Что свиньи показали, а мыши упустили в исследовании болезни Хантингтона

Болезнь Хантингтона (БХ) начинается с изменения всего в одном гене — хантингтине (HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15.), — но его последствия распространяются внутри клеток, а также по всему мозгу и организму. Одна давняя загадка состоит в том, почему активность тысяч других генов нарушается в мозге при БХ.

Новое исследование на генетически модифицированных свиньях указывает на одно из возможных объяснений. Исследователи из университета Цзинань в Гуанчжоу (Китай) обнаружили масштабные изменения в химических «украшениях», размещённых на ДНК (известных как метилирование ДНК), которые помогают контролировать включение и выключение генов. Они связали часть этих нарушений со снижением уровня TET1 — ключевого белка, помогающего управлять этими украшениями ДНК.

Одна удивительная, но важная особенность этой работы заключается в том, что исследователи наблюдали изменения TET1 у свиней с БХ, но не у мышей с БХ. Таким образом, это исследование также служит напоминанием о том, что иногда, когда речь идёт о понимании болезней человека, более крупные животные модели могут раскрыть биологию, которую мышь раскрыть не способна.

Одна мутация, тысячи последствий

БХ имеет необычно чёткую генетическую отправную точку. Участок ДНК, содержащий буквы CAG, повторяется слишком много раз внутри гена хантингтина. Удлинённый ген производит чрезмерно длинную версию белка хантингтина. К сожалению, всё, что происходит после этого, гораздо сложнее. Удлинённый хантингтин вмешивается в длинный список процессов внутри клеток. Он влияет на то, как обрабатываются белки, как клетки производят энергию, как нейроны общаются между собой, и, что важно для этой истории, какие гены включаются и выключаются.

Учёные уже давно знают, что активность генов при БХ становится хаотичной. Одни гены становятся необычно тихими, другие — необычно громкими. Но это поднимает фундаментальный вопрос: как мутация в одном гене в итоге нарушает работу тысяч других?

Новое исследование Се и коллег, опубликованное в журнале Cell Reports, предполагает, что ответ может заключаться в ещё одном слое информации, записанном поверх нашей ДНК. Добро пожаловать в удивительный мир эпигенетики!

ДНК со стикерами

Представьте ДНК как гигантское руководство по эксплуатации. Каждая клетка вашего тела обладает практически одним и тем же руководством. Клетка мозга, клетка печени и клетка кожи содержат почти идентичные генетические инструкции. Тем не менее функционируют они совершенно по-разному. Это происходит потому, что клетки не читают каждую страницу одинаково. Один из способов, которым клетки контролируют активность генов, — прикрепление крошечных химических украшений к ДНК. Одним из наиболее изученных является метилирование ДНК, при котором к ДНК добавляются химические метки, называемые метильными группами.

Эти метки можно представить как молекулярные стикеры. В зависимости от того, где они размещены, они могут влиять на то, легко или трудно клетке использовать ту или иную генетическую инструкцию.

Новое исследование было сосредоточено в основном на двух из этих химических украшений — 5mC и 5hmC. Клетки могут регулировать баланс между ними, и одним из ключевых белков, помогающих это делать, является TET1. TET1 преобразует 5mC в 5hmC, помогая перестраивать структуру химической информации, расположенной поверх ДНК.

Так что же происходит с этими стикерами при болезни Хантингтона? Согласно этому исследованию, довольно многое.

Мозг свиней с БХ имеет беспорядочные стикеры

Чтобы лучше понять БХ в более крупном мозге, учёные изучили эти химические стикеры у генетически изменённых свиней. Эти свиньи несут удлинённую человеческую последовательность хантингтина, встроенную в ген хантингтина свиньи. Исследователи обнаружили масштабные различия в украшениях ДНК между свиньями с БХ и здоровыми свиньями. В целом уровень 5mC повышался, а уровень 5hmC снижался, особенно в полосатом теле — области, наиболее сильно поражённой БХ.

Когда команда изучила геномГеном — название, обозначающее все гены, которые содержат полные инструкции по созданию человека или другого организма. более детально, они обнаружили тысячи изменённых генов у свиней с БХ. Это были не случайные гены; многие из них участвовали в процессах, важных для нейронов, включая использование энергии, передачу сигналов и коммуникацию. Короче говоря, молекулярные стикеры были переставлены по всей ДНК у свиней с БХ.

Следующий вопрос был: кто перепутал все стикеры?

Знакомьтесь, TET1 — молекулярный редактор стикеров

Несколько белков контролируют украшения ДНК, поэтому учёные измерили количество группы этих белков в мозге свиней с БХ. Один выделился особо: TET1. Уровень TET1 был значительно снижен в мозге свиней с БХ. Что ещё интереснее, уровень TET1 был уже ниже в нескольких областях мозга у очень молодых свиней с БХ, ещё до появления явных симптомов БХ. Снижение было особенно заметным в полосатом теле и усиливалось с возрастом.

Это наблюдаемое время имеет ключевое значение. Если бы TET1 исчезал только после того, как нейроны уже серьёзно пострадали, это можно было бы списать на побочный ущерб, оставшийся после того, как БХ уже сделала своё дело. Но обнаружение этого изменения уже в возрасте двух месяцев позволяет предположить, что TET1 участвует в самом начале болезненного процесса.

Интересно, что когда учёные искусственно повышали уровень TET1 в культивируемых клетках, несущих удлинённый хантингтин, некоторые аномальные изменения экспрессии генов возвращались ближе к норме. Это не доказывает, что восстановление TET1 может напрямую лечить БХ, но даёт важную подсказку о том, что TET1 — не просто сторонний наблюдатель.

Это наблюдение всё же оставляло более крупную загадку: почему TET1 вообще исчезал? Это привело, пожалуй, к самой интересной части истории.

Хантингтин крадёт ключ

Чтобы произвести белок TET1, клетки полагаются на белок под названием TBP, помогающий включить ген TET1. Представьте TBP как сотрудника с ключом, необходимым для открытия главных ворот завода. TBP прибывает к заводу TET1, отпирает ворота и даёт сигнал заводу начать производство TET1.

Учёные обнаружили, что удлинённый хантингтин связывается с TBP необычно прочно, оставляя меньше свободного TBP для включения TET1. Таким образом, удлинённый хантингтин, по сути, может удерживать обладателя ключа (TBP) занятым. Это предполагает цепную реакцию: удлинённый хантингтин связывает TBP, производство TET1 падает, украшения ДНК меняются, а активность многих других генов нарушается. Само по себе это было бы интересным открытием, но затем команда обратилась к мышам — и всё усложнилось.

Мышь в комнате

А затем последовал сюрприз. Когда исследователи изучили мышей с БХ, они ожидали увидеть такое же снижение TET1, какое наблюдалось у свиней. Этого не произошло. Даже у пожилых мышей с БХ не наблюдалось сопоставимого падения уровня TET1. Это могло бы прозвучать как экспериментальное разочарование. Вместо этого оно стало одним из самых интересных наблюдений в этом исследовании.

Исследователи задали простой вопрос: почему результаты у свиней и мышей различаются? Ответ, судя по всему, кроется в ДНК, которая контролирует ген TET1. У свиней и людей эта область содержит множество мест, где может связываться TBP; у мышей таких мест значительно меньше.

Человеческие и свиные «заводы» TET1, по всей видимости, в значительной степени полагаются на ворота, открываемые TBP. Мышиный завод устроен иначе и может использовать другой вход, не требующий TBP. Если мутантный хантингтин похищает TBP, системы TET1 человека и свиньи могут оказаться особенно уязвимыми, тогда как мышиная версия может продолжать функционировать относительно нормально.

Это может объяснить, почему этот молекулярный путь было трудно обнаружить в традиционных мышиных моделях БХ — до настоящего времени.

Иногда свинья показывает больше, чем мышь

Важно отметить, что эта работа иллюстрирует то, о чём учёные иногда забывают, проводя годы, работая с мышами: мозг мыши — это не просто уменьшенная копия мозга человека.

Мыши оказались чрезвычайно ценными для исследований БХ. Они относительно недороги, быстро размножаются и могут быть генетически модифицированы сложными способами. Но эволюция потратила десятки миллионов лет на изменение мелких деталей в их геномах. У свиней более крупный мозг, более похожая на человеческую структура извилин и более длительные периоды развития. Для этого конкретного биологического вопроса ген TET1 у свиней также оказался больше похож на наш.

Таким образом, одно и то же генетическое изменение в хантингтине может оказаться в двух совершенно разных молекулярных «кварталах». Исследователи обнаружили значительно больше изменений в метилировании ДНК и активности генов у свиней с БХ, чем у сопоставимых мышей с БХ. Это демонстрирует, как один и тот же ген болезни может вызывать разные последующие эффекты в зависимости от вида.

Это может быть один из более широких уроков данной работы. Животные модели можно рассматривать как разные карты одной и той же территории. Одни карты отлично подходят для ответа на один вопрос и плохо — на другой. В данном случае свинья может показать дорогу, которая просто не нанесена на мышиную карту.

Почему это важно для БХ

Эта работа предоставляет возможный мост между двумя вещами, которые исследователи уже давно знают о БХ: i) удлинённый хантингтин изменяет активность многих генов, и ii) «украшения» ДНК изменяются при БХ. Цепочка, включающая TBP и TET1, может связывать эти два явления, поднимая интригующие терапевтические вопросы. Могут ли исследователи предотвратить захват TBP мутантным хантингтином, восстановить активность TET1 или исправить изменения в украшениях ДНК, чтобы помочь уязвимым нейронам?

Эти возможности пока остаются умозрительными, поэтому TET1 лучше всего рассматривать как новую зацепку в исследовании, а не как новое лечение, и предстоит проделать ещё много работы, чтобы проверить его терапевтический потенциал. Многие эксперименты в этой статье сравнивали всего трёх свиней с БХ с тремя контрольными животными, не рассматривали различия между самцами и самками и использовали свиней со 150 повторами CAG — что намного больше 40–50 повторов, которые несёт большинство людей со взрослой формой БХ.

В будущих исследованиях предстоит определить, действует ли этот путь в нейронах человека, способствует ли он напрямую заболеванию нейронов и можно ли, воздействуя на него, защитить их. Даже при наличии этих нерешённых вопросов исследование предоставляет интригующее новое объяснение того, как один мутантный белок может вызвать хаос среди тысяч генов. И в данном случае именно свинья помогла учёным это увидеть.

Резюме

• Болезнь Хантингтона начинается с удлинённого CAG-повтора в гене HTTHTT — одна из аббревиатур для гена, вызывающего болезнь Гентингтона. Этот же ген также называют HD и IT-15., но мутантный хантингтин вызывает масштабные изменения в активности многих других генов.
• У свиней с БХ наблюдались значительные изменения в метилировании ДНК — химических метках, помогающих регулировать, какие гены используют клетки. Эти изменения были особенно выражены в полосатом теле.
• Белок под названием TET1, помогающий модифицировать эти метки ДНК, был снижен у свиней с БХ ещё до появления симптомов.
• Исследователи обнаружили, что мутантный хантингтин необычно прочно связывается с TBP — белком, помогающим включать ген TET1. Меньшая доступность TBP означает меньшее производство TET1.
• Удивительно, но такой же эффект не наблюдался у мышей с БХ. Человеческие и свиные гены TET1 содержат много сайтов связывания TBP, тогда как у мышей их значительно меньше.
• Исследование подчёркивает важный урок: разные животные модели могут раскрывать разные аспекты биологии болезни Хантингтона.
• Полученные результаты пока не показывают, что восстановление TET1 или блокирование связывания мутантного хантингтина с TBP может лечить БХ. Эти эксперименты ещё предстоит провести.