حذف ژن برای پیروزی: چگونه گسترش CAG باعث پیشرفت بیماری می‌شود

بیماری هانتینگتون (HD) ناشی از تکرارهای اضافی حروف DNA به نام CAG در کد ژنتیکی ژن هانتینگتین است. ما قبلاً فکر می‌کردیم که این طول‌های CAG در بیشتر بافت‌ها پایدار هستند، اما اکنون درک فزاینده‌ای داریم که ناپایداری CAG در HD نقش دارد. ناپایداری سوماتیک مفهومی است که تکرارهای CAG با گذشت زمان در برخی از انواع سلول‌ها، به ویژه سلول‌هایی که در HD آسیب‌پذیر هستند، گسترش می‌یابند. بسیاری از دانشمندان فکر می‌کنند که این فرآیند ممکن است در تسریع پیشرفت علائم نقش داشته باشد.

یک مقاله فعلی به بررسی برخی از مکانیسم‌های پشت این پدیده می‌پردازد و می‌پرسد که چگونه گسترش CAG با بیماری مرتبط است و چگونه علم می‌تواند از ژن‌های ترمیم DNA به عنوان درمانی برای HD استفاده کند.

از انسان‌ها به حیوانات… و بازگشت به انسان‌ها

درک فعلی ما از پدیده گسترش تکرار CAG ناشی از مطالعات انسانی گسترده‌ای است که در آن شرکت‌کنندگان مبتلا به HD نمونه‌ها و داده‌های بالینی خود را اهدا کردند. مشارکت آن‌ها دانشمندان را قادر ساخت تا تفاوت‌های ظریف در ژنتیک افراد را با سنی که علائم HD در آن‌ها ظاهر شد، مرتبط کنند. این مطالعات که به عنوان مطالعات ارتباط گسترده ژنومی یا GWAS (تلفظ می‌شود ‘gee-wass’) شناخته می‌شوند، نشان دادند که تغییرات خاص DNA می‌تواند شروع HD را به شدت تسریع یا به تاخیر بیندازد.

بسیاری از ژن‌های شناسایی شده در این مطالعات که نیاز به تحقیقات بیشتر داشتند، به خانواده‌ای از ژن‌ها تعلق دارند که به ترمیم DNA کمک می‌کنند. چند سال گذشته شاهد هجوم فعالیت‌هایی بوده‌ایم که ما را به نتایج جدیدی در مورد HD و گسترش CAGها می‌رساند. در اینجا یک خلاصه مختصر قبل از اینکه به بررسی برخی از داده‌های جدید در مورد این موضوع بپردازیم، آورده شده است:

• دستگاه ترمیم DNA می‌تواند هنگام تلاش برای «اصلاح» تکرارهای CAG فوق‌العاده طولانی دچار لغزش شود – به طور تصادفی آن‌ها را طولانی‌تر و طولانی‌تر می‌کند!

• این اتفاق در اکثریت قریب به اتفاق سلول‌ها نمی‌افتد، اما به نظر می‌رسد در بخشی از مغز به نام استریاتوم، که خلق و خو، حرکت و انگیزه را کنترل می‌کند، بسیار رخ می‌دهد. مطالعه گسترش CAG در استریاتوم می‌تواند ما را به درک این موضوع نزدیک‌تر کند که چرا این سلول‌ها در HD بسیار آسیب‌پذیر هستند.

• برخی از مطالعات نشان داده‌اند که یک آستانه حدود 150 تکرار CAG وجود دارد که در آن آسیب به سلول شروع به تسریع می‌کند.

• «حذف» آزمایشی یا حذف ژنتیکی ژن‌های ترمیم DNA که شناخته شده است در CAGها اشتباه می‌کنند، می‌تواند گسترش تکرار CAG را در مدل‌های آزمایشگاهی HD کند یا حتی متوقف کند.

• برخی از این ژن‌ها، مانند Msh3، اهداف درمان‌های HD انسانی در حال توسعه هستند – اما ما هنوز باید درک بیشتری در مورد چگونگی تأثیر آن‌ها بر زیست‌شناسی HD و پیامدهای (مثبت و منفی) حذف آن‌ها داشته باشیم.

راه‌اندازی آزمایش

نویسندگان یک مقاله اخیر، به رهبری X. William Yang در دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA)، یک رویکرد مستقیم و کامل برای بررسی ارتباط بین ژن‌های ترمیم DNA، گسترش CAG، سلامت سلول‌های مغزی و حتی رفتار اتخاذ کردند.

آن‌ها مجموعه‌ای از نه ژن را انتخاب کردند که در مطالعات GWAS انسانی شناسایی شده بودند و بخشی از دستگاهی را تشکیل می‌دهند که نوع خاصی از ترمیم DNA را انجام می‌دهد، نوعی که باعث «اشتباه» طولانی شدن CAG می‌شود. سپس آن‌ها از ژنتیک تخصصی موش و طرح‌های تولید مثل برای ایجاد موش‌های HD که یک یا هر دو نسخه از این ژن‌های ترمیم DNA را از دست داده‌اند، استفاده کردند.

در هر یک از این موش‌های HD، که ژن‌هایی مانند Msh3، Pms1، Mlh1 و سایر ژن‌ها را از دست داده‌اند، آن‌ها می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد چگونگی دستکاری ترمیم DNA بر گسترش CAG، تولید پیام RNA (تخصص آزمایشگاه)، تجمع هانتینگتین سمی و سایر ویژگی‌های HD بیاموزند. آن‌ها شگفت‌زده شدند که متوجه شدند برخی از حذف‌ها پیامدهای مثبت عمیقی دارند، در حالی که برخی دیگر هیچ تاثیری ندارند. آنچه آن‌ها آموختند برای درک ما از زیست‌شناسی HD و توسعه درمان‌ها ارزشمند است.

معکوس کردن تغییرات RNA

DNA ما توسط دستگاه تخصصی خوانده یا «رونویسی» می‌شود تا پیام‌های RNA تولید کند، که در نهایت برای ساخت پروتئین‌ها، بلوک‌های سازنده حیات، استفاده می‌شوند. یک شاخه کامل از علم وجود دارد که به بررسی مکان و مقدار پیام RNA ساخته شده از ژن‌های مختلف می‌پردازد – این حوزه ترانسکریپتومیکس است.

دانشمندان می‌توانند یک «ترانسکریپتوم» موش سالم را با نگاه کردن به هزاران ژن و پرسیدن اینکه کدام ژن‌ها به طور معمول در سلول‌های مختلف روشن و خاموش می‌شوند و چه مقدار از هر پیام RNA وجود دارد، تعریف کنند. سپس آن‌ها می‌توانند ببینند که چگونه این در یک موش HD با گذشت زمان تغییر می‌کند، یا آزمایش کنند تا ببینند چه چیزی ممکن است به بازگرداندن سطح RNA موش به حالت عادی کمک کند.

آزمایشگاه Yang با یک نوع موش کار می‌کرد که HD را مدل‌سازی می‌کند و تغییرات عمده‌ای را در ترانسکریپتوم خود در مقایسه با موش‌های معمولی نشان می‌دهد. بسیاری از ژن‌ها RNA بیشتر یا کمتری از آنچه که قرار است تولید می‌کنند، به ویژه در نورون‌های خاردار متوسط، سلول‌هایی که در HD آسیب‌پذیرتر هستند. هنگامی که آزمایشگاه Yang نیمی از Msh3 و Pms1 را در مدل موش HD خود «حذف کرد»، آن‌ها شاهد معکوس شدن جزئی تغییرات RNA در نورون‌های خاردار متوسط بودند. با از بین رفتن کامل Msh3 یا Pms1، تغییرات RNA تقریباً به طور کامل معکوس شد و اغلب تا یک سال (نیمی از عمر یک موش آزمایشگاهی!) دوام داشت. حذف چند ژن دیگر – Msh2 و Mlh1 – نیز اثرات معکوس‌کننده داشت، اما این اثرات متوسط‌تر بودند. برخی از حذف‌های ژنی هیچ تاثیری نداشتند.

اعضای آزمایشگاه Yang متخصصان جهانی در مطالعه ترانسکریپتومیکس HD هستند و از تکنیک‌های آزمایشگاهی پیشرفته و همچنین رویکردهای آماری مختلف برای تأیید نتایج خود استفاده کردند. آن‌ها سطوح RNA را در بسیاری از سلول‌ها، تا سطح سلول‌های منفرد، بررسی کردند و همچنین بررسی کردند که DNA چقدر محکم در اطراف «قرقره» خود، معروف به کروماتین، پیچیده شده است. در همه موارد، به نظر می‌رسید که حذف Msh3 و Pms1 تغییرات مرتبط با HD را معکوس می‌کند.

آرام کردن CAGها و توده‌ها

به موازات آن، آزمایشگاه Yang میزان ناپایداری سوماتیک – طولانی شدن تکرارهای CAG – را در قسمت‌های مختلف مغز و بدن اندازه‌گیری کرد. در این نوع موش HD، تکرارهای CAG با گذشت زمان طولانی‌تر می‌شوند، به ویژه در سلول‌های استریاتوم. در واقع، این گروه از آمار برای تعریف سرعت گسترش CAGها در این سلول‌های مغزی آسیب‌پذیر موش استفاده کردند: حدود 8.8 تکرار CAG در ماه است. (این نرخ‌های گسترش برای انسان‌ها اعمال نمی‌شود – این موش‌ها با 140 تکرار شروع می‌کنند و برای آزمایش طراحی شده‌اند.)

یافته هیجان‌انگیز این است که وقتی موش‌ها Msh3 یا Pms1 کمتر یا اصلاً نداشتند، این نرخ به شدت کاهش یافت. در واقع، حذف هر دو نسخه Msh3 این نرخ را تا 0.3 تکرار CAG اضافی در ماه کاهش داد، تا 20 ماهگی – این اساساً یک طول تکرار پایدار است، در یک موش پیر!

در همان زمان، Yang و همکارانش مشاهده کردند که موش‌های HD با نصف یا بدون Msh3 یا Pms1 نیز توده‌های بسیار کمتری از پروتئین هانتینگتین در استریاتوم دارند. تجمع این توده‌ها یک ویژگی کلاسیک HD است که بسیاری از دانشمندان مشکوک هستند که می‌تواند برای سلول‌های مغزی سمی باشد. حذف Msh3 از تشکیل توده‌های هانتینگتین در سایر مناطق مغز نیز جلوگیری کرد. به نظر می‌رسید میزان هانتینگتین توده‌شده با میزان تغییرات غیرطبیعی RNA که قبلاً دیده بودند مطابقت دارد.

علاوه بر این، آن‌ها توانستند نتایج آزمایشگاه‌های دیگر را تأیید کنند که نشان می‌دهد به نظر می‌رسد آستانه‌ای از تکرارهای CAG – حدود 150 – وجود دارد که بالاتر از آن سلول شروع به تجربه استرس بیشتری می‌کند. آن‌ها این آستانه را به سطوح بالاتر تغییرات RNA مرتبط کردند: گسترش CAG این استرس را تسریع و بدتر می‌کند.

جلوگیری از تغییرات مغزی و رفتاری

ما عاشق ریاضیات و نمودارهای رنگین کمانی چند پانلی هستیم، اما دیدن ارتباط بین ژنتیک و سلامت رفتاری حتی جالب‌تر است. یکی از راه‌هایی که این کار نشان‌دهنده یک گام رو به جلو است این است که نویسندگان نشان می‌دهند چگونه حذف ژن‌هایی که از گسترش CAG جلوگیری می‌کنند، می‌تواند بر سلول‌های مغزی و حرکت موش نیز تأثیر بگذارد.

این نوع موش HD تمایل دارد تغییراتی را در اتصالات بین نورون‌ها، معروف به سیناپس‌ها، و همچنین بزرگ شدن سلول‌های پشتیبان به نام آستروسیت‌ها نشان دهد. این موش‌ها همچنین در راه رفتن و حرکت خود مشکل دارند. با این حال، هنگامی که محققان Msh3 را حذف کردند، دیگر هیچ یک از این تغییرات مرتبط با HD را در موش‌ها مشاهده نکردند. این حتی شواهد بیشتری برای نقش Msh3 در HD است و نشان می‌دهد که یک هدف دارویی خوب است.

توجه داشته باشید که این تمرکز اصلی مقاله نبود – آن‌ها فقط به چند ویژگی از سلامت مغز و یک کار رفتاری نگاه کردند – اما هنوز یک پیوند امیدوارکننده است.

گام‌های کوچک قدرت درمان‌های آینده را تامین می‌کنند

احتمالاً متوجه شده‌اید که HDBuzz مدتی است که در مورد ناپایداری سوماتیک (با صدای بلند و مکرر) صحبت می‌کند و ما پیام‌های مشابه زیادی ارائه کرده‌ایم: به نظر می‌رسد گسترش تکرار CAG در HD نقش دارد و دانشمندان راه‌هایی برای مبارزه با آن شناسایی کرده‌اند. این کار نیز از این قاعده مستثنی نیست. بار دیگر، ژن‌هایی مانند Msh3 و Pms1 مقصرانی هستند که می‌توانند برای سود زیادی در مغز یک نوع موش HD «حذف» شوند.

همه این پیشرفت‌های فردی ممکن است کوچک به نظر برسند، اما انتشاراتی مانند این نشان‌دهنده سال‌ها کار مشترک در میان یک تیم بزرگ است که با ورودی‌های مکرر از یک جامعه بین‌المللی از دانشمندان HD شکل گرفته است. ما تصمیم گرفتیم این مقاله خاص را برجسته کنیم زیرا نقاط بین گسترش CAG، پیام‌های غیرطبیعی RNA و تغییرات در سلامت مغز و رفتار را به هم متصل می‌کند.

نویسندگان هشدار می‌دهند که ما به اطلاعات بسیار بیشتری نیاز داریم تا واقعاً ارتباط بین Msh3 و Pms1 و علائم HD را درک کنیم. آن‌ها همچنین اذعان می‌کنند، همانطور که همیشه انجام می‌دهیم، که موش‌ها انسان نیستند. این موش‌ها به طور خاص زندگی را با 140 CAG در هر سلول بدن خود آغاز می‌کنند، که بسیار بالاتر از حتی بیشتر موارد HD نوجوانان انسانی است. تکرارهای CAG در انسان‌ها به هیچ وجه به سرعت موش‌های آزمایشی گسترش نمی‌یابند.

با این وجود، داده‌های آن‌ها، همراه با داده‌های سایر آزمایشگاه‌هایی که خستگی‌ناپذیر برای درک HD تلاش می‌کنند، استدلال قوی برای توسعه درمان‌های مبتنی بر Msh3 و Pms1 ارائه می‌دهد. و این تلاش‌ها در واقع در حال انجام است!

بیشتر بدانید

• ژن‌های متمایز کمپلکس ترمیم عدم تطابق، میزان گسترش تکرار CAG عصبی را برای هدایت پاتوژنز انتخابی در موش‌های HD تعیین می‌کنند (دسترسی آزاد)