طناب‌کشی در سطح DNA: تکرارهای هانتینگتون چگونه زیاد و کم می‌شوند

از زمانی که مطالعات ژنتیکی بزرگ در بیماری هانتینگتون (HD) نشان دادند هرچه گسترش CAG طولانی‌تر باشد، علائم زودتر ظاهر می‌شوند، می‌دانستیم طول تکرار مهم است. کارهای اخیر نشان داده‌اند این طول تکرار دقیقاً چگونه در سلول‌های آسیب‌پذیر مغز افزایش می‌یابد — از حدود ۵۰ تکرار CAG تا بیش از هزار.

درک اینکه این گسترش‌ها چگونه رخ می‌دهند و چگونه بر بیماری اثر می‌گذارند، برای توسعه راهبردهای درمانی درست حیاتی است. آیا می‌توانیم DNA گسترش‌یافته را در سلول‌های درگیر اصلاح کنیم؟ خب… شاید خودِ سلول‌ها بتوانند این کار را انجام دهند!

بازیگرانِ یک طناب‌کشی مولکولی

ژن‌های ترمیم DNA می‌توانند به‌طور چشمگیری بر زمان آغاز علائم HD اثر بگذارند. سال‌هاست پژوهشگران می‌پرسند: این ژن‌ها واقعاً با آن بخشِ معیوب DNA که باعث HD می‌شود چه می‌کنند؟ و آیا می‌توانیم از این دانش استفاده کنیم تا شروع علائم را به تعویق بیندازیم — شاید آن‌قدر که بیماری هرگز بروز نکند؟

مطالعه‌ای جدید در Nature Communications از گروه پتر چِیکا (Petr Cejka) به‌صورت مولکول‌به‌مولکول بازسازی می‌کند که چگونه دو تیمِ مقابلِ ترمیم DNA درون سلول‌های ما با هم رقابت می‌کنند. یک تیم هنگام تلاش برای ترمیم، اشتباهاً تکرار CAG را بلندتر می‌کند، در حالی که تیم دیگر آن را کوتاه می‌کند. این کالبدشکافی زیست‌شیمیاییِ دقیق سرانجام نشان می‌دهد چرا بازیگرانی مانند MSH3، MLH3 و FAN1 چنین اثر قدرتمندی بر زمان شروع بیماری دارند — و مسیرهای تازه‌ای برای کند کردن یا حتی پیشگیری از HD می‌گشاید.

چرا ترمیم DNA در HD اهمیت دارد

DNA در هسته ذخیره می‌شود و یک مارپیچ دوتایی می‌سازد؛ حروفِ هر رشته دقیقاً با رشته مقابل جفت می‌شوند، مثل دندانه‌های هماهنگِ یک زیپ.

اما وقتی توالی CAG در ژن هانتینگتین (HTT) بیش از حد طولانی می‌شود، رشته‌ها دیگر کاملاً روی هم نمی‌نشینند. ممکن است یک طرف «دندانه‌های» اضافی داشته باشد و یک ناهماهنگی ایجاد کند که از مارپیچ بیرون می‌زند — چیزی که دانشمندان آن را حلقه بیرون‌زدگی (extrusion loop) می‌نامند (زیپی را تصور کنید که از یک طرف تاب برداشته است!).

همه افراد مقداری تکرار CAG را در ژن HTT خود به ارث می‌برند، اما به‌طور کلی کسانی که ۴۰ تکرار یا بیشتر دارند، در نهایت به بیماری مبتلا می‌شوند. وقتی این تکرارها طولانی‌تر می‌شوند، DNA دیگر مثل قبل منظم «زیپ» نمی‌شود و دستگاه ترمیمِ سلول برای درست‌کردنش وارد عمل می‌شود. اینجا همان‌جایی است که بازی طناب‌کشی شروع می‌شود. ترمیم می‌تواند دو مسیر داشته باشد: برخی کمپلکس‌های ماشین ترمیم ناهمواری‌ها را برطرف می‌کنند و DNA را پایدار می‌سازند، اما برخی دیگر ناخواسته تکرار را بیشتر و بیشتر طولانی می‌کنند.

«گروه گسترش»: MutSβ و MutLγ

ترمیم DNA معمولاً مثل غلط‌یاب عمل می‌کند و به دنبال خطاها، ناهماهنگی‌ها یا حلقه‌های کوچکِ ایجادشده هنگام کپی‌شدن DNA می‌گردد. اما در HD، بخشی از تیم ترمیم خودِ مشکل را ایجاد می‌کند.

دو کمپلکس — MutSβ (متشکل از MSH2 + MSH3) و MutLγ (MLH1 + MLH3) — حلقه بیرون‌زدگی را که وقتی تعداد تکرارهای CAG زیاد است شکل می‌گیرد، شناسایی می‌کنند. به‌جای برداشتن حلقه، گروه گسترش از حلقه به‌عنوان الگو استفاده می‌کند و تکرارهای CAG اضافی را پر می‌کند. نتیجه چیست؟ تکرار حتی بلندتر می‌شود. MutSβ و MutLγ یک کار ترمیمیِ معمول را به یک اشتباه «کپی‌و‌چسباندن» تبدیل می‌کنند که شمار CAG را افزایش می‌دهد.

«گروه انقباض»: FAN1 به کمک می‌آید

حالا FAN1 وارد می‌شود؛ یک نوکلئاز — عملاً یک جفت قیچی مولکولی — که می‌تواند خلافِ آن عمل کند. FAN1 این حلقه‌های DNA را تشخیص می‌دهد و درست در محل مشکل، آن‌ها را می‌بُرد. گروه FAN1 با کمک پروتئین‌های یاری‌رسان، به‌جای افزودن تکرارهای جدید، تکرارهای اضافی را برمی‌دارد.

FAN1 یک ترفند دومِ هوشمندانه هم دارد: به‌طور فیزیکی مانع می‌شود MutLγ با MutSβ شریک شود و ماشین گسترش را پیش از شروع، متوقف می‌کند.

یک طناب‌کشی مولکولی

تیم پژوهشی با راه‌اندازی هر دو واکنش در کنار هم در یک لوله آزمایش، یک طناب‌کشی واقعی را میان دو مسیر ترمیم DNA که روی همان تکرار HTT عمل می‌کنند نشان داد. اینکه کدام طرف برنده شود احتمالاً تعیین می‌کند تکرارهای CAG در یک سلول مشخص افزایش پیدا کنند یا کاهش.

پیوند دادن زیست‌شیمی به ژنتیک انسانی

کشف اینکه ژن‌های ترمیم DNA بر زمان ظاهرشدن علائم اثر می‌گذارند، اتفاقی نبود — آغازش با مطالعات ارتباط ژنومی در سراسر ژنوم (GWAS) بود که با DNA اهداشده از هزاران فرد مبتلا به HD ممکن شد. این مطالعات بزرگ‌مقیاس کل ژنوم را برای یافتن تغییرات ژنتیکی‌ای جست‌وجو کردند که سن شروع بیماری را تغییر می‌دهند. پیام روشن این بود که ژن‌های دخیل در ترمیم DNA — مانند MSH3، MLH3 و FAN1 — بازیگران اصلی هستند.

این مدل زیست‌شیمیاییِ جدید به زیبایی توضیح می‌دهد چرا آن سیگنال‌های GWAS به ژن‌های ترمیم اشاره می‌کنند. واریانت‌هایی که فعالیت MutSβ یا MutLγ را افزایش می‌دهند (در MSH3 یا MLH3) گسترش CAG را تندتر می‌کنند و به علائم زودتر منجر می‌شوند، در حالی که واریانت‌هایی که فعالیت FAN1 را تقویت می‌کنند می‌توانند گسترش را کند کرده و شروع بیماری را به تأخیر بیندازند.

دانشمندان مدت‌ها این هم‌بستگی‌ها را دیده بودند — اکنون، به لطف بازسازی مولکولیِ تیم چیکا، سرانجام می‌توانیم ارتباط میان ژنتیک انسانی و شیمی واقعیِ DNA را که شاید محرک بیماری هانتینگتون باشد، روشن کنیم.

چرا این موضوع مهم است

درک این سازوکارهای دقیق فقط زیست‌شناسیِ جذاب نیست — یک نقشه راه است برای اینکه چگونه می‌توان درمان‌ها را توسعه داد. اگر بتوانیم تعادل را به سمت انقباض یا پایدارسازی ببریم، شاید بتوانیم روند بیماری را کند کنیم یا حتی متوقف سازیم.

برخی شرکت‌ها همین حالا هم در حال دنبال‌کردن این ایده هستند:

• در حال توسعه ASOهایی هستند که MSH3 را هدف می‌گیرند یا مهارکننده‌های MutSβ که هدفشان کاهش فعالیت گسترش است؛ توسط Ionis Pharmaceutical، LoQus23 Therapeutics و Pfizer
• Harness Therapeutics در تلاش است عملکرد FAN1 را تقویت کند، یا اثرِ مسدودکننده آن بر MutLγ را تقلید کند؛ که می‌تواند مسیر دیگری برای محافظت از HTT در برابر گسترشِ مهارنشده ارائه دهد

بعدش چی؟

گرچه شواهد قوی نشان می‌دهد گسترش سوماتیکِ تکرارها تعیین می‌کند علائم چه زمانی آغاز شوند، این موضوع هنوز یک مدلِ در حال بررسی است. پژوهشگران اکنون می‌کوشند مشخص کنند این فرایندهای ترمیم در انواع مختلف سلول‌های مغزی چگونه تفاوت دارند و در بافت زنده چگونه با هم تعامل می‌کنند.

چالش اصلی، تعادل است: همان سامانه‌های ترمیم DNA که گاهی تکرار HTT را طولانی‌تر می‌کنند، از باقیِ ژنوم ما نیز محافظت می‌کنند. هدف نهایی این خواهد بود که این مسیرها را با دقت تنظیم کنیم تا گسترش CAG را بدون به خطر انداختن یکپارچگی DNA در جاهای دیگر، سرکوب کنیم.

اگر این مدل درست از آب دربیاید، می‌تواند یک مسیر درمانی کاملاً تازه باز کند — هدف‌گرفتن خودِ ترمیم DNA برای به تأخیر انداختن یا حتی پیشگیری از بیماری هانتینگتون.

خلاصه

• شروع HD به‌شدت تحت تأثیر ژن‌های دخیل در ترمیم DNA است.
• MutSβ (MSH2–MSH3) و MutLγ (MLH1–MLH3) با هم همکاری می‌کنند تا روی DNAِ CAG بریدگی ایجاد کنند و تکرارهای اضافی بیفزایند.
• FAN1 و گروهش به‌جای آن، حلقه CAG را می‌بُرند و تکرارهای اضافی را حذف می‌کنند. FAN1 همچنین مانع همکاری MutSβ–MutLγ می‌شود و از گسترش‌ها جلوگیری می‌کند.
• این واکنش‌های متضاد توضیح می‌دهند که چرا تقویت FAN1 یا کاهش فعالیت MLH3/MSH3 می‌تواند شروع HD را به تأخیر بیندازد.

بیشتر بدانید

سازوکار گسترش تکرارهای سه‌نوکلئوتیدی توسط MutSβ–MutLγ و انقباض توسط FAN1.