MSH3 раскрывает секреты своего кармана: новые данные о расширении CAG-повторов

При БХ белки репарации ДНК, такие как MSH3, иногда могут случайно удлинять CAG-повторCAG-повтор — участок ДНК в начале гена БГ, который содержит последовательность CAG, повторяющуюся много раз, и является аномально длинным у людей, у которых развивается БГ. с течением времени. Учёные из Великобритании показали, что воздействие на крошечный ДНК-связывающий карман MSH3 замедляет этот процесс, открывая новое направление для разработки терапии.

Болезнь Хантингтона (БХ) вызвана участком повторяющихся букв ДНК — C-A-G — в гене хантингтина. Мы давно знаем, что эти повторы вредны, но в последние годы выяснилось, что они также нестабильны и могут продолжать удлиняться со временем. Этот процесс, известный как соматическая нестабильность, всё чаще рассматривается как потенциальный двигатель БХ. Растущее число данных указывает на то, что по мере расширения CAG-повторов в некоторых уязвимых нейронах они в конечном итоге достигают токсичной длины, способствуя повреждению клеток мозга и ухудшению симптомов.

Одним из крупных прорывов в понимании соматической нестабильности стало открытие того, что белки, отвечающие за восстановление повреждённой ДНК, также могут быть ключевыми факторами этого процесса. Вместо того чтобы защищать геномГеном — название, обозначающее все гены, которые содержат полные инструкции по созданию человека или другого организма., они иногда способствуют расширению CAG-повторов. Воздействуя на ДНК-связывающий «карман» одного из таких белков, MSH3, команда британских учёных под руководством Сары Табризи показала, что может замедлить расширение CAG-повторов. Вместе эти эксперименты проливают свет на то, как MSH3 способствует расширению CAG-повторов, и предполагают возможность вмешательства в этот процесс при сохранении большей части нормальных функций MSH3 по репарации ДНК.

Почему CAG-повторы продолжают расти?

Как, возможно, заметили читатели HDBuzz, соматическая нестабильность стала одной из крупнейших областей исследований БХ, но наше понимание этого процесса всё ещё развивается. Крупные генетические исследования на людях показали, что мельчайшие вариации в генах репарации ДНК могут оказывать удивительно сильное влияние на возраст начала симптомов БХ. Другие подсказки получены из молекулярной и структурной биологии, исследований на животных моделях и экспериментов на клетках, где учёные могут удалять гены или слегка изменять белки и наблюдать, что происходит с расширением CAG-повторов.

Многие из этих исследований указывают на одну и ту же группу белков — клеточный механизм репарации ДНК. Их задача — патрулировать нашу ДНК, выявляя повреждения и исправляя ошибки до того, как они вызовут проблемы. Некоторые из этих белков могут объединяться в группы, известные как белковые комплексы, образуя молекулярные машины репарации ДНК. Однако при БХ они, по-видимому, оказываются в тупике из-за расширенного CAG-повтора, который может образовывать неожиданную выступающую петлю. Вместо того чтобы устранить проблему, их попытки исправления на самом деле делают повтор длиннее.

Мы всё ещё точно не знаем, почему это происходит. Одни учёные пытаются понять лежащую в основе биологию, другие сосредоточены на поиске способов прервать этот процесс, часто путём снижения уровня или блокирования ключевых участников этой неисправной команды репарации.

Где MSH3 встречается с ДНК

Одним из белков, которые оказались ключевыми игроками, является MSH3. Он входит в состав важного комплекса репарации ДНК и хорошо распознаёт необычные петли или выпуклости в ДНК. При БХ эта функция, по-видимому, даёт обратный эффект, способствуя добавлению лишних CAG.

Мы уже знаем, что снижение уровня MSH3 в клетках и животных моделях БХ может замедлить расширение CAG-повторов. Фактически, несколько компаний разрабатывают терапии, нацеленные на уровень MSH3, как способ замедления соматической нестабильности, в то время как другие нацелены на «моторную» активность молекулярной машины MSH3. Но ещё один подход заключается в том, чтобы лучше понять, как именно MSH3 взаимодействует с ДНК, и можно ли прервать это взаимодействие, не устраняя белок полностью.

Исследования выявили небольшой ДНК-связывающий карман на MSH3, где бороздка на поверхности белка контактирует с неправильными петлями ДНК, подобными тем, что образуются при наличии слишком большого числа CAG-повторов. В этом исследовании учёные внесли небольшие изменения в поверхность кармана, чтобы изучить, как воздействие на связывание ДНК может повлиять на расширение CAG-повторов. Если расширение снижается, возможно, удастся разработать препараты, блокирующие этот карман и не позволяющие MSH3 захватывать ДНК в неправильном месте.

Проверка кармана на практике

Чтобы проверить, действительно ли этот ДНК-связывающий карман имеет значение, учёные создали специализированную клеточную модель. Эти клетки содержали фрагмент хантингтина с очень длинным участком CAG-повторов (118), который предсказуемо удлинялся со временем. Они также позволили исследователям контролировать уровень MSH3 и вносить небольшие изменения в сам белок.

Белки состоят из двадцати различных химических строительных блоков, называемых аминокислотами. Две из них, тирозин (Y) и лизин (K), расположены рядом друг с другом в ДНК-связывающем кармане MSH3 и помогают ему распознавать неправильные петли ДНК. С помощью генной инженерии исследователи заменили эти аминокислоты на другие, чтобы выяснить, что происходит, когда MSH3 больше не может захватывать ДНК так же, как раньше.

Результаты оказались впечатляющими. Изменение всего этих двух аминокислот почти полностью остановило расширение CAG-повторов. Исследователи также показали, что это произошло не потому, что MSH3 полностью перестал работать. Белок по-прежнему синтезировался нормально и мог взаимодействовать с другими белками в комплексе репарации ДНК. Вместо этого изменения не позволяли MSH3 связываться с аномальными петлями ДНК, образованными расширенными CAG-повторами.

Можно ли воздействовать на карман лекарством?

Доказать, что связывающий карман имеет значение, — это только первый шаг. Следующий вопрос — можно ли воздействовать на него с помощью лекарства. Затем исследователи обратились к небольшой молекуле под названием CP1. Ранее было показано, что это соединение плотно прилегает к карману MSH3 и нарушает его способность связываться с ДНК. CP1 не является препаратом, предназначенным для лечения заболевания — создание, отбор и тестирование молекул, отвечающих этому критерию, занимает долгий путь! Вместо этого его можно рассматривать как инструментальное соединение, которое учёные используют для изучения MSH3.

Чтобы проверить CP1, исследователи устроили экспериментальную ловушку. Они создали короткий фрагмент ДНК, содержащий тип CAG-петли, которую обычно распознаёт MSH3, и использовали его в качестве молекулярной «приманки». Как и ожидалось, MSH3 зацепился за приманку, но после обработки CP1 белка было поймано значительно меньше.

Это была не просто биохимическая уловка. CP1 также снижал взаимодействие между MSH3 и ДНК-петлями, содержащими CAG, в живых клетках, включая нейроны, полученные из стволовых клеток человека с БХ. Самое важное — соединение CP1 замедляло соматическую нестабильность во всех этих экспериментальных системах.

Более точное воздействие на MSH3

Мы уже давно знаем, что MSH3 является привлекательной мишенью для замедления соматической нестабильности, и несколько компаний уже разрабатывают терапии, направленные на снижение уровня MSH3. Однако, поскольку MSH3 в норме помогает восстанавливать повреждённую ДНК, существуют понятные опасения по поводу полного отключения белка, который помогает защищать наш геномГеном — название, обозначающее все гены, которые содержат полные инструкции по созданию человека или другого организма.. В этой работе была исследована другая идея: вместо того чтобы устранять MSH3, можно ли просто помешать ему взаимодействовать с аномальными структурами ДНК, которые способствуют расширению CAG-повторов?

Ответ, по-видимому, положительный. Воздействуя на небольшой ДНК-связывающий карман, исследователи смогли замедлить соматическую нестабильность, сохранив при этом нормальную функцию MSH3, и продемонстрировали это в нескольких системах.

Что важно запомнить

Есть несколько важных оговорок. Это всё ещё очень ранняя стадия исследований. Учёные изобретательно адаптировали существующие модели и инструменты, включая клетки с быстро расширяющимися CAG-повторами, регулируемые уровни MSH3 и петлевидную ДНК-«приманку», чтобы задать важные вопросы о соматической нестабильности. Это шаг к более глубокому пониманию, но потребуется ещё много работы, чтобы определить, применимы ли эти выводы в сложной среде мозга и, в конечном итоге, у людей с БХ.

Небольшая молекула, использованная в исследовании, также имеет свои ограничения. Хотя CP1 удобно встраивается в карман MSH3, это исследовательский инструмент, а не кандидат в лекарственные препараты, и его использование в более высоких дозах оказалось несколько токсичным для клеток. Хотя он явно нарушал взаимодействие между MSH3 и ДНК, содержащей CAG, он также, по-видимому, немного снижает уровень MSH3, что затрудняет полное разделение этих двух эффектов. Для продвижения к клинике, вероятно, потребуются более избирательные соединения.

Несмотря на эти ограничения, данное исследование представляет собой важный шаг вперёд. Оно предоставляет доказательства того, что нарушение работы определённого ДНК-связывающего кармана в MSH3 может быть достаточным для замедления расширения CAG-повторов. Эта работа определяет ДНК-связывающий карман MSH3 как привлекательную новую терапевтическую мишень — и открывает дверь к перспективному новому направлению для замедления соматической нестабильности при БХ.

Резюме

• MSH3 — это белок репарации ДНК, который может случайно удлинять CAG-повторы со временем, потенциально способствуя развитию болезни Хантингтона.
• Учёные обнаружили крошечный карман на MSH3, который помогает ему захватывать необычные структуры ДНК, образованные расширенными CAG-повторами.
• Изменение этого кармана или его блокирование с помощью исследовательского соединения замедлило расширение CAG-повторов в клетках.
• Это может предложить новый способ замедления расширения CAG-повторов без полного удаления MSH3, хотя для превращения этого подхода в лечение требуется больше исследований.