Генетический скрининг предлагает новые лекарственные мишени для болезни Хантингтона

Адъюнкт-профессор кафедры нейробиологии MIT, научный сотрудник Института обучения и памяти Пикоуэра Массачусетского технологического института (MIT's Picower Institute for Learning and Memory) и Института Бродов Массачусетского технологического института и Гарварда (Broad Institute of MIT et Harvard) Мириам Хейман.

Полномасштабный генетический скрининг, ранее неприменимый к мозгу млекопитающих, позволил нейробиологам из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) идентифицировать сотни генов, необходимых для выживания нейронов и защищающих от токсического воздействия мутантного белка, вызывающего болезнь Хантингтона.

Эти усилия позволили обозначить по крайней мере одну перспективную лекарственную мишень для лечения болезни Хантингтона: семейство генов, обычно помогающих клеткам разрушить мутировавший белок хантингтин, прежде чем он сможет агрегировать и образовать скопления, наблюдаемые в мозге пациентов с болезнью Хантингтона.

"Эти гены никогда раньше не связывались с процессами болезни Хантингтона. Их обнаружение очень интересно, потому что фактически мы нашли не один, а несколько генов одного семейства, а также увидели, каково их влияние на двух моделях болезни Хантингтона", - говорит руководитель исследования адъюнкт-профессор кафедры нейробиологии Мириам Хейман (Myriam Heiman), PhD.

Новая методика скрининга, позволившая ученым оценить все из примерно 22000 генов, обнаруженных в мозге мыши, может быть применена и к другим неврологическим заболеваниям, включая болезни Альцгеймера и Паркинсона.

Полногеномный скрининг

Скрининг, целью которого является изучение влияния систематического нокаута отдельных генов на выживаемость клеток, используется уже в течение многих десятилетий. Он проводился на модельных организмах, таких как мыши, плодовые мухи и червь C. elegans, но никогда на мышином мозге. Одной из причин этого является особая сложность доставки в мозг необходимой для таких генетических манипуляций молекулярной машинерии.

"Такой объективный генетический скрининг - очень мощный инстумент, но технические трудности его проведения в центральной нервной системе в масштабах всего генома никогда не были преодолены", - объясняет профессор Хейман.

За последние годы ученые из Института Бродов (Broad Institute) создали библиотеки генетического материала, которые можно использовать для полного подавления экспрессии любого гена в геноме мыши. Одна из этих библиотек основана на короткой шпилечной РНК (shRNA, шРНК), взаимодействующей с информационной РНК, несущей определенную информацию о гене. В другой используется CRISPR, метод, который позволяет нарушать структуру или удалять определенные гены. Эти библиотеки доставляются вирусами, каждый из которых несет один элемент, нацеленный на один ген.

Библиотеки были спроектированы таким образом, чтобы каждый из примерно 22000 генов мыши становился мишенью четырех-пяти shRNAs или компонентов CRISPR, то есть, чтобы все гены были поражены хотя бы один раз, в мозг должны проникнуть от 80000 до 100000 вирусов. Профессор Хейман и ее коллеги из MIT нашли способ получения высококонцентрированного раствора вирусов и его введения прямо в полосатое тело. Используя этот подход, они смогли доставить один из элементов shRNA или CRISPR примерно в 25 процентов всех клеток стриатума.

Исследователи сосредоточились на стриатуме, участвующем в регуляции движений, когнитивной деятельности и контроле над эмоциями, потому что при болезни Хантингтона именно эта область мозга поражается в наибольшей степени. Она непосредственно связана и с болезнью Паркинсона, а также с аутизмом и наркоманией. Примерно через семь месяцев после инъекции исследователи секвенировали всю геномную ДНК нейронов стриатума. Их подход основан на идее, что, если определенные гены необходимы для выживания нейронов, то все клетки умрут, если эти гены будут нокаутированы. В таком случае в данной популяции клеток уровень этих shRNAs или элементов CRISPR окажется более низким.

Исследование выявило множество генов, необходимых для выживания любой клетки, таких как гены, кодирующие ферменты, участвующие в клеточном метаболизме или в копировании ДНК в РНК, а также гены, которые были определены в предыдущих исследованиях, проводившихся на плодовых мухах и червях, как важные для функции нейронов (в частности, вовлеченные в функцию синапсов - структур, позволяющих нейронам общаться друг с другом).

Однако главный результат этого исследования - идентификация генов, которые раньше не связывались с выживанием нейронов. Многие из этих генов кодируют метаболические белки, необходимые клеткам с высоким потреблением энергии.

"По нашему мнению, это означает, что нейроны в мозге млекопитающих гораздо более метаболически активны и имеют гораздо большую зависимость от этих процессов, чем, например, нейроны C. elegans", - комментирует профессор Хейман.

Перспективные мишени

Ученые провели один и тот же тип скрининга на двух разных мышиных моделях болезни Хантингтона (в этих моделях экспрессируется мутантная форма белка хантингтина, образующего скопления в мозге больных с этим заболеванием), а затем сравнили результат скрининга мышей с болезнью Хантингтона и здоровых мышей. Если какая-либо из шРНК или какой-либо из элементов CRISPR идентифицируется менее часто у мышей с болезнью Хантингтона, это предполагает, что их мишенями являются гены, делающие клетки более резистентными к токсическому воздействию белка хантингтина.

Одна из перспектиных фармакологических мишеней, выявленных в результате этих скринингов, - семейство генов Nme, которое ранее связывалось с раковым метастазированием, но никогда с болезнью Хантингтона. Как показало исследование, один из этих генов, Nme1, регулирует экспрессию других генов, участвующих в правильной утилизации белков. Ученые выдвинули гипотезу, что без Nme1 эти гены активируются недостаточно сильно, позволяя хантингтину накапливаться в мозге, и продемонстрировали, что гиперэкспрессия Nme1 у мышей ослабляет симптомы болезни Хантингтона.

Попытки создать таргетирующие ген Nme1 соединения уже предпринимались ранее для применения в лечении рака.

"Для нас это очень интересно, потому что теоретически это лекарственное соединение", - комментирует эти разработки профессор Хейман . "Если с помощью малой молекулы удастся повысить его активность, мы, возможно, воспроизведем эффект генетической суперэкспрессии".

По материалам

Genetic screen offers new drug targets for Huntington's disease

Оригинальная статья:

Mary H. Wertz, Mollie R. Mitchem, S. Sebastian Pineda, Lea J. Hachigian, Hyeseung Lee, Vanessa Lau, Alex Powers, Ruth Kulicke, Gurrein K. Madan, Medina Colic, Martine Therrien, Amanda Vernon, Victoria F. Beja-Glasser, Mudra Hegde, Fan Gao, Manolis Kellis, Traver Hart, John G. Doench, Myriam Heiman. Genome-wide In Vivo CNS Screening Identifies Genes that Modify CNS Neuronal Survival and mHTT Toxicity