От основ к BAC: более точная модель мыши для болезни Хантингтона
Генетически модифицированная модель мыши с болезнью Хантингтона демонстрирует тенденцию к росту CAG-повторов, как это наблюдается у людей с мутацией.
Калифорнийская исследовательская группа создала новую модель мыши с болезнью Хантингтона, которая гораздо больше похожа на человеческую БГ, чем когда-либо прежде. Как это может помочь нам выяснить, как именно мутация вызывает БГ у людей?
CAG и нестабильность повторов
Болезнь Хантингтона (БГ) возникает, когда три ДНК «буквы» — C, A и G — повторяются снова и снова слишком много раз в гене хантингтина. И, в среднем, чем больше CAG у человека в этом гене, тем раньше у него, как правило, развиваются симптомы БГ.
Возможно, вы не знаете, что у людей с БГ CAG-повтор нестабилен и имеет тенденцию увеличиваться на протяжении всей жизни, особенно в клетках мозга. Мы знаем об этом уже некоторое время, но в последние годы крупные генетические исследования действительно сосредоточили внимание на том, что делает повторы нестабильными.
Это потому, что они обнаружили, что у людей с большей тенденцией к росту CAG-повторов, в среднем, БГ прогрессировала быстрее, даже с учетом количества CAG-повторов, с которых начинались их клетки.
Еще более важно то, что эти генетические исследования показали, что почти все гены, не относящиеся к хантингтину, которые влияют на прогрессирование БГ, вероятно, участвуют в вызывании или предотвращении расширения повторов.
Однако, хотя мы знаем, что расширение повторов важно и что в конечном итоге оно вызывает повреждение нейронов, которое мы видим при болезни Хантингтона, мы до сих пор не уверены во всех промежуточных этапах. Прямо сейчас проводится множество исследований с использованием клеточных и животных моделей болезни Хантингтона, чтобы попытаться ответить на этот вопрос. Эта работа жизненно важна, потому что для разработки новых методов лечения нам необходимо понимать каждый этап заболевания, от расширения повторов до повреждения нейронов.
От основ к BAC
Именно здесь вступает в дело Уильям Янг и его команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе с новой моделью мыши с БГ под названием ‘BAC-CAG’. Ее название происходит от того, как она была сделана; BAC означает «бактериальная искусственная хромосома», что описывает, как им удалось поместить весь человеческий ген хантингтина в геном мыши.
Обычно ученые хотят, чтобы их модель заболевания была максимально стабильной с течением времени, поэтому у предыдущих мышей с БГ, созданных до того, как мы оценили, насколько важно расширение повторов, были последовательности ДНК, которые были сконструированы так, чтобы быть стабильными на протяжении всей жизни мыши. Это было сделано путем прерывания участка CAG в ДНК последовательностями «CAA». Эти CAA не изменяют белок, который производится геном, но они останавливают увеличение повтора. Однако у новой мыши BAC-CAG Янга есть непрерывный CAG-повтор, что делает его ближе к последовательности ДНК, которую мы видим у людей с БГ.
Как выглядят новые мыши?
«Важно отметить, что, как и у людей, у мышей BAC-CAG наблюдалось расширение CAG, которое было наиболее выражено в стриатуме».
Первый шаг с новой моделью мыши с БГ — проверить, развиваются ли у нее какие-либо симптомы, похожие на БГ. Действительно, у мышей BAC-CAG развились проблемы с движением и нарушился сон. У людей часть мозга, поражаемая раньше и наиболее заметно, — это набор клеток мозга, называемых «средними шипиковыми нейронами», в глубокой области, называемой стриатумом. Важно отметить, что у мышей BAC-CAG наблюдалась ранняя потеря этих самых нейронов, а также некоторое воспаление в этой области. И, как и при БГ у человека, мутантный белок хантингтина накапливался в комки, называемые агрегатами, внутри нейронов стриатума мыши BAC-CAG.
Как мы обсуждали выше, CAG-повтор растет на протяжении всей жизни, но скорость варьируется в разных тканях по всему телу. В частях, не затронутых БГ, он относительно стабилен — поэтому количество CAG в анализе крови обычно не меняется, — но в стриатуме он может демонстрировать огромное расширение. Важно отметить, что, как и у людей, у мышей BAC-CAG наблюдалось расширение CAG, которое было наиболее выражено в стриатуме.
Мы знаем, что в стриатуме людей с БГ тщательно контролируемое включение и выключение множества генов нарушается. Предыдущие аналогичные модели мышей показали лишь небольшую часть этого нарушения, но в BAC-CAG команда Янга увидела гораздо большее нарушение и обнаружила, что оно очень похоже на то, что мы видим у людей.
Использование новых мышей для изучения нестабильности CAG
Показав, что мыши BAC-CAG точно имитируют то, что мы видим у людей с БГ, Янг и его коллеги смогли продолжить поиск связи между нестабильностью повторов CAG и заболеванием.
Вы помните, что в предыдущих моделях мышей были прерывания CAA, чтобы сохранить стабильную длину повтора. И CAG, и CAA говорят клетке вставить глутаминовый строительный блок при создании белка хантингтина, поэтому независимо от того, состоит ли повтор только из CAG или имеет несколько прерывающих CAA, белок будет содержать длинную линию глутаминов.
Когда Янг и его коллеги сравнили множество различных моделей мышей, они обнаружили, что на количество нарушений генетического переключения влияет количество чистых, непрерывных CAG в гене хантингтина. Однако это нарушение не было связано с количеством глутаминов в белке. Это означает, что именно количество непрерывных CAG определяет ход БГ. Это перекликается с тем, что мы видим у людей, но все еще не говорит нам, как расширение повторов вызывает заболевание.
У мышей BAC-CAG команда Янга обнаружила, что чем больше расширение повторов в мозге, тем больше нарушались их движения и сон. Хотя мы подозревали это из генетических исследований на людях, это первый случай, когда расширение повторов было напрямую связано с симптомами у мышей с БГ; это действительно усиливает аргумент о том, что расширение играет ключевую роль в вызывании заболевания.
Что это значит для людей?
Так как же расширение CAG-повторов может вызывать БГ? Мы давно думали, что это происходит из-за создания токсичного белка, например, путем агрегации в клетках и их гибели. Но есть несколько других способов, которыми CAG-повтор в ДНК может быть токсичным для стриатума.
Например, есть несколько этапов между геном и белком, который он производит; сначала инструкции в ДНК копируются в родственную молекулу, называемую РНК, а затем она «транслируется» в белок. Янг и его коллеги обнаружили, что из гена хантингтина создаются аномальные молекулы РНК, и другие группы ранее показали, что эти молекулы РНК могут быть токсичными для клеток. Они также обнаружили, что РНК из гена хантингтина накапливается в клетках — то, что, как было показано, вызывает другие дегенеративные заболевания, такие как миотоническая дистрофия.
Чтение ДНК обычно является очень организованным процессом, который начинается в начале гена и продвигается по нему в правильном направлении. Однако, когда есть длинный повторяющийся участок ДНК, как при БГ, иногда механизм теряется, и процесс запускается внутри самого повтора и может идти в любом направлении. Это обратное чтение может создавать множество различных видов странных маленьких белков, некоторые из которых могут быть токсичными. Янг и его коллеги показали, что эти маленькие белки производятся в мозге мышей BAC-CAG, но это началось только на поздней стадии заболевания, спустя долгое время после того, как у них начали развиваться симптомы. Они пришли к выводу, что этот процесс может способствовать поздним стадиям БГ, но вряд ли является ключевым ранним этапом.
Что дальше?
Итак, к чему это нас приводит? Соединили ли мы точки между расширением CAG-повторов и повреждением нейронов? Еще не совсем, но мышь BAC-CAG помогла нам выяснить, какие процессы могут быть вовлечены, а какие менее вероятно ответственны. Эта мышь помогла закрепить расширение CAG как ключевое раннее событие при БГ. Расширение повторов, в свою очередь, приводит к повреждению нейронов, и процессы на этом пути, вероятно, включают комбинацию нарушения генетического переключения, накопления белков внутри нейронов, воспаления и токсичной РНК.
Еще предстоит проделать гораздо больше работы, чтобы выяснить, какие из этих процессов наиболее важны для причинения повреждения нейронам при БГ. И хорошие новости — лекарства уже в пути! Ожидается, что новые методы лечения, направленные на расширение повторов, вступят в клинические испытания в этом году, и работа Янга с новой мышью дает нам основания надеяться, что они будут эффективны в остановке этих вредных процессов до того, как произойдет повреждение нейронов.
