MIT ve Harvard’ın Broad Enstitüsü, Harvard Tıp Fakültesi ve McLean Hastanesi’ndeki bilim insanları, Huntington hastalığına neden olduğu bilinen kalıtsal genetik mutasyonun beyin hücrelerinin ölümüne yol açtığı şaşırtıcı bir mekanizma keşfettiler. Bulgular, ölümcül nörodejeneratif bozukluk hakkındaki anlayışı değiştiriyor ve onu geciktirmenin veya hatta önlemenin olası yollarını öneriyor.

Araştırmacılar, Huntington hastalığının Huntington (HTT) genindeki kalıtsal bir mutasyondan kaynaklandığını 30 yıldır biliyorlardı; ancak mutasyonun beyin hücrelerinin ölümüne nasıl yol açtığını bilmiyorlardı .

Cell’de yayınlanan bir çalışma, kalıtsal mutasyonun hücrelere zarar vermediğini ortaya koyuyor. Aksine, mutasyon onlarca yıl zararsız ama yavaş yavaş hücreyi hızla öldüren oldukça toksik bir forma dönüşüyor.

Huntington mutasyonu, HTT genindeki bir DNA bölümünü içerir; bu bölümde, üç harfli bir DNA dizisi olan “CAG”, hastalığı olmayan kişilerde miras alınan 15-35 tekrarın aksine en az 40 kez tekrarlanır. Araştırmacılar, 40 veya daha fazla CAG tekrarı olan DNA yollarının yüzlerce tekrar uzunluğunda olana kadar büyüdüğünü buldular.

Bu tür “somatik genişleme” yalnızca Huntington hastalığında daha sonra ölen belirli beyin hücresi tiplerinde meydana gelir. Bir hücrenin DNA genişlemesi yalnızca CAG’lerin eşik sayısına ulaştığında (yaklaşık 150) hücre hastalanır ve sonra ölür. Bu tür birçok hücrenin kümülatif ölümü Huntington hastalığının semptomlarına yol açar.

Çalışma, HTT proteininin ifadesini azaltmayı amaçlayan aday Huntington ilaçlarının klinik deneylerde neden zorluk çektiğine dair olası bir açıklama sunuyor: Herhangi bir anda proteinin toksik versiyonuna sahip çok az hücre var, bu nedenle tedaviler çoğu hücrede terapötik bir etkiye sahip olmayabilir.

Araştırma ayrıca farklı bir tedavi stratejisini de gündeme getiriyor: HTT genindeki CAG tekrar genişlemesini durdurmak veya yavaşlatmak, çok daha fazla sayıda hücrede toksisiteyi erteleyebilir ve hastalığın başlangıcını geciktirebilir, hatta önleyebilir.

Çalışmanın ortak yazarlarından genetikçi, sinir bilimci ve aynı zamanda araştırmacı Steve McCarroll, “Bu deneyler, Huntington hastalığının nasıl geliştiğine dair düşünce şeklimizi değiştirdi” dedi.

McCarroll, Broad’daki Stanley Psikiyatri Araştırma Merkezi’nde enstitü üyesi ve genomik nörobiyoloji direktörü, Harvard Tıp Fakültesi’nde Dorothy ve Milton Flier Biyomedikal Bilim ve Genetik Profesörü ve Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nde araştırmacıdır.

“Bu, bir mutasyonun bir hastalığa nasıl yol açtığı konusunda gerçekten farklı bir düşünme biçimi ve bunun Huntington hastalığının ötesinde DNA tekrar bozukluklarında da uygulanabileceğini düşünüyoruz.”

Harvard Tıp Fakültesi ve McLean Hastanesi’nde psikiyatri doçenti ve Mass General Brigham sağlık sisteminin bir üyesi olan kıdemli ortak yazar Sabina Berretta, “Çalışmamızın amacı, hepimizin yaptığı şey, hastalığın neden olduğu acıyı hafifletmektir” dedi.

Ayrıca McLean Hastanesi’ndeki bir NIH NeuroBioBank merkezi olan Harvard Beyin Dokusu Kaynak Merkezi’nin (HBTRC) direktörüdür. “Bu çalışma ve bilgilendirdiği çalışma etkili olabilir ve kısa vadede acıyı hafifletmede büyük bir fark yaratabilir.”

McCarroll’un grubundan kadrolu bilim insanı Bob Handsaker, kıdemli baş yazılım mühendisi Seva Kashin ve eski araştırma görevlisi Nora Reed, çalışmanın ortak birinci yazarlarıdır.

Açık sorular

Huntington hastalığı, beynin derinliklerinde hareketten, birçok bilişsel işlevden ve motivasyondan sorumlu bir yapı olan striatumda bulunan striatal projeksiyon nöronları adı verilen bir hücre popülasyonunu öldürür.

Bu hücrelerin büyük bir kısmı öldüğünde, hastalar kollarında, bacaklarında ve yüzlerinde istemsiz hareketler geliştirir ve birçok hastada bilişsel sorunlar da gelişir. Bu semptomlar genellikle orta yaşta başlar ve daha sonra 10 ila 20 yıl içinde daha şiddetli bilişsel sorunlara ve hareket etme veya yutma zorluğuna ilerler.

1993’te araştırmacılar, hastalığın HTT genindeki genişlemiş bir CAG uzantısından kaynaklandığını keşfettiler . Çoğu insan, 15 ila 35 ardışık CAG’ye sahip gen versiyonlarını miras alır ve asla Huntington’a yakalanmaz, ancak 40 veya daha fazla ardışık CAG’ye sahip bir versiyonu miras alanlar, neredeyse her zaman hastalıklarını hayatlarının ilerleyen dönemlerinde geliştirirler.

Tekrarların süresi ne kadar uzun olursa, kişi semptomlar ilk ortaya çıktığında o kadar genç olma eğilimindedir. Tekrarlanan CAG’lerin yolunun da zamanla genişlediği ve farklı dokularda çeşitli uzunluklara yol açtığı gösterilmiştir.

Ancak altta yatan biyolojik sorular her zaman devam ediyordu: HTT mutasyonu nasıl toksiktir? Vücudun hemen hemen her hücresinde görülen HTT proteini neden sadece bazı beyin hücrelerini öldürüyor da diğerlerini öldürmüyor? Ve mutasyonla doğan ve proteini yaşam boyunca ifade eden hastalar neden sadece orta yaşta, onlarca yıllık görünür sağlık durumundan sonra semptomlar geliştiriyor?

Tekrar genişleme

Bu soruları cevaplamak için araştırma ekibi, McCarroll laboratuvarının on yıl önce geliştirdiği damlacık tek hücreli RNA dizilimi ( Drop-seq ) adı verilen bir teknolojiden yararlandı . Bu teknoloji araştırmacıların binlerce tek hücredeki gen ifadesini analiz etmesine olanak tanıyor.

CAG tekrar uzunluğunun doğrudan biyolojik etkilerini anlamaya çalışan araştırmacılar, yalnızca gen ifadesini ve tek hücrelerin kimliğini değil, aynı zamanda her hücrenin içindeki DNA tekrar yollarının uzunluğunu da belirlemelerine yardımcı olmak için tek hücreli RNA dizilemesini uyarladılar.

“Bu tekrarların nöronlarda genişlediği biliniyor,” dedi Kashin. “Ancak belirli bir hücreyi alıp hem CAG uzunluğunu hem de transkripsiyonel profili ölçme yeteneği, gerçekten güçlü bir analize izin veren gerçekten önemli bir temeldir.”

Araştırmacılar, Huntington hastalığı olan 53 kişi ve hastalığı olmayan 50 kişiden alınan beyin dokularını HBTRC tarafından toplayıp sakladılar.

500.000’den fazla tek hücreyi analiz ettiler ve hastalığı olan kişilerin çoğu hücre tipinin, miras aldıkları CAG tekrarının esasen aynısına sahip olduğunu buldular. Ancak striatal projeksiyon nöronları (hastalıkta ölen birincil striatal hücreler) CAG tekrar yollarını büyük ölçüde genişletmişti.

İnsan beyin dokusu üzerine daha önce yapılan araştırmaların çoğu, 100’den az tekrar içeren CAG tekrar yollarına odaklanmıştı; ancak yeni çalışma, bazı nöronların 800’e kadar CAG’ye sahip olduğunu gösterdi ve bu, Glasgow Üniversitesi’nden Peggy Shelbourne’un 20 yıl önce yaptığı keşfi doğruladı.

En şaşırtıcı olanı, araştırma ekibinin DNA tekrarının 40’tan 150 CAG’a genişlemesinin nöronların sağlığı üzerinde görünür bir etkisi olmadığını bulmasıdır. Ancak tekrarları 150 CAG’ı aşan nöronlar büyük ölçüde bozulmuş gen ifadesi, kritik genlerin ifadesini kaybetme ve ardından ölme gösterdi.

McCarroll’un ekibi ayrıca, striatal projeksiyon nöronlarında CAG tekrar genişlemesinin hızını ve zamanlamasını tahmin etmek için deneysel verilerin bilgisayar modellemesini kullandı.

CAG tekrar yollarının başlangıçta yavaş büyüdüğünü, yaşamın ilk iki on yılında yılda bir kereden az genişlediğini buldular. Ancak bir hücrenin tekrar yolu yaklaşık 80 CAG’ye ulaştığında -genellikle birkaç on yıl sonra- genişleme hızı önemli ölçüde hızlanır ve sadece birkaç yıl içinde 150 CAG’ye genişler.

Hücre daha sonra sadece birkaç ay sonra ölür. Bu, bir nöronun hayatının %95’inden fazlasını zararsız bir HTT geniyle geçirdiği anlamına gelir. Dahası, farklı hücrelerdeki CAG tekrar yolları bu toksisite eşiğini farklı zamanlarda geçtiği için, hücreler bir grup olarak uzun bir süre boyunca yavaşça kaybolur, semptomlar ortaya çıkmadan yaklaşık 20 yıl önce başlar ve semptomlar başladıkça daha hızlı bir şekilde kaybolur.

“Bu çalışmaya başlamadan önce Huntington hastalığı hakkında çok şey biliniyordu, ancak kolektif anlayışımızda boşluklar ve tutarsızlıklar vardı,” dedi Handsaker. “Onlarca yıl boyunca tek tek nöronlarda ortaya çıkan patolojinin tam gidişatını bir araya getirebildik ve bu bize terapötik olarak müdahale edebileceğimiz potansiyel olarak birçok farklı zaman noktası sağlıyor.”

Huntington hastalarının beyin dokularını analiz etmek çalışma için kritik önem taşıyordu. Berretta, “Çok zor bir şeyi yapmayı seçen ailelere minnettarız,” dedi. “Bu, kalıcı ve birçok başka insana fayda sağlayacak bir bilgi mirası bırakan birçok beyin bağışçısının fedakarlığı olmadan mümkün olmazdı.”

Terapötik olanaklar

McCarroll’un ekibi, HTT proteinini hedeflemek yerine, tamamlayıcı veya potansiyel olarak daha iyi bir tedavi yaklaşımının, DNA tekrar genişlemesini yavaşlatmak veya durdurmak olabileceğini, bunun da hastalığı geciktirmeye veya hatta önlemeye yardımcı olabileceğini öne sürüyor.

Massachusetts General Hastanesi’nden Vanessa Wheeler ve Ricardo Mouro Pinto’nun çalışmaları da dahil olmak üzere Huntington’a dair daha önce yapılan genetik çalışmalar , bu yayılmayı yavaşlatmanın olası yollarına işaret ediyor.

Çalışmalar, DNA’yı koruma ve onarmada rol oynayan hücresel proteinlerin bazen DNA tekrar yollarının kararlılığını zayıflattığını gösterdi. Örneğin, MSH3 proteini normalde hücrenin DNA’sını olası mutasyonlara karşı izlemesine yardımcı olur, ancak ekstra CAG’ler tarafından oluşturulan DNA’daki halkalar bu proteini CAG tekrarını genişletmeye yönlendirebilir.

Uluslararası bir insan genetikçileri ekibi, bu DNA onarım proteinlerini kodlayan genlerdeki yaygın genetik varyasyonların Huntington hastalarında semptomların başlangıcını hızlandırabileceğini veya geciktirebileceğini buldu . McCarroll, bu bulguların ekibinin tek hücrelerde CAG tekrarını ölçmenin yollarını geliştirmeye odaklanmasına doğrudan ilham verdiğini söylüyor.

Moleküler bir terapi ile belirli DNA bakım süreçlerinin yavaşlatılmasının, daha az hataya neden olan diğer DNA onarım mekanizmalarının bu döngüleri çözmesine izin vererek DNA tekrar genişlemesini yavaşlatabileceğini de ekliyor.

Bu arada araştırmacılar, 150 CAG’den daha uzun DNA tekrar yollarının nöronal bozulmaya ve ölüme nasıl yol açtığını ve tekrarların neden bazı nöron türlerinde diğerlerinden daha fazla genişlediğini anlamak için çalışıyorlar. Ayrıca, hastalarda DNA tekrarlarını ve geç başlangıcı içeren diğer genetik bozukluklardaki DNA tekrar genişlemesi ile hücresel değişiklikler arasındaki bağlantıyı anlamak için DNA tekrar profiliyle birlikte tek hücreli RNA dizilemesinin benzer bir kombinasyonunu kullanıyorlar.

Kırılgan X sendromu ve miyotonik distrofi de dahil olmak üzere 50’den fazla insan beyin rahatsızlığı, çeşitli genlerdeki DNA tekrarlarının genişlemesinden kaynaklanmaktadır.

McCarroll, “DNA tekrarlarının genişlemesini yavaşlatan tedavilere ulaşmak için birçok insanın çok fazla bilimsel çalışma yapması gerekecek,” dedi. “Ancak bunun merkezi hastalık yönlendirme süreci olarak anlaşılmasının derin bir odaklanmaya ve yeni seçeneklere yol açacağını umuyoruz.”

Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.

Çok kurumlu bir araştırmacı ekibi, tıbbi ve bilimsel araştırmanın temel taşı olan laboratuvar faresi için yeni ve geliştirilmiş bir genetik harita oluşturdu. GRCr8 olarak bilinen bu güncellenmiş genom düzenlemesi, insan hastalıklarını, davranışlarını ve genetik özelliklerini daha hassas bir şekilde inceleme yeteneğini geliştiriyor.

“Uzun okumalar ve uzun menzilli iskelelerden yeni bir sıçan referans genom topluluğu olan GRCr8’in inşası ve değerlendirilmesi” başlıklı çalışma —Teksas-Houston Üniversitesi, Louisville Üniversitesi, Teksas A&M, Wellcome Sanger Enstitüsü, Wisconsin Tıp Fakültesi, Tennessee Üniversitesi ve Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi’nin iş birliğiyle— Genome Research dergisinde yayımlandı .

Kentucky Üniversitesi Gluck At Araştırma Merkezi Lisansüstü Çalışmalar Direktörü ve Martin-Gatton Tarım, Gıda ve Çevre Koleji profesörü ve baş bilim insanlarından biri olan Ted Kalbfleisch, çalışmanın etkisine dikkat çekti.

“Laboratuvar faresi, onlarca yıldır insan sağlığı ve hastalıklarını incelemek için kritik bir model olmuştur 
,” dedi. “GRCr8 ile artık daha kesin ve eksiksiz bir genetik tabloya sahibiz, bu da fareleri, insanları benzer şekilde etkilediği bilinen karmaşık durumları anlamak için nasıl kullandığımızı geliştirebilir.”

Sıçanlar araştırmada neden önemlidir?

Sıçanlar uzun zamandır biyomedikal araştırmaların temel unsurlarından biri olmuştur çünkü biyolojik ve davranışsal özellikleri insan sağlığının birçok yönünü yansıtır. Kullanımları bağımlılık, kardiyovasküler hastalıklar ve hatta anksiyete ve depresyon gibi psikolojik durumlar üzerine yapılan çalışmaları kapsar.

Kalbfleisch, “Önceki genom haritaları bize sağlam bir temel sağladı, ancak bazı kritik açılardan eksikti,” dedi. “GRCr8 ile bu boşlukları ele aldık ve araştırmacıların genetik mutasyonlar , gen düzenlemesi ve hastalık mekanizmaları gibi alanlarda daha derinlere inmelerini sağladık.”

Genom haritalarındaki en önemli güncellemelerden biri, daha önce tanımlanmamış 1.100’den fazla yeni protein kodlayan genin eklenmesini içeriyor. Bu yeni haritalanan genler, üreme sağlığı veya bağışıklık tepkileriyle ilgili olanlar gibi hastalıkları ve özellikleri anlamak için hayati önem taşıyabilecek biyolojik işlevlere dair içgörüler sunuyor.

GRCr8, sıçan genomunun yapısını iyileştirmenin ötesinde, genlerin nasıl işlev gördüğü ve birlikte çalıştığı hakkında değerli yeni bilgiler sağlar. Bilim insanları, genomun doğruluğunu kontrol etmek ve genlerin beyin, karaciğer ve üreme organları gibi vücudun farklı bölgelerinde nasıl davrandığını incelemek için özel teknikler kullandılar.

Makalenin baş yazarı ve İngiltere’den lisansüstü öğrencisi Kai Li, “Bu araç araştırmacıların yalnızca genleri bulmalarına değil, aynı zamanda ne yaptıklarını anlamalarına da yardımcı oluyor,” dedi. “Örneğin, Y kromozomu için haritalanmış dizi, bu derlemede önceki versiyona göre üç kat artırılmıştır, bu da doğurganlık ve üreme sağlığı araştırmalarına yardımcı olabilir.”

Genom haritasının doğru olduğundan emin olmak için bilim insanları gelişmiş bilgisayar araçları kullanarak testler yaptı ve eski versiyonlarla karşılaştırdı. Bu testler GRCr8’in son derece güvenilir ve eksiksiz olduğunu gösterdi ve bu da onu her yerdeki araştırmacılar için güvenilir bir kaynak haline getirdi.

Tıbbi ve tarımsal araştırmalar için çıkarımlar

Geliştirilmiş genom haritası, çeşitli hastalıkları inceleyen bilim insanları için sağlam bir temel sağlıyor. Genetik bozuklukları inceleyen araştırmacılar artık mutasyonları daha büyük bir kesinlikle belirleyebiliyor. Aynı zamanda, bağımlılık veya strese dayanıklılık gibi karmaşık özellikleri inceleyenler, altta yatan biyolojinin daha ayrıntılı bir görünümüne güvenebiliyor.

Kalbfleisch, yeni genomu genetik manzaralarda gezinmek için daha güvenilir bir rehbere benzetti.

“Örneğin, kardiyovasküler hastalıklar üzerine yapılan çalışmalar artık daha önce eksik olan genetik verileri bir araya getirerek belirli genlerin kalp fonksiyonunu nasıl etkilediğine dair anlayışı geliştirebilir,” dedi. “Benzer şekilde, bağımlılık veya sosyal etkileşimler üzerine yapılan davranışsal çalışmalar, altta yatan genetik ağlarını daha derinlemesine inceleyebilir.”

Genom dizileme ve birleştirme fiyatları düşmeye devam ederken, genom inşa etmek ve analiz etmek çok daha yaygın hale geliyor. Bu proje ve at ve diğer tarım hayvanlarında buna benzer diğer projelerle Kalbfleisch laboratuvarı, bir hayvanın genomunun tamamının sağlığını, refahını ve performansını nasıl desteklediğini anlamak için çalışan genetik bilim insanlarının öncülüğünü yapıyor.

Kalbfleisch laboratuvarı şu anda 12 at, bir zebra, eşek ve İran eşeği ırkı için bu yüksek kaliteli genomları oluşturmak için çalışıyor. Ayrıca sığır ve koyun da dahil olmak üzere 234 geviş getiren hayvan türü için de benzer bir çabaya katılıyor.

İleriye bakmak

GRCr8 önemli bir sıçramayı temsil etse de, çalışma henüz bitmedi. Kalbfleisch, araştırmacıların genomu daha da iyileştirmenin ve genişletmenin yollarını araştırdıklarını söyledi. Ultra uzun okuma dizilemesi gibi yeni dizileme teknolojileri daha da fazla ayrıntı sağlayabilir ve son derece karmaşık veya tekrarlayan bölgeleri birleştirmeyle ilgili kalan zorlukları çözebilir.

“Bu bir dönüm noktası, ancak daha geniş bir yolculuğun parçası,” dedi Kalbfleisch. “Bu araçları ne kadar geliştirirsek, sağlık ve hastalığın genetik temelini o kadar iyi anlayabiliriz; sadece sıçanlarda değil, insanlarda da.”

GRCr8 genomu artık herkese açık ve bilim insanlarının verilerini çalışmalarına dahil etmelerine olanak sağlıyor. Bu kaynak keşifleri yönlendirmeye devam ettikçe, araştırmacıların ilaç geliştirmeden hastalığın genetik kökenlerini anlamaya kadar her şeye yaklaşımını geliştirecek.

“Amacımız her zaman araştırmacıları mümkün olan en iyi araçlarla donatmak olmuştur,” dedi Kalbfleisch. “GRCr8 ileriye doğru atılmış bir adımdır ve bilim camiasının bununla neler başaracağını görmek için heyecanlıyız.”

Kaynak ve devamına Buradan ulaşabilirsiniz.