Фермент репарации ДНК вовлечён в развитие атаксии Фридрейха
Учёные из Исследовательского института Скриппса приблизились к пониманию причины атаксии Фридрейха — тяжёлого неврологического заболевания, поражающего десятки тысяч людей по всему миру и пока не имеющего лечения.
Известно, что болезнь возникает из-за "молчания" гена FXN, вызванного аномально расширенным участком ДНК внутри этого гена. Длина этого "триплетного повтора" определяет степень подавления гена и, следовательно, тяжесть заболевания. Эта длина также имеет тенденцию меняться при передаче от родителей-носителей к детям-пациентам. Однако причина этой генетической нестабильности оставалась неясной.
Создав модель болезни на основе стволовых клеток из клеток кожи пациентов, учёные нашли убедительные доказательства участия фермента репарации ДНК в расширении триплетного повтора FXN. Результаты предполагают, что расширение происходит из-за ошибочных попыток этого фермента восстановить то, что он распознаёт как повреждение ДНК.
"Мы знали, что при других болезнях расширения триплетных повторов, например, болезни Хантингтона, ферменты репарации ДНК как-то участвуют в генерации этого расширения, — сказал Джоэл М. Готтесфельд, старший автор исследования. — Но впервые это продемонстрировано для атаксии Фридрейха. Это также первая модель для изучения феномена расширения триплетного повтора в собственных генах пациентов".
Исследование опубликовано 5 ноября 2010 года в журнале Cell Stem Cell.
Новая модель даёт новые ключи
Атаксия Фридрейха — наиболее распространённая форма атаксии, состояния, при котором теряется координация мышечных движений. Дегенерация нервов возникает из-за отсутствия белка фратаксина, который в норме производится геном FXN.
В рабочей копии гена есть участок с паттерном трёх нуклеотидов ДНК — гуанин, аденин, аденин (GAA) — повторённый до ~20 раз. У пациентов этот участок повтора GAA сильно расширен и обычно содержит сотни повторов. Это расширение заставляет аппарат клеточного ядра "заглушить" ген, упаковывая его ДНК в более плотную форму, известную как гетерохроматин.
В исследовании учёные создали клеточную модель, воспроизводящую эту особенность болезни. Используя метод репрограммирования транскрипционными факторами, они превратили клетки кожи пациентов в стволовые клетки.
В стволовых клетках экспрессия FXN оставалась очень низкой. Но они также моделировали расширение повтора от поколения к поколению, наблюдаемое у пациентов. "При переходе от клеток кожи к стволовым клеткам, а затем по мере деления стволовых клеток в культуре, триплетные повторы внутри FXN становились длиннее", — пояснил первый автор Шерман Ку.
Роль фермента MSH2
В ходе экспериментов в клетках было обнаружено повышенное содержание гена MSH2, продукт которого является известным ферментом репарации ДНК. Также были найдены доказательства связывания этого фермента с геном FXN рядом с триплетными повторами.
"В заключительном эксперименте мы подавили экспрессию MSH2 в клетках с помощью РНК-интерференции и обнаружили, что расширение триплетного повтора частично останавливалось при делении клеток", — сказал Ку.
Исследование подтверждает общую гипотезу для болезней расширения триплетных повторов: "Идея в том, что эти повторы могут формировать необычные структуры ДНК, которые ферменты, такие как MSH2, ошибочно идентифицируют как неспаренную ДНК, — сказал Готтесфельд. — В ходе попыток восстановления они вызывают синтез и вставку дополнительных повторов в ген".
Разработка лекарства, останавливающего MSH2, не является вариантом, так как потеря части способности к репарации ДНК может ухудшить здоровье. Мутации в гене MSH2 уже известны как причина наследственной формы колоректального рака.
Однако новая модель на стволовых клетках, по словам Готтесфельда, в перспективе позволит составить более детальную картину процесса расширения повтора и глушения гена, что должно помочь в разработке оптимальных терапий.