آنچه خوک‌ها در بیماری هانتینگتون آشکار کردند و موش‌ها از دست دادند

بیماری هانتینگتون (HD) با تغییر در تنها یک ژن، یعنی هانتینگتین (HTT)، آغاز می‌شود، اما اثرات آن در داخل سلول‌ها و در سراسر مغز و بدن گسترش می‌یابد. یکی از رازهای دیرینه این است که چرا فعالیت هزاران ژن دیگر در مغز مبتلا به HD مختل می‌شود.

یک مطالعه جدید با استفاده از خوک‌های اصلاح‌شده ژنتیکی به یک توضیح احتمالی اشاره می‌کند. محققان دانشگاه جینان در گوانگژو، چین، تغییرات گسترده‌ای را در تزئینات شیمیایی روی DNA (که به عنوان متیلاسیون DNA شناخته می‌شود) یافتند که به کنترل روشن و خاموش شدن ژن‌ها کمک می‌کند. آن‌ها بخشی از این اختلال را به سطوح پایین‌تر TET1، یک پروتئین کلیدی که به مدیریت تزئینات DNA کمک می‌کند، ردیابی کردند.

یکی از ویژگی‌های شگفت‌انگیز اما مهم این کار این است که محققان این تغییرات TET1 را در خوک‌های HD مشاهده کردند، اما در موش‌های HD خیر. بنابراین این مطالعه همچنین یادآوری می‌کند که گاهی اوقات، وقتی صحبت از درک بیماری‌های انسانی به میان می‌آید، مدل‌های حیوانی بزرگ‌تر ممکن است زیست‌شناسی‌ای را آشکار کنند که یک موش قادر به آن نباشد.

یک جهش، هزاران پیامد

HD یک نقطه شروع ژنتیکی به طرز غیرعادی واضح دارد. یک توالی از DNA حاوی حروف CAG بیش از حد در ژن هانتینگتین تکرار می‌شود. ژن گسترش‌یافته یک نسخه فوق‌بلند از پروتئین هانتینگتینپروتئین هانتینگتین پروتئین تولید شده توسط ژن هانتینگتون تولید می‌کند. متأسفانه، هر آنچه پس از آن اتفاق می‌افتد بسیار کمتر ساده است. هانتینگتین گسترش‌یافته با فهرست بلندی از فعالیت‌ها در داخل سلول‌ها تداخل می‌کند. این بر نحوه مدیریت پروتئین‌ها، نحوه تولید انرژی توسط سلول‌ها، نحوه ارتباط نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها و، مهم‌تر از همه برای این داستان، روشن و خاموش شدن ژن‌ها تأثیر می‌گذارد.

دانشمندان سال‌هاست می‌دانند که فعالیت ژن در HD به هم می‌ریزد. برخی ژن‌ها به طرز غیرعادی ساکت می‌شوند، برخی دیگر به طرز غیرعادی پر سر و صدا. اما این یک سوال اساسی را مطرح می‌کند: چگونه یک جهش در یک ژن به اختلال هزاران ژن دیگر منجر می‌شود؟

یک مطالعه جدید از زی و همکاران، که در Cell Reports منتشر شده است، نشان می‌دهد که پاسخ ممکن است شامل لایه دیگری از اطلاعات باشد که روی DNA ما نوشته شده است. به دنیای شگفت‌انگیز اپی‌ژنتیک خوش آمدید!

DNA با یادداشت‌های چسبان همراه است

DNA را به عنوان یک کتابچه راهنمای غول‌پیکر در نظر بگیرید. هر سلول در بدن شما اساساً همان کتابچه راهنما را دارد. یک سلول مغزی، یک سلول کبدی و یک سلول پوستی تقریباً دستورالعمل‌های ژنتیکی یکسانی دارند. با این حال، آن‌ها کاملاً متفاوت عمل می‌کنند. این به این دلیل است که سلول‌ها هر صفحه را به یک اندازه نمی‌خوانند. یکی از راه‌هایی که سلول‌ها فعالیت ژن‌ها را کنترل می‌کنند، چسباندن تزئینات شیمیایی کوچک به DNA است. یکی از بهترین موارد مطالعه‌شده، متیلاسیون DNA نامیده می‌شود که در آن برچسب‌های شیمیایی به نام گروه‌های متیل به DNA اضافه می‌شوند.

می‌توانید این برچسب‌ها را به عنوان یادداشت‌های چسبان مولکولی در نظر بگیرید. بسته به جایی که قرار می‌گیرند، می‌توانند بر اینکه آیا یک دستورالعمل ژنتیکی خاص برای سلول آسان یا دشوار است، تأثیر بگذارند.

مطالعه جدید عمدتاً بر دو مورد از این تزئینات شیمیایی، به نام‌های 5mC و 5hmC، تمرکز داشت. سلول‌ها می‌توانند تعادل بین آن‌ها را تنظیم کنند، و یک پروتئین کلیدی که به این کار کمک می‌کند، TET1 نام دارد. TET1، 5mC را به 5hmC تبدیل می‌کند و به بازسازی الگوی اطلاعات شیمیایی روی DNA کمک می‌کند.

پس چه اتفاقی برای این یادداشت‌های چسبان در بیماری هانتینگتون می‌افتد؟ طبق این مطالعه، اتفاقات زیادی.

مغز خوک HD دارای یادداشت‌های چسبان نامرتب است

برای درک بهتر HD در یک مغز بزرگ‌تر، دانشمندان این یادداشت‌های چسبان شیمیایی را در خوک‌های اصلاح‌شده ژنتیکی مطالعه کردند. این خوک‌ها یک توالی هانتینگتین انسانی گسترش‌یافته را که در ژن هانتینگتین خوک وارد شده بود، حمل می‌کردند. محققان تفاوت‌های گسترده‌ای را در تزئینات DNA بین خوک‌های HD و خوک‌های سالم یافتند. به طور کلی، 5mC افزایش و 5hmC کاهش یافت، به ویژه در استریاتوم، ناحیه‌ای که به شدت تحت تأثیر HD قرار می‌گیرد.

هنگامی که تیم ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند را با جزئیات بیشتری بررسی کرد، هزاران ژن تغییریافته را در خوک‌های HD یافتند. این‌ها ژن‌های تصادفی نبودند؛ بسیاری از آن‌ها در فعالیت‌های مهم برای نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها، از جمله مصرف انرژی، سیگنال‌دهی و ارتباط، نقش داشتند. به طور خلاصه، یادداشت‌های چسبان مولکولی در سراسر DNA در خوک‌های HD بازآرایی شده بودند.

سوال بعدی این بود: چه کسی با این Post-Itها بازی کرده بود؟

با TET1، ویرایشگر یادداشت چسبان مولکولی، آشنا شوید

چندین پروتئین تزئینات DNA را کنترل می‌کنند، بنابراین دانشمندان فراوانی گروهی از آن‌ها را در مغز خوک HD اندازه‌گیری کردند. یکی از آن‌ها برجسته بود: TET1. سطوح TET1 به طور چشمگیری در مغز خوک‌های HD کاهش یافته بود. جالب‌تر اینکه، سطوح TET1 از قبل در چندین ناحیه مغزی در خوک‌های HD بسیار جوان، حتی قبل از ظهور علائم آشکار HD، پایین‌تر بود. این کاهش به ویژه در استریاتوم واضح بود و با افزایش سن قوی‌تر می‌شد.

این زمان‌بندی مشاهده‌شده کلیدی است. اگر TET1 تنها پس از آسیب جدی به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها ناپدید می‌شد، می‌توانست به عنوان آسیب جانبی باقی‌مانده پس از انجام کار HD تلقی شود. اما یافتن این تغییر در سن دو ماهگی این احتمال را مطرح می‌کند که TET1 در آغاز فرآیند بیماری نقش دارد.

جالب اینجاست که وقتی دانشمندان به طور مصنوعی TET1 را در سلول‌های کشت‌شده حاوی هانتینگتین گسترش‌یافته افزایش دادند، برخی از تغییرات غیرطبیعی بیان ژن به سمت حالت عادی بازگشتند. این ثابت نمی‌کند که بازگرداندن TET1 می‌تواند مستقیماً HD را درمان کند، اما یک سرنخ مهم ارائه می‌دهد که TET1 صرفاً تماشاچی نیست.

این مشاهده هنوز یک راز بزرگ‌تر را باقی گذاشت: چرا TET1 در وهله اول ناپدید می‌شد؟ این به شاید جالب‌ترین بخش داستان منجر شد.

هانتینگتین کلید را می‌دزدد

برای ساخت پروتئین TET1، سلول‌ها به پروتئینی به نام TBP متکی هستند تا به روشن شدن ژن TET1 کمک کند. TBP را به عنوان کارمندی در نظر بگیرید که کلید لازم برای باز کردن دروازه ورودی یک کارخانه را دارد. TBP به کارخانه TET1 می‌رسد، دروازه را باز می‌کند و به کارخانه سیگنال می‌دهد تا تولید TET1 را آغاز کند.

دانشمندان کشف کردند که هانتینگتین گسترش‌یافته به طور غیرعادی قوی به TBP می‌چسبد و TBP کمتری برای روشن کردن TET1 باقی می‌گذارد. بنابراین هانتینگتین گسترش‌یافته ممکن است اساساً نگهدارنده کلید (TBP) را مشغول نگه دارد. این یک واکنش زنجیره‌ای را نشان می‌دهد: هانتینگتین گسترش‌یافته TBP را درگیر می‌کند، تولید TET1 کاهش می‌یابد، تزئینات DNA تغییر می‌کند و فعالیت بسیاری از ژن‌های دیگر مختل می‌شود. این به تنهایی یک یافته جالب خواهد بود، اما سپس تیم به موش‌ها نگاه کرد – و اوضاع پیچیده‌تر شد.

موش در اتاق

سپس شگفتی رخ داد. هنگامی که محققان به موش‌های HD نگاه کردند، انتظار داشتند همان کاهش TET1 را که در خوک‌ها دیده شده بود، مشاهده کنند. اما چنین نشد. حتی موش‌های HD مسن‌تر نیز کاهش قابل مقایسه‌ای در TET1 نشان ندادند. این ممکن است یک ناامیدی تجربی به نظر برسد. در عوض، این به یکی از جالب‌ترین مشاهدات در این مطالعه تبدیل شد.

محققان یک سوال ساده پرسیدند: چرا نتایج متفاوتی در خوک‌ها و موش‌ها مشاهده می‌کنند؟ پاسخ به نظر می‌رسد در DNA است که ژن TET1 را کنترل می‌کند. در خوک‌ها و انسان‌ها، این منطقه حاوی مکان‌های زیادی است که TBP می‌تواند به آن‌ها متصل شود؛ در موش‌ها، این مکان‌ها بسیار کمتر است.

کارخانه‌های TET1 انسانی و خوکی به شدت به دروازه‌هایی که توسط TBP باز می‌شوند، متکی هستند. کارخانه موش به گونه‌ای متفاوت سیم‌کشی شده است و ممکن است از ورودی دیگری استفاده کند که به TBP نیاز ندارد. بنابراین، اگر هانتینگتین جهش‌یافته TBP را بدزدد، سیستم‌های TET1 انسانی و خوکی می‌توانند به طور خاص آسیب‌پذیر باشند، در حالی که نسخه موشی ممکن است نسبتاً عادی به کار خود ادامه دهد.

این می‌تواند توضیح دهد که چرا این مسیر مولکولی تا کنون در مدل‌های سنتی موشی HD به سختی قابل مشاهده بود.

گاهی اوقات یک خوک بیشتر از یک موش آشکار می‌کند

مهم‌تر اینکه، این کار چیزی را نشان می‌دهد که دانشمندان گاهی اوقات وقتی سال‌ها با موش‌ها کار می‌کنند فراموش می‌کنند: مغز موش صرفاً یک مغز کوچک انسانی نیست.

موش‌ها برای تحقیقات HD بسیار ارزشمند بوده‌اند. آن‌ها نسبتاً ارزان هستند، به سرعت تولید مثل می‌کنند و می‌توانند به روش‌های پیچیده ژنتیکی اصلاح شوند. اما تکامل ده‌ها میلیون سال را صرف تغییر جزئیات دقیق در ژنومژنوم نامی که به تمام ژن هایی داده می شود که حاوی دستورالعمل های کامل برای ساختن یک فرد یا موجودات دیگر هستند آن‌ها کرده است. خوک‌ها مغزهای بزرگ‌تر، چین‌خوردگی‌های شبیه‌تر به انسان و دوره‌های رشد طولانی‌تری دارند. برای این سوال بیولوژیکی خاص، ژن TET1 در خوک‌ها نیز بیشتر شبیه به ما است.

بنابراین، همان تغییر ژنتیکی در هانتینگتین می‌تواند در دو «محله مولکولی» کاملاً متفاوت قرار گیرد. محققان تغییرات قابل توجهی بیشتری در متیلاسیون DNA و فعالیت ژن در خوک‌های HD نسبت به موش‌های HD مشابه یافتند. این نشان می‌دهد که چگونه همان ژن بیماری‌زا می‌تواند بسته به گونه، اثرات پایین‌دستی متفاوتی ایجاد کند.

این ممکن است یکی از درس‌های گسترده‌تر این مقاله باشد. مدل‌های حیوانی را می‌توان به عنوان نقشه‌های متفاوتی از یک قلمرو در نظر گرفت. برخی نقشه‌ها برای پاسخ به یک سوال عالی و برای سوالی دیگر ضعیف هستند. در این مورد، خوک ممکن است راهی را آشکار کند که به سادگی در نقشه موش ترسیم نشده است.

چرا این برای HD مهم است؟

این کار یک پل احتمالی بین دو چیزی که محققان مدت‌هاست در مورد HD می‌دانند، فراهم می‌کند: ۱) هانتینگتین گسترش‌یافته فعالیت بسیاری از ژن‌ها را تغییر می‌دهد، و ۲) «تزئینات» DNA در HD تغییر می‌کنند. زنجیره شامل TBP و TET1 ممکن است این دو را به هم متصل کند و سوالات درمانیدرمانی درمان جذابی را مطرح سازد. آیا محققان می‌توانند از چسبیدن هانتینگتین جهش‌یافته به TBP جلوگیری کنند، فعالیت TET1 را بازیابی کنند، یا تغییرات در تزئینات DNA را برای کمک به نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های آسیب‌پذیر اصلاح کنند؟

این احتمالات هنوز حدسی هستند، بنابراین TET1 بهتر است به عنوان یک سرنخ جدید در تحقیقات در نظر گرفته شود، نه یک درمان جدید، و کارهای بیشتری برای آزمایش پتانسیل درمانیدرمانی درمان آن باید انجام شود. بسیاری از آزمایشات در این مقاله تنها سه خوک HD را با سه گروه کنترل مقایسه کردند، تفاوت‌های بین نر و ماده را بررسی نکردند و از خوک‌هایی با ۱۵۰ CAG استفاده کردند – بسیار بیشتر از ۴۰-۵۰ CAG که اکثر افراد مبتلا به HD با شروع بزرگسالی حمل می‌کنند.

مطالعات آینده باید تعیین کنند که آیا این مسیر در نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌های انسانی عمل می‌کند، آیا مستقیماً به بیمار شدن نوروننورون سلول های مغزی که اطلاعات را ذخیره و انتقال می دهند‌ها کمک می‌کند، و آیا هدف قرار دادن آن می‌تواند از آن‌ها محافظت کند. حتی با وجود این سوالات بی‌جواب، این مطالعه یک توضیح جدید و جذاب برای چگونگی ایجاد هرج و مرج توسط یک پروتئین جهش‌یافته در هزاران ژن ارائه می‌دهد. و در این مورد، یک خوک لازم بود تا به دانشمندان کمک کند آن را ببینند.

خلاصه

• بیماری هانتینگتون با 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. گسترش‌یافته در ژن HTT آغاز می‌شود، اما هانتینگتین جهش‌یافته تغییرات گسترده‌ای در فعالیت بسیاری از ژن‌های دیگر ایجاد می‌کند.
• خوک‌های HD تغییرات عمده‌ای در متیلاسیون DNA، نشانه‌های شیمیایی که به تنظیم ژن‌های مورد استفاده سلول‌ها کمک می‌کنند، نشان دادند. این تغییرات به ویژه در استریاتوم برجسته بودند.
• پروتئینی به نام TET1، که به اصلاح این نشانه‌های DNA کمک می‌کند، در خوک‌های HD قبل از ظهور علائم کاهش یافته بود.
• محققان دریافتند که هانتینگتین جهش‌یافته به طور غیرعادی قوی به TBP، پروتئینی که به روشن شدن ژن TET1 کمک می‌کند، متصل می‌شود. TBP کمتر در دسترس به معنای تولید TET1 کمتر است.
• به طور شگفت‌انگیزی، همین اثر در موش‌های HD مشاهده نشد. ژن‌های TET1 انسانی و خوکی حاوی مکان‌های اتصالاتصال برش دادن پیام های RNA، برای حذف مناطق غیر کدکننده و اتصال به مناطق کد کننده. TBP زیادی هستند، در حالی که نسخه موشی بسیار کمتر دارد.
• این مطالعه یک درس مهم را برجسته می‌کند: مدل‌های حیوانی مختلف ممکن است قطعات متفاوتی از زیست‌شناسی بیماری هانتینگتون را آشکار کنند.
• یافته‌ها هنوز نشان نمی‌دهند که بازگرداندن TET1 یا مسدود کردن اتصالاتصال برش دادن پیام های RNA، برای حذف مناطق غیر کدکننده و اتصال به مناطق کد کننده. هانتینگتین جهش‌یافته-TBP می‌تواند HD را درمان کند. این آزمایشات هنوز باید انجام شوند.