بررسی لکنت‌های ژنتیکی: آنچه ۹۰۰,۰۰۰ ژنوم درباره تکرارهای فزاینده DNA به ما می‌آموزند

دانشمندان از زمان کشف ژن مسئول بیماری هانتینگتون (HD) در سال ۱۹۹۳، به شدت ژنتیک این بیماری را مطالعه کرده‌اند. برخلاف بسیاری از بیماری‌های ژنتیکی دیگر که در آن‌ها تغییر در یک یا چند حرف DNA برای ایجاد بیماری کافی است، HD ناشی از گسترش توالی سه‌حرفی (CAG) است که بارها و بارها در ژن هانتینگتین (HTT) تکرار می‌شود. هنگامی که این «لکنت» ژنتیکی بیش از حد طولانی می‌شود، معمولاً ۴۰ یا بیشتر CAG، بیماری هانتینگتون را آغاز می‌کند. اخیراً، دانشمندان کشف کردند که تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. می‌تواند در طول زندگی در سلول‌های افراد به گسترش خود ادامه دهد. این رشد مداوم لکنت CAG ژن HTT احتمالاً یک گام کلیدی در تعیین زمان شروع بیماری است.

اما HTT تنها ژنی نیست که حاوی یک لکنت ژنتیکی ناپایدار است. تیمی به سرپرستی دکتر پو-رو لو در دانشگاه هاروارد، ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند بیش از ۹۰۰,۰۰۰ نفر را برای بررسی رفتار سایر تکرارهای DNA تجزیه و تحلیل کردند. یافته‌های آن‌ها نشان داد که گسترش تکرارها گسترده است و ممکن است توسط مسیرهای مولکولی مشابه کنترل شوند.

آیا لکنت‌های ژنتیکی رایج هستند؟

اگرچه دانشمندان می‌دانند که تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. در HTT می‌تواند در طول زندگی یک فرد رشد کند و تعداد آن بین نسل‌ها تغییر کند، اما کمتر مشخص است که آیا این امر برای سایر تکرارها نیز رایج است. ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند انسان حاوی صدها هزار توالی کوتاه تکراری DNA است. آیا این تکرارها نیز با افزایش سن یا بین نسل‌ها رشد (یا کوچک) می‌شوند؟ اگر چنین است، آیا می‌توانند با سایر بیماری‌های انسانی مرتبط باشند؟ آیا ممکن است یک فرآیند سلولی زمینه‌ای مشترک وجود داشته باشد که دچار اختلال شده و باعث این لکنت‌های ژنتیکی می‌شود؟ این‌ها سؤالاتی هستند که دکتر لو و همکارانش برای بررسی آن‌ها اقدام کردند.

جستجو برای تکرارها در میان تقریباً یک میلیون ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند

اندازه‌گیری لکنت‌های ژنتیکی در اصل ساده به نظر می‌رسد، اما شناسایی دقیق تکرارها در میان تقریباً یک میلیون نفر از نظر فنی بسیار دشوار است. تصور کنید که بخواهید تعداد دفعات تکرار یک کلمه را در جمله‌ای مانند «the the the the the the» بشمارید. حالا تصور کنید اندازه فونت ۰.۰۰۰۱ باشد (فونت مولکولی!). اگر یک «the» اضافه یا حذف شود، تشخیص اینکه کجا رخ داده یا دقیقاً چند نسخه وجود دارد، به طرز شگفت‌آوری دشوار است.

مطالعه DNA مستلزم آن است که محققان آن را با استفاده از یک سری واکنش‌های شیمیایی، از جمله واکنش‌هایی که شامل آنزیم‌هایی هستند که نسخه‌های زیادی از DNA را می‌سازند، آماده کنند. این فرآیند مشکل دیگری را ایجاد می‌کند: آنزیم‌های کپی‌کننده معمولاً تکرارهای اضافی را اضافه می‌کنند که در نمونه اصلی وجود نداشته‌اند. برای غلبه بر این چالش‌ها، دکتر لو و تیمش روش‌های محاسباتی و آماری پیچیده‌ای را برای شناسایی و فیلتر کردن این تکرارهای «کاذب» توسعه دادند. سپس از نمونه باقی‌مانده برای تخمین طول تکرارها در حدود ۳۵۰,۰۰۰ مکان در ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند استفاده کردند.

تکرارهای CAG در سراسر ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند

این تیم با جستجو برای تکرارهای CAG آغاز کرد. اگرچه بسیاری از انواع دیگر DNA تکراری وجود دارند، اما تکرارهای CAG قبلاً به عنوان عامل چندین بیماری، از جمله HD، شناخته شده‌اند. محققان ۱۸ مکان را شناسایی کردند که در آن‌ها برخی افراد تکرارهای CAG غیرعادی طولانی داشتند که احتمالاً نشان‌دهنده گسترش بود. یکی از رایج‌ترین گسترش‌ها در ژنی به نام TCF4 بود، جایی که یک تکرار گسترش‌یافته در تقریباً ۹٪ از شرکت‌کنندگان مطالعه یافت شد. یافتن یک تکرار طولانی لزوماً به معنای ایجاد بیماری نیست، اما نشان می‌دهد که تکرارهای CAG تمایل به رشد دارند. این تیم همچنین ۱۵ مکان را یافت که در آن‌ها تکرارهای CAG بین نسل‌ها تغییر طول دادند، مشابه HD. این نتایج نشان می‌دهد که لکنت ژنتیکی مشاهده‌شده در HD ممکن است بخشی از یک الگوی ژنتیکی گسترده‌تر باشد.

پس از اثبات اینکه برخی از تکرارهای CAG طولانی‌تر از حد انتظار هستند و می‌توانند بین نسل‌ها طولانی‌تر شوند، سؤال بزرگ بعدی این بود که آیا هیچ‌کدام از آن‌ها در طول عمر یک فرد رشد می‌کنند. این یک سؤال کلیدی است زیرا تصور می‌شود رشد تکرارهای CAG در طول زمان به شروع HD کمک می‌کند. از ۱۵ تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. که آن‌ها بررسی کردند، ۴ مورد این گسترش «وابسته به سن» را نشان دادند. یک یافته به ویژه غیرمنتظره بود: افرادی که تکرارهای CAG گسترش‌یافته در ژنی به نام GLS داشتند، تقریباً ۱۴ برابر بیشتر در معرض خطر ابتلا به بیماری شدید کلیوی بودند. این نشان می‌دهد که گسترش تکرارها ممکن است به بیماری‌های بیشتری کمک کند که ما در حال حاضر از آن‌ها بی‌خبر هستیم، و ما تازه در حال یافتن آن‌ها هستیم زیرا تشخیص تکرارها در DNA دشوار است.

چرا لکنت‌های ژنتیکی رشد می‌کنند؟

یک چاپگر خراب را تصور کنید که با جملات حاوی کلمات تکراری مشکل دارد («can can can can can can»). هر بار که جمله دوباره چاپ می‌شود، «can»های اضافی اضافه می‌شوند – تکرارهای CAG نیز به همین ترتیب عمل می‌کنند. از آنجا که هر CAG دقیقاً شبیه به بعدی و قبلی است، ماشین‌های سلولی گاهی اوقات دچار لغزش می‌شوند، جای خود را گم می‌کنند و نسخه‌های اضافی اضافه می‌کنند که باعث می‌شود لکنت ژنتیکی در طول زمان تغییر طول دهد.

محققان می‌خواستند بفهمند چرا تکرارهای برخی افراد سریع‌تر از دیگران گسترش می‌یابند. آن‌ها بر روی تکرارهای گسترش‌یافته در ژنی به نام TCF4 تمرکز کردند زیرا رایج بودند و در سلول‌های خونی بسیار متفاوت بودند. با جستجو در سراسر ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند، این تیم ۷ تغییر ژنتیکی را یافت که به نظر می‌رسید با گسترش TCF4 مرتبط هستند. نکته هیجان‌انگیز این بود که چهار مورد از این مکان‌ها در ژن‌های ترمیم DNA (MSH3، FAN1، ATAD5 و PMS2) بودند که قبلاً با گسترش تکرار CAG در HTT مرتبط شده بودند. این یافته‌ها شواهد را تقویت می‌کند که ژن‌های ترمیم DNA نقش کلیدی در کنترل گسترش تکرارها ایفا می‌کنند.

یک دست‌انداز برای گسترش تکرار

این تحقیق همچنین نشان داد که یک وقفه کوچک در لکنت ژنتیکی می‌تواند رشد تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. را کند کند. توالی «can can can can can» را تصور کنید. از آنجا که هر کلمه یکسان است، ماشین کپی‌کننده DNA به راحتی جای خود را گم می‌کند. حالا کلمه دیگری را وارد کنید «can can yes can can». این وقفه کوچک مانند یک دست‌انداز عمل می‌کند، الگوی تکراری را می‌شکند و به ماشین DNA کمک می‌کند تا مکان خود را پیگیری کند. به عنوان مثال، در ژن TCF4، ۱۸ تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. با یک وقفه کوچک ۱۳۵ برابر کندتر از ۱۸ تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. بدون وقفه گسترش یافتند.

وقفه‌های توالی مانند این برای HD بسیار مرتبط هستند. اگرچه بسیار نادر است، اما افراد دارای وقفه‌های تکرار CAGتکرار CAG کشش DNA در ابتدای ژن هانتینگتون که حاوی توالی CAG است که بارها تکرار شده است و در افرادی که به هانتینگتون مبتلا می شوند به طور غیر طبیعی طولانی است. به طور قابل توجهی سن شروع بیماری دیرتری نسبت به حد انتظار دارند. و دانشمندان در حال حاضر سخت تلاش می‌کنند تا درمان‌های ژنتیکی مقابله‌کننده با تکرار را توسعه دهند.

این برای HD چه معنایی دارد؟

یکی از نتایج اصلی این تحقیق این است که تکرارهای CAG تمایل طبیعی به رشد دارند و برخی از همان ماشین‌های ترمیم DNA بر این گسترش در ژن‌های مختلف تأثیر می‌گذارند. دخالت ماشین‌های ترمیم DNA در هر دو TCF4 و HTT (همراه با بسیاری از تکرارهای دیگر) به شدت این ایده را تأیید می‌کند که این مسیرها برای گسترش تکرار – و شاید برای شروع بیماری – مرکزی هستند. ما هنوز نمی‌دانیم که آیا گسترش تکرار با افزایش سن باعث HD می‌شود، اما این شواهد فزاینده ارتباطی جذاب را نشان می‌دهد.

یک محدودیت مهم این است که این مطالعه عمدتاً گسترش را در سلول‌های خونی اندازه‌گیری کرده است. رشد تکرار در سلول‌های خونی لزوماً به این معنی نیست که همان تکرارها در مغز نیز رشد می‌کنند، زیرا هر سلول گسترش‌ها را با نرخ‌های متفاوت و به روش‌هایی که به فرآیندهای سلولی پیچیده بستگی دارد، انباشته می‌کند.

با این وجود، این مطالعه بر نیاز به درمان‌های ژنتیکی مقابله‌کننده با تکرار و درمان‌هایی برای اصلاح فعالیت مسیرهای ترمیم DNA تأکید می‌کند. هر دو رویکرد در حال حاضر تحت بررسی هستند، اما تحقیقات بیشتری برای تعیین اینکه آیا آن‌ها در افراد ایمن و مؤثر خواهند بود، مورد نیاز است.

خلاصه

• دانشمندان توالی‌های DNA تکراری را در بیش از ۹۰۰,۰۰۰ نفر مطالعه کردند.
• آن‌ها دریافتند که تکرارهای CAG می‌توانند در طول نسل‌ها و در طول عمر یک فرد گسترش یابند.
• برخی از همان ژن‌های ترمیم DNA بر گسترش تکرار در هر دو TCF4 و ژن HD تأثیر می‌گذارند.
• وقفه‌های کوچک در تکرارهای CAG به طور چشمگیری رشد آن‌ها را کند کرد و از تلاش‌ها برای توسعه درمان‌های مقابله‌کننده با تکرار حمایت می‌کند.
• بیشتر اندازه‌گیری‌ها از خون به دست آمده‌اند، بنابراین تحقیقات بیشتری برای درک چگونگی اعمال این یافته‌ها در مغز مورد نیاز است.