جدایی از CAGهای شما: چگونه سه حرف می‌تواند بیماری هانتینگتون را تغییر دهد

بیماری هانتینگتون (HD) ناشی از یک توالی تکراری از حروف ژنتیکی C-A-G در ژن هانتینگتین (HTT) است که از یک تعداد بحرانی فراتر می‌رود. اگر تکرارها از ۴۰ بیشتر شود، علائم و نشانه‌های HD در مقطعی از زندگی فرد، در صورت عمر کافی، آغاز خواهد شد. توالی CAG عامل بیماری در طول زندگی، به ویژه در سلول‌های مغزی آسیب‌پذیر، گسترش می‌یابد که دانشمندان معتقدند در نهایت باعث مرگ سلولی می‌شود.

تحقیقات جدید از ویرایش ژن پیشرفته برای ایجاد سلول‌های بنیادی انسانی با طول‌های مختلف 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. و املای ژنتیکی استفاده کرد. سپس آن‌ها با استفاده از فناوری توالی‌یابی پیشرفته، چگونگی تغییر این تکرارها را در طول زمان ردیابی کردند. این تیم کشف کرد که وارد کردن «وقفه‌های» ژنتیکی متعدد در 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 توالی خالص CAGها را از هم می‌گسلد، مزایای عمده‌ای دارد. دقیقاً چه چیزی یافتند و این به چه معنا برای درمان‌های آینده است؟ بیایید دریابیم!

ماشین زمان سلولی

تصور کنید که شاهد پیشرفت یک بیماری به صورت آهسته هستید تا بتوانید لحظه دقیق شروع مشکلات را ردیابی کنید. این اساساً همان چیزی است که محققان دانشگاه میلان ایجاد کرده‌اند – پلتفرمی برای مشاهده توسعه HD در سطح سلولی، تکرار به تکرار، روز به روز.

این تیم، به رهبری دکتر النا کاتانیو، سلول‌های بنیادی انسانی را با نسخه‌های مختلف ژن HTT مهندسی کردند. با استفاده از ویرایش ژن CRISPRCRISPR سیستمی برای ویرایش DNA با روش های دقیق، آن‌ها توالی‌های HTT را با طول‌های مختلف 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.، از ۲۱ تکرار (زیر آستانه بیماری) تا ۱۰۷ تکرار (در محدوده بیماری) جایگزین کردند.

آن‌ها این مجموعه از رده‌های سلولی را «پلتفرم CAGinSTEM» نامیدند و این می‌تواند به ابزاری قدرتمند برای درک چگونگی رفتار تکرارهای CAG در طول زمان تبدیل شود.

مشاهده رشد تکرارها

یکی از دشوارترین جنبه‌های مطالعه بی‌ثباتی 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.، اندازه‌گیری دقیق گسترش بوده است. روش‌های توالی‌یابی سنتی ممکن است با DNA تکراری مشکل داشته باشند. تصور کنید که سعی دارید ۴۲ حرف یکسان را پشت سر هم به دقت بشمارید. احتمالاً در مقطعی ممکن است شک کنید که روی ۳۱ یا ۳۲ بوده‌اید و مجبور شوید از نو شروع کنید. همین فرآیند در یک آزمایش رخ می‌دهد، زمانی که ماشین‌های مولکولی سعی می‌کنند تعداد تکرارهای CAG را بخوانند.

محققان این مشکل را با استفاده از نوعی توالی‌یابی تخصصی حل کردند که می‌تواند توالی‌های بسیار طولانی DNA را در یک مرحله بخواند و اطلاعات مربوط به ترکیب دقیق توالی را حفظ کند.

در طول ۱۲۰ روز کشت سلول‌ها در ظروف آزمایشگاهی، تیم مشاهده کرد که سلول‌هایی که با ۸۱ و ۱۰۷ 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. شروع می‌شوند، گسترش خطی و ثابتی از تکرارهای خود را نشان دادند. در مقابل، سلول‌هایی با ۴۵ تکرار یا کمتر پایدار باقی ماندند و تغییرات عمده‌ای در تعداد CAG خود نداشتند. هنگامی که این سلول‌های بنیادی را به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های استریاتال، سلول‌های مغزی که بیشترین آسیب را در HD می‌بینند، تبدیل کردند، الگوهای مشابهی را مشاهده کردند، به طوری که رده ۱۰۷ CAG حتی در نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها نیز گسترش نشان داد.

بررسی سلول‌ها قبل و بعد از تبدیل شدن به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند، به محققان این امکان را داد تا تعیین کنند که آیا تقسیم سلولی بر گسترش CAG تأثیر می‌گذارد یا خیر. در حالی که سلول‌های بنیادی بارها و بارها تقسیم می‌شوند تا سلول‌های بیشتری ایجاد کنند، بیشتر نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها این کار را نمی‌کنند – آن‌ها همان چیزی هستند که دانشمندان «پس از میتوز» یا «پس از تقسیم سلولی» می‌نامند. از آنجایی که گسترش CAG در تعداد تکرارهای بسیار بالا هم قبل و هم بعد از تبدیل شدن سلول‌ها به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند باقی ماند، این نشان می‌دهد که تقسیم سلولی عامل مؤثر نیست.

قدرت وقفه

اینجاست که مطالعه واقعاً جالب می‌شود. اکثر مردم (بیش از ۹۵٪) یک وقفه طبیعی در 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. خود دارند: این 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. بارها و بارها تا انتهای بخش تکراری خوانده می‌شود، جایی که CAG-CAA-CAG خوانده می‌شود، با آن CAA منفرد نزدیک به انتها. مطالعات قبلی در افراد نشان داده‌اند که از دست دادن این وقفه CAA منجر به شروع زودهنگام بیماری می‌شود، در حالی که داشتن یک CAA اضافی شروع را به تأخیر می‌اندازد.

محققان این را مستقیماً در پلتفرم سلولی خود آزمایش کردند. آن‌ها رده‌هایی با ۱۰۷ CAG خالص (بدون وقفه)، رده‌هایی با وقفه منفرد معمول، رده‌هایی با ۲ وقفه CAA، و (به طور چشمگیرتر) رده‌هایی با ۴ وقفه CAA که به طور استراتژیک در سراسر تکرار قرار داده شده بودند، ایجاد کردند.

نتایج چشمگیر بود. وقفه دوگانه CAA بی‌ثباتی را در مقایسه با وقفه منفرد استاندارد کاهش داد. اما ۴ وقفه داخلی CAA به نظر می‌رسید که گسترش تکرار را در طول ۱۲۰ روز به طور کامل از بین می‌برد. تکرارها به سادگی رشد خود را متوقف کردند، هم در سلول‌های در حال تقسیم و هم در نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها. بسیار جذاب!

فراتر از صرفاً پایداری

توقف گسترش تکرار به خودی خود ارزشمند خواهد بود، اما محققان همچنین کشف کردند که وقفه‌های متعدد CAA مزایای دیگری نیز دارند، زیرا به نظر می‌رسید که از چندین مشکل مرتبط با HD در سلول‌ها جلوگیری می‌کنند.

نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها با ۱۰۷ 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. و وقفه ۱-CAA معمولی، در تبدیل شدن به نوع صحیح نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند مشکل داشتند. آن‌ها نشانگرهای کمتری برای تعریف آن‌ها به عنوان نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های استریاتال و نشانگرهای بیشتری از یک منطقه مغزی متفاوت داشتند، که نشان می‌دهد توسعه آن‌ها به این نوع خاص از نورون کمی گیج‌کننده بود. این یافته‌ها با کارهای آزمایشگاه‌های دیگر با استفاده از نمونه‌های مغزی از افراد مطابقت دارد، که فرسایش هویت سلولی این نوع نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند را با گسترش تکرارهای CAG نشان داده‌اند.

با این حال، رده با وقفه ۴-CAA به نظر می‌رسید که توسعه طبیعی نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند استریاتال را حفظ می‌کند. این نشان می‌دهد که ۴ وقفه CAA هویت ژنتیکی نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های استریاتال را حفظ می‌کند!

این تیم همچنین بررسی کرد که DNA و سایر مولکول‌ها چگونه در ناحیه‌ای به نام هستههسته قسمتی از سلول که حاوی ژنها (DNA) است سلول‌ها سازماندهی شده‌اند، ناحیه‌ای که در تحقیقات HD مورد علاقه فزاینده‌ای است. سلول‌ها با ۱ وقفه CAA در ۱۰۷ تکرار به طور متوسط هستههسته قسمتی از سلول که حاوی ژنها (DNA) است کوچک‌تر، DNA فشرده‌تر که به پروتئین تبدیل نمی‌شود، و ساختارهای مختل‌شده مهم برای تنظیم ژن‌هایی که در طول توسعه خاموش می‌مانند، داشتند. وقفه‌های ۴-CAA همه این ویژگی‌ها را عادی‌سازی کردند، اندازه هستههسته قسمتی از سلول که حاوی ژنها (DNA) است، سازماندهی DNA و ویژگی‌های مورد استفاده برای کنترل سطوح ژن‌های مختلف را بازیابی کردند.

جالب اینجاست که برخی از جنبه‌های بیماری سلولی با وقفه‌های CAA بهبود نیافتند. نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها با تکرارهای قطع‌شده همچنان شکل سلولی غیرطبیعی مشابه رده سلولی با ۱ وقفه CAA در ۱۰۷ تکرار را نشان دادند، با شاخه‌های نورونی کوتاه‌تر (دندریت‌ها) و جسم سلولی کوچک‌تر. این نشان می‌دهد که این ویژگی‌های خاص ممکن است به پروتئین کدگذاری شده توسط ژن HTT و تکرارهای آن بستگی داشته باشند، نه به بی‌ثباتی DNA یا خلوص تکرار.

DNA مهم است، نه فقط پروتئین

برای سال‌ها، تحقیقات HD تقریباً منحصراً بر روی پروتئین سمی متمرکز بود. اما این مطالعه تغییر پارادایم در حال وقوع در این زمینه را تقویت می‌کند: خود توالی DNA، از جمله خلوص و تمایل آن به گسترش، به نظر می‌رسد نقش مستقیمی در بیماری ایفا می‌کند.

و اینجاست که کمی عجیب می‌شود – CAA و CAG هر دو برای بلوک سازنده پروتئین گلوتامینگلوتامین بلوک ساختمانی اسید آمینه ای که در ابتدای پروتئین هانتینگتین جهش یافته بارها تکرار می شود کدگذاری می‌کنند. بنابراین وارد کردن وقفه‌های CAA در واقع پروتئین را تغییر نمی‌دهد! با این حال، به نظر می‌رسد این وقفه‌ها از گسترش تکرار و مشکلات سلولی جلوگیری می‌کنند. گفتیم که عجیب است…

این به نظر می‌رسد از مدل «دو مرحله‌ای» HD در ارتباط با گسترش CAG حمایت می‌کند: شما یک 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 به ارث می‌برید که در ابتدا به وضوح سمی نیست و معمولاً دهه‌ها زندگی سالم را امکان‌پذیر می‌سازد، اما در طول عمر شما در سلول‌های مغزی خاصی گسترش می‌یابد تا زمانی که از یک آستانه عبور کند و باعث مرگ سلولی شود.

در حالی که برخی محققان نظریه‌هایی در مورد طول دقیق که باعث سمیت مرتبط با گسترش CAG می‌شود و چگونگی دقیق این اتفاق دارند، هیچ کس به طور قطع نمی‌داند. یک نظریه این است که تکرار خالص CAG ساختارهای DNA پایداری را تشکیل می‌دهد که هنگام کپی شدن ژن، لغزش و گسترش را ترویج می‌کنند. وقفه‌های CAA می‌توانند این ساختارها را مختل کرده و از فرآیند گسترش جلوگیری کنند.

یک امکان درمانیدرمانی درمان؟

یافته‌های این کار اخیر یک سوال جذاب را مطرح می‌کند: آیا وارد کردن وقفه‌های CAA می‌تواند درمانیدرمانی درمان باشد؟ مطالعات اخیر اثبات مفهوم از ویرایش پایه CRISPR برای تبدیل برخی CAGها به CAA در سلول‌ها و موش‌ها استفاده کرده‌اند، با نتایج دلگرم‌کننده. با این حال، ترجمه ویرایش ژن به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های انسانی پس از میتوز در مغزهای زنده با چالش‌های فنی عظیمی روبرو است – کارایی تحویل، دقت و ایمنی همگی موانع اصلی باقی می‌مانند.

شاید به طور فوری‌تر، خود پلتفرم CAGinSTEM برای کشف دارو ارزش ارائه می‌دهد. محققان اکنون می‌توانند داروهای بالقوه را که یا بی‌ثباتی تکرار را کاهش می‌دهند یا اثرات سلولی پایین‌دستی آن را کاهش می‌دهند، با استفاده از این رده‌های سلولی به خوبی مشخص شده و کنترل کیفیت شده که به نظر می‌رسد برخی از جنبه‌های آسیب‌شناسی HD را به درستی بازتولید می‌کنند، غربالگری کنند.

حفاظت طبیعی؟

این مطالعه همچنین به یک امکان جذاب اشاره می‌کند که برخی افراد ممکن است وقفه‌های CAA داخلی طبیعی داشته باشند که آن‌ها را از بیماری محافظت می‌کند، با وجود داشتن تکرارهای CAG در محدوده بیماری‌زا.

در حالی که هرگز در پایگاه‌های داده موجود با اطلاعاتی در مورد افراد مبتلا به HD مشاهده نشده است، چنین گونه‌های محافظی می‌توانند در افراد پیش‌علامتی که هرگز علائم را توسعه نمی‌دهند، وجود داشته باشند.

حرف آخر

توجه به این نکته مهم است که مطالعاتی مانند این، که یک نوع خاص از سلول را به تنهایی در ظرف آزمایشگاهی رشد می‌دهند، آنچه را که در داخل مغز اتفاق می‌افتد، بازتولید نمی‌کنند، مغزی که از انواع مختلف سلول‌ها تشکیل شده است که همگی به یکدیگر متصل و با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. این نوع مطالعات برای درک آنچه انواع خاصی از سلول‌ها به تنهایی انجام می‌دهند و چگونه آن تغییرات مرتبط با بیماری می‌توانند به کل سیستم کمک کرده و بر آن تأثیر بگذارند، خوب هستند.

این مطالعه شواهدی را به کارهای دیگر اضافه می‌کند که نشان می‌دهد خلوص 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. مستقیماً بر بی‌ثباتی تکرار و اختلال عملکرد سلولی در HD تأثیر می‌گذارد، در حالی که ابزاری را برای محققان توسعه می‌دهد که می‌توانند از آن برای پرسیدن سوالات پیرامون این یافته استفاده کنند.

با جلوگیری از تشکیل توالی‌های طولانی و خالص CAG از طریق وقفه‌های استراتژیک، محققان ممکن است بتوانند گسترش تکرار را مسدود کرده و از چندین اثر مرتبط با HD در نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها جلوگیری کنند، همه اینها بدون تغییر طول پروتئین گلوتامینگلوتامین بلوک ساختمانی اسید آمینه ای که در ابتدای پروتئین هانتینگتین جهش یافته بارها تکرار می شود. عجیب!

این کار همچنان درک ما را از آنچه آسیب‌شناسی HD را هدایت می‌کند، تغییر می‌دهد و تأکید می‌کند که فقط مربوط به پروتئینی که می‌سازید نیست، بلکه مربوط به توالی DNA است که به ارث می‌برید و چگونگی تغییر آن در طول زمان. در حالی که کاربردهای درمانیدرمانی درمان برای این یافته‌ها هنوز حدسی هستند، پلتفرم CAGinSTEM ابزار قدرتمند جدیدی را برای محققان برای درک مکانیسم‌های HD و آزمایش مداخلات بالقوه ارائه می‌دهد.

خلاصه

• پلتفرم: محققان رده‌های سلولی بنیادی انسانی کنترل کیفیت شده را با طول‌ها و ترکیبات مختلف 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 ژن هانتینگتین (HTT) ایجاد کردند
• ردیابی پیشرفته: با استفاده از توالی‌یابی DNA با خوانش طولانی، آن‌ها تغییرات 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 در طول زمان در سلول‌های در حال تقسیم و نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها اندازه‌گیری کردند
• طول مهم است: رده‌های سلولی با ۸۱-۱۰۷ 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. گسترش خطی را در طول زمان نشان دادند، در حالی که تکرارهای کوتاه‌تر پایدار باقی ماندند
• خالص در مقابل قطع‌شده: تکرارهای استاندارد با یک وقفه CAA نزدیک به انتها همچنان گسترش یافتند؛ افزودن یک وقفه CAA دوم گسترش را کاهش داد
• انسداد کامل: وارد کردن ۴ وقفه CAA در سراسر تکرار به نظر می‌رسید که گسترش را در سلول‌های در حال تقسیم و نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های پس از میتوز متوقف می‌کند
• نجات سلولی: وقفه‌های ۴-CAA از چندین اثر سلولی HD، از جمله اختلال در توسعه نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند استریاتال، سازماندهی هستههسته قسمتی از سلول که حاوی ژنها (DNA) است‌ای مختل شده، و سطوح ژنی تغییر یافته، جلوگیری کردند، همه اینها بدون تغییر طول پروتئین گلوتامینگلوتامین بلوک ساختمانی اسید آمینه ای که در ابتدای پروتئین هانتینگتین جهش یافته بارها تکرار می شود
• بیماری ناشی از DNA: این یافته‌ها به این نظریه کمک می‌کنند که خلوص و بی‌ثباتی تکرار، نه فقط طول پروتئین پلی‌گلوتامینگلوتامین بلوک ساختمانی اسید آمینه ای که در ابتدای پروتئین هانتینگتین جهش یافته بارها تکرار می شود، مستقیماً آسیب‌شناسی HD را هدایت می‌کند
• ابزار تحقیقاتی: پلتفرم CAGinSTEM یک سیستم قوی برای مطالعه مکانیسم‌های HD و غربالگری درمان‌های بالقوه ارائه می‌دهد