مسدود کردن یک قطعه سمی: مطالعه جدید روی موش اهمیت HTT1a را در بیماری هانتینگتون برجسته می‌کند

مطالعه‌ای جدید با استفاده از ویرایش ژنی دقیق در یک مدل موشی بیماری هانتینگتون (HD) شواهدی ارائه می‌دهد که یک قطعه کوچک از پروتئین هانتینگتین (HTT) به نام HTT1a محرک اصلی HD است. با کاهش سطح HTT1a، پژوهشگران نشانه‌های HD مانند تجمع پروتئین‌ها را به تأخیر انداختند، الگوی روشن/خاموش شدن ژن‌ها را بهبود دادند و نشانگرهای زیستی را در موش‌های مدل HD دوباره به وضعیت کنترل‌شده برگرداندند. شناسایی سمی‌ترین شکل HTT که بیماری را پیش می‌برد می‌تواند پیامدهای مهمی برای طراحی داروهای کاهنده HTT داشته باشد.

مرور سریع: تکرارهای CAG و HTT1a

در همه افرادی که HD دارند، کد ژنتیکی ژن HTT دچار تغییر است. یک رشته تکراری از حروف DNA یعنی C-A-G گسترش می‌یابد و تعداد تکرارها بیش از حد می‌شود. افرادی که در ژن HTT خود ۴۰ تکرار CAG یا بیشتر دارند، اگر به اندازه کافی عمر کنند دچار بیماری خواهند شد و به‌طور کلی تکرارهای طولانی‌تر با شروع زودتر بیماری مرتبط است.

گسترش تکرار CAG در ژن HTT باعث گسترش متناظر در پروتئین HTT کُدگذاری‌شده می‌شود که بر اساس این دستورهای ژنتیکی ساخته می‌شود. اما تکرار CAG فقط توالی پروتئین را تغییر نمی‌دهد؛ بلکه بر نحوه پردازش واسطه بین DNA و پروتئین—یعنی RNA پیام‌رسان—نیز اثر می‌گذارد.

یک نسخه از دستور پخت ژنتیکی

RNA پیام‌رسان یک مولکول حامل پیام ژنتیکی است. این مولکول ابتدا به‌عنوان یک کپی دقیق از توالی DNA کُدگذاری‌شده برای یک ژن ساخته می‌شود و سپس برای ساخت پروتئینی که این توالی کُد می‌کند به کار می‌رود. این شبیه این است که از روی یک کتاب آشپزی، نسخه‌ای از دستور پخت را کپی کنید تا بتوانید غذا را بپزید بدون اینکه مدام به کتاب اصلی مراجعه کنید.

وقتی تکرار CAG گسترش می‌یابد، یک سیگنال پنهان در RNA پیام‌رسان HTT می‌تواند فعال شود. این سیگنال «پُلی‌آیِ رمزآلود» (cryptic polyA) نام دارد و به ماشین‌آلات سلولی می‌گوید ساخت پروتئین HTT را خیلی زود متوقف کنند. یعنی به‌جای ساخت پروتئین HTT با طول کامل، سلول فقط یک قطعه کوچک‌تر به نام HTT1a می‌سازد.

HTT1a: یک پروتئین قطعه‌ای سمی از HTT

پروتئین قطعه‌ای HTT1a ناحیه گسترش‌یافته‌ای را در خود دارد که توسط تکرار CAG کُدگذاری می‌شود و شبیه تکرار پشت‌سرهمِ یک اسیدآمینه به نام گلوتامین است. این قطعه به‌شدت مستعد توده‌ای شدن (فرایندی به نام تجمع) است و در بسیاری از مدل‌های حیوانی و سلولی HD سمی بودن آن نشان داده شده است.

نکته مهم این است که هرچه تکرار CAG طولانی‌تر باشد، مقدار بیشتری از پروتئین قطعه‌ای HTT1a ساخته می‌شود. از آنجا که تکرار CAG در برخی سلول‌های بدن افراد مبتلا به HD می‌تواند طولانی‌تر شود—فرایندی به نام گسترش سوماتیک—تصور می‌شود HTT1a گامی کلیدی در پیشرفت بیماری باشد.

برای درک بهتر این موضوع، پژوهشگران این مطالعه این پرسش را مطرح کردند که آیا افزایش مقدار HTT1a ساخته‌شده می‌تواند عامل پیونددهنده گسترش سوماتیک به آسیب سلول‌های عصبی باشد یا نه.

یک راهبرد ژنتیکی هوشمندانه: حذف سیگنال‌های ایجادکننده قطعه

برای آزمودن مستقیم این موضوع، تیم از یک مدل موشی HD استفاده کرد که در ژن HTT خود نزدیک به ۲۰۰ تکرار CAG دارد. این تعداد تکرار بسیار بیشتر از چیزی است که معمولاً در انسان دیده می‌شود، اما باعث می‌شود علائم در موش‌ها زودتر ظاهر شود و پژوهشگران سریع‌تر به پاسخ آزمایش‌هایشان برسند. به دلیل ویژگی‌های خاص سامانه‌های مدل‌سازی HD، به این‌ها در واقع موش‌های HdhQ150 گفته می‌شود.

آن‌ها با استفاده از ابزارهای CRISPR که مانند قیچی‌های ژنتیکی هستند، بخشی از ژن HTT را که حاوی سیگنال ساخت قطعه HTT1a است حذف کردند. این کار باید مانع ساخته شدن قطعه سمی HTT1a در این موش‌ها شود، حتی با وجود اینکه تعداد CAG به اندازه‌ای زیاد است که معمولاً سلول‌ها را به ساخت این قطعه سمی وادار می‌کند. این نوع جدید از مدل موشی HD «موش HdhQ150ΔI» نام‌گذاری شد که در آن Δ (دلتا) نشان‌دهنده ناحیه ژنتیکی حذف‌شده است.

آن‌ها همچنین از موش‌هایی با تعداد تکرار CAG که باعث HD نمی‌شود استفاده کردند تا نماینده جمعیت عمومیِ بدون HD باشند. در این موش‌ها نیز سیگنالِ سازنده HTT1a را حذف کردند تا کنترلِ اثرات احتمالی ویرایش ژنتیکی—نامرتبط با تعداد CAG—را داشته باشند. به این ترتیب مشخص می‌شد نتایجی که می‌بینند ناشی از خودِ ویرایش CRISPR است یا واقعاً به این دلیل است که HTT1a تولید نشده است.

در این موش‌ها چه بر سر سطح HTT1a آمد؟

طبق انتظار، سطح HTT1a در موش‌های HdhQ150ΔI کاهش یافت. مولکول پیام‌رسان RNA مربوط به HTT1a در این موش‌ها کاملاً غایب بود و سطح پروتئین کاهش داشت، اما همچنان قابل شناسایی بود.

اما چرا هنوز مقداری HTT1a دیده می‌شد؟ پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند این حذف ممکن است باعث شده باشد ماشین‌آلات ژنتیکی ژن را به شکل دیگری «ادامه‌خوانی» کنند، به‌گونه‌ای که همچنان پروتئین HTT1a تولید شود، اما در مقادیر بسیار کم.

نکته مهم این است که سطح HTT با طول کامل—هم نوع بدون گسترش (معمولی) و هم نوع گسترش‌یافته (شکل HD)—تغییری نکرد. این برای آزمایش‌های بعدی مهم بود تا تیم بتواند مشخص کند کدام اثرات به‌طور اختصاصی ناشی از کاهش HTT1a است، نه تغییر در سطح کلی HTT.

تأخیر چشمگیر در تجمع

یکی از نتایج برجسته این مطالعه این بود که توده‌های سمی HTT یا همان تجمع‌ها، در مغزِ موش‌های HdhQ150ΔI نسبت به موش‌های HdhQ150 خیلی دیرتر دیده شدند.

در موش‌های استاندارد HdhQ150 که مدل HD هستند، تجمع‌ها در ۶ ماهگی در نواحی مختلف مغز مشاهده شدند و با افزایش سن موش‌ها بیشتر شدند. شاید فکر کنید «وای! ۶ ماه خیلی کم است!» و حق با شماست. این زمان‌بندی سریعِ ویژگی‌های بیماری HD در این موش‌ها به دلیل تعداد بسیار بالای تکرار CAG است و عمدی است تا نتایج سریع‌تر به دست آید.

با این حال، در موش‌های HdhQ150ΔI که قطعه سمی HTT1a را نمی‌ساختند، این توده‌ها چندین ماه به تأخیر افتادند و در برخی بخش‌های مغز تا زمانی که موش‌ها بسیار مسن‌تر شدند هم دیده نشدند. این توده‌ها همچنان حاوی HTT1a بودند که این ایده را تقویت می‌کند که این قطعه HTT برای آغاز شکل‌گیری این توده‌ها مهم است.

اثرات بر بیان ژن

سپس پژوهشگران بررسی کردند کدام ژن‌ها در این مدل‌های مختلف موشی روشن یا خاموش شده‌اند. این تغییر به‌خوبی مستند شده است و در مراحل اولیه در مدل‌های مختلف HD رخ می‌دهد و امضای مشخصی از تغییرات روشن/خاموش شدن ژن‌ها دارد.

در موش‌های HdhQ150 مبتلا به HD، پژوهشگران دریافتند که در ۶ ماهگی بیش از ۱۲۰۰ تغییر در روشن/خاموش شدن ژن‌ها در جسم مخطط (استریاتوم)—ناحیه‌ای عمقی از مغز که بیشترین آسیب را در HD می‌بیند—رخ داده است. در ۱۲ ماهگی این عدد به بیش از ۲۸۰۰ ژن رسید.

در موش‌هایی که HTT1a کمتری داشتند، بخشی از این تغییرات ژنی به حالت طبیعی‌تر بازگشت؛ با بهبود ۲۵٪ در ۶ ماهگی و ۴۰٪ در ۱۲ ماهگی. وقتی آن‌ها بخش دیگری از مغز به نام هیپوکامپ را بررسی کردند، در آنجا هم بهبودهای جزئی مشاهده شد.

جالب اینکه حتی سطح اندکِ باقی‌مانده HTT1a در موش‌های HdhQ150ΔI برای شروعِ اصلاح این ویژگی شاخص HD کافی بود.

نشانگرهای زیستی: اثری چشمگیر

شاید هیجان‌انگیزترین نتیجه این مطالعه از سطح نشانگرهای زیستی به دست آمد که پژوهشگران در پلاسما و مایع نخاعی-مغزیِ اطراف مغز (CSF) بررسی کردند. تیم NfL، یک نشانگر زیستی عمومی سلامت مغز، و همچنین BRP39 را اندازه‌گیری کرد؛ معادل موشیِ یک نشانگر انسانی به نام YKL-40 که با التهاب همخوانی دارد.

در موش‌های HdhQ150 مبتلا به HD، هر دو نشانگر زیستی تا ۱۲ ماهگی در CSF افزایش یافتند که نشان می‌داد دستگاه عصبی این موش‌ها بیمار است. اما در موش‌های HdhQ150ΔI، NfL و BRP39 در ۱۲ و ۱۷ ماهگی در CSF در سطح موش‌های معمولیِ بدون HD باقی ماندند و در پلاسما نیز کاهش یافتند.

جالب اینکه بازگشت نشانگرهای زیستی CSF به سطح معمول، حتی با وجود این رخ داد که تغییرات امضای روشن/خاموش شدن ژن‌ها فقط تا حدی ترمیم شده بود. از آنجا که NfL و YKL-40 می‌توانند در کارآزمایی‌های بالینی انسانی برای ارزیابی سلامت مغز استفاده شوند، این یافته نشان می‌دهد کاهش HTT1a می‌تواند به‌طور معناداری زیست‌شناسی HD را تغییر دهد.

وصل کردن نقاط از گسترش سوماتیک → HTT1a → تجمع

گسترش سوماتیک CAG اکنون از سوی بسیاری از پژوهشگران HD به‌عنوان محرک HD دیده می‌شود. با گسترش تکرارهای CAG در نورون‌هایی که بیشترین آسیب را در HD می‌بینند، سطح HTT1a افزایش خواهد یافت. دانشمندان این مطالعه مدلی پیشنهاد می‌کنند که در آن:

1. گسترش سوماتیک، تکرار CAG و تولید HTT1a را افزایش می‌دهد.
2. افزایش HTT1a به توده‌های سمی بیشتر در این سلول‌ها منجر می‌شود.
3. این توده‌ها تغییرات بیشتری را در روشن/خاموش شدن ژن‌ها ایجاد می‌کنند.
4. سپس سلول‌ها بیمار می‌شوند و این به تغییر در سطح نشانگرهای زیستی می‌انجامد.

آن‌ها پیشنهاد می‌کنند که با کاهش سطح HTT1a می‌توان این فرایند را با ایجاد وقفه کند یا متوقف کرد.

این برای درمان‌ها چه معنایی دارد؟

چندین رویکرد کاهنده HTT در حال توسعه یا در مرحله آزمون بالینی هستند. بسیاری از آن‌ها فقط شکلِ با طول کامل HTT را کاهش می‌دهند. از جمله الیگونوکلئوتید آنتی‌سنس (ASO) تومینرسن از Roche و تعدیل‌کننده‌های اسپلیسینگِ مولکول کوچک مانند ووتوپلام و SKY-0515 از Novartis و SkyHawk به‌ترتیب.

برخی دیگر اگزون ۱ را هدف می‌گیرند و بنابراین می‌توانند سطح هر دو شکلِ با طول کامل HTT و HTT1a را کاهش دهند؛ از جمله ژن‌درمانی AMT-130 از uniQure و siRNA ALN-HTT02 از Alnylam Pharmaceuticals.

این مطالعه نشان می‌دهد که کاهشِ صرفاً شکلِ با طول کامل HTT ممکن است به اندازه کافی سودمند نباشد و کاهش HTT1a نیز می‌تواند مهم باشد. از آنجا که پروتئین معمولی HTT در سلول‌ها کارکردهای مهمی دارد، راهبردهایی که به‌طور اختصاصی HTT1a را هدف می‌گیرند ممکن است رویکردی ایمن‌تر و کارآمدتر باشند.

ملاحظات مهم

با این حال، چند محدودیت مهم در این مطالعه وجود دارد. همه این داده‌ها از موش‌هایی به دست آمده که مدل HD هستند و تکرار CAG بسیار طولانی (~۱۹۵) دارند. موش‌ها مدل بسیار خوبی برای بررسی چنین ایده‌هایی هستند، اما عمرشان به هیچ وجه به اندازه انسان نیست و بیشتر افراد مبتلا به HD به‌طور میانگین حدود ~۴۲ تکرار CAG دارند که بسیار کمتر از این سامانه مدل‌سازی است.

با این وجود، داده‌های این مطالعه قطعاً منبع ایده‌های تازه‌ای برای تیم‌های دیگر خواهد بود تا آن را پیگیری کنند. برای پژوهش‌های بیشتر در این حوزه، HDBuzz را دنبال کنید.

خلاصه

• پژوهشگران یک مدل موشی HD ساختند که مقدار کمتری از قطعه HTT1a را تولید می‌کرد؛ قطعه‌ای که تصور می‌شود در HD سمی است.
• با کاهش سطح پیام HTT1a، پژوهشگران دیدند تشکیل توده‌های سمی پروتئینی که توسط HTT1a ایجاد می‌شوند به تأخیر می‌افتد.
• در این موش‌های ویژه با کمبود HTT1a، الگوی روشن/خاموش شدن ژن‌ها بیشتر شبیه موش‌های بدون ژن HD بود و بسیاری از نشانگرهای زیستی کلیدی به سطوح نزدیک‌تر به طبیعی بازگشتند.
• این یافته‌ها شواهدی ارائه می‌دهد که HTT1a فقط محصول جانبیِ گسترش HD نیست، بلکه محرک زیست‌شناسی HD است.