снизились у мышей HdhQ150ΔI. Молекула РНК-сообщения HTT1a полностью отсутствовала у этих мышей, а уровни белка были снижены, но все еще обнаруживались.

Но почему все еще обнаруживался некоторый HTT1a? Исследователи предполагают, что это удаление могло привести к тому, что генетический аппарат «считывал» ген по-другому, таким образом, что все еще производился белок HTT1a, но в очень малых количествах.

Важно отметить, что уровни полноразмерного HTT, как нерасширенного (обычного), так и расширенного (форма БГ), остались неизменными. Это важно для последующих экспериментов, чтобы команда могла выяснить, какие эффекты были вызваны именно снижением HTT1a, а не общими уровнями HTT.

Значительная задержка агрегации

Поразительным результатом этого исследования стало то, что токсичные сгустки HTT, или агрегаты, были обнаружены в мозге мышей HdhQ150ΔI значительно позже по сравнению с мышами HdhQ150.

У стандартных мышей HdhQ150, моделирующих БГ, агрегаты были замечены в различных областях мозга в возрасте 6 месяцев и продолжали увеличиваться по мере старения мышей. Вы можете подумать: «Ого! 6 месяцев — это очень рано!» И вы будете правы. Быстрый временной график проявления признаков БГ у этих мышей вызван очень высоким числом CAG-повторов и является преднамеренным, чтобы результаты могли быть получены быстрее.

Однако у мышей HdhQ150ΔI, которые не производили токсичный фрагмент HTT1a, эти сгустки задерживались на несколько месяцев, а в некоторых частях мозга не проявлялись до гораздо более позднего возраста мышей. Эти сгустки все еще содержали HTT1a, что подтверждает идею о том, что этот фрагмент HTT важен для запуска образования этих сгустков.

Влияние на экспрессию генов

Затем исследователи изучили, какие гены были активированы и деактивированы в этих различных мышиных моделях. Это хорошо задокументированное изменение, которое происходит на ранних стадиях в различных моделях БГ, со специфической сигнатурой изменений генных переключателей.

У мышей HdhQ150 с БГ исследователи обнаружили, что более 1200 генных переключателей были изменены к 6-месячному возрасту в стриатуме, глубокой области мозга, наиболее пораженной при БГ. К 12 месяцам это число достигло более 2800 генов.

У мышей с меньшим количеством HTT1a некоторые из этих генных переключателей были восстановлены, с улучшением на 25% к 6 месяцам и на 40% к 12 месяцам. Когда они исследовали другую часть мозга, называемую гиппокампом, они также увидели частичные улучшения там.

Интересно, что даже низкие остаточные уровни HTT1a у мышей HdhQ150ΔI были достаточны для начала исправления этого характерного признака БГ.

Биомаркеры: поразительный эффект

Возможно, самый захватывающий результат этого исследования был получен из уровней биомаркеров, которые исследователи изучали в плазме и спинномозговой жидкости, омывающей мозг, также называемой ЦСЖ. Команда измерила NfL, общий биомаркер здоровья мозга, а также BRP39, мышиный эквивалент человеческого биомаркера YKL-40, который коррелирует с воспалением.

У мышей HdhQ150 с БГ оба биомаркера были повышены в ЦСЖ к 12 месяцам, что указывает на то, что нервная система этих мышей была больна. Однако у мышей HdhQ150ΔI уровни NfL и BRP39 оставались на уровнях обычных мышей без БГ в 12 и 17 месяцев в ЦСЖ, а также были снижены в плазме.

Интересно, что это возвращение к нормальным уровням биомаркеров ЦСЖ произошло даже несмотря на то, что изменения в сигнатуре генных переключателей были восстановлены лишь частично. Поскольку NfL и YKL-40 могут использоваться в клинических испытаниях на людях для оценки здоровья мозга, это открытие предполагает, что снижение HTT1a может существенно изменить биологию БГ.

Соединяя точки от соматического расширения → HTT1a → агрегация

Соматическое расширение CAG-повторов теперь рассматривается многими исследователями БГ как движущая сила заболевания. По мере расширения CAG-повторов в нейронах, наиболее пораженных при БГ, уровни HTT1a будут расти. Ученые в этом исследовании предлагают модель, в которой:

1. Соматическое расширение увеличивает CAG-повтор и производство HTT1a.
2. Увеличение HTT1a приводит к большему количеству токсичных сгустков в этих клетках.
3. Сгустки вызывают больше изменений в генных переключателях.
4. Это затем приводит к заболеванию клеток, что вызывает изменения в уровнях биомаркеров.

Они предполагают, что этот процесс можно замедлить или остановить, снижая уровни HTT1a, чтобы прервать его.

Что это означает для терапии?

Несколько подходов к снижению HTT находятся в разработке или клинических испытаниях. Многие снижают только полноразмерную форму HTT. К ним относятся антисмысловой олигонуклеотид (ASO) томинерсен от Roche и низкомолекулярные модуляторы сплайсинга, такие как вотоплам и SKY-0515 от Novartis и SkyHawk соответственно.

Другие нацелены на экзон 1, поэтому могут снижать уровни как полноразмерного HTT, так и HTT1a, включая генную терапию AMT-130 от uniQure и siRNA ALN-HTT02 от Alnylam Pharmaceuticals.

Это исследование предполагает, что снижение только полноразмерной формы HTT может быть не столь полезным, и снижение HTT1a также может быть важным. Поскольку обычный белок HTT выполняет важные функции в клетках, стратегии, специфически нацеленные на HTT1a, могут быть более безопасным и эффективным подходом.

Важные оговорки

При всем сказанном, есть некоторые важные ограничения, которые следует отметить в этом исследовании. Все эти данные получены от мышей, моделирующих БГ и имеющих очень длинный CAG-повтор (~195). Мыши — отличная модель для ученых, чтобы исследовать подобные идеи, но они живут далеко не так долго, как люди, и большинство людей с БГ имеют в среднем ~42 CAG-повтора, что намного меньше, чем в этой модельной системе.

Тем не менее, данные этого исследования, безусловно, станут источником новых идей для других команд. Следите за новостями HDBuzz, чтобы узнать о дальнейших исследованиях в этой области.

Резюме

• Исследователи создали мышиную модель БГ, которая производила меньше фрагмента HTT1a, считающегося токсичным при БГ.
• Снижая уровни сообщения HTT1a, исследователи наблюдали задержки в образовании токсичных белковых сгустков, образуемых HTT1a.
• Активность или неактивность генов у этих специальных мышей с дефицитом HTT1a более точно имитировали мышей без гена БГ, и многие ключевые биомаркеры вернулись к уровням, близким к норме.
• Эти данные свидетельствуют о том, что HTT1a является не просто побочным продуктом расширения БГ, а движущей силой биологии БГ.