Új eredmények a fragilis X-szindróma terápiájában

A Cell folyóiratban december 21-én jelent meg a University of Pennsylvania, Perelman School of Medicine kutatóinak cikke, amelyben egy különös molekuláris mintázatot és több hibás génváltozatot tártak fel a Martin-Bell betegségnek is nevezett fragilis X-szindrómában (FXS; fragile X syndrome). Ez a genetikai rendellenesség a Down-szindróma után a veleszületett értelmi fogyatékosság második leggyakoribb oka, becslések szerint 7000-ből 1 fiút és 11000-ből 1 lányt érint (Magyarországon évente kb. 45 fiú és 25 lány születik ezzel a kórképpel). A szindróma oka, hogy az X kromoszómán egy olyan trinukleotid szakasz található, amely normális esetben legfeljebb 30-40-szer ismétlődik, ám a további ismétlődések instabillá, törékennyé teszik a kromoszómát. Az ilyen betegséggel világra jött újszülöttek arcának felépítése jellegzetes – a fej általában hosszúkás formájú, a fülek nagyok és elállnak, az ajkak vastagok. Az életkor előrehaladtával nyilvánvalóvá válnak az egyéb rendellenességek is. Kisgyermekkorban a beszédfejlődés elmaradása a szembetűnő, később pedig a tanulási nehézségek, a figyelemzavar kerülnek előtérbe. Gyakran minden indok nélkül agresszíven, erőszakosan reagálnak az őket ért ingerekre. A fragilis X szindrómával született gyermekek felnőtt korukban is sérülékenyebbek, gyakoribb körükben a hangulatzavar, szorongás, depresszió, visszahúzódó életforma. Az iskolában az olvasás és írás tanulása is nehezen megy, de a matematikai képességeik is elmaradnak a kortársaiktól. A beteg gyerek gyakran hadar. Az értelmi fogyatékosság mértéke eltérő lehet, de intelligenciaszintjük átlagosan 35-45 közötti. A hordozó lányoknál sokszor enyhébb az értelmi fogyatékosság és a viselkedészavar, viszont náluk gyakran későbbi életkorban jelentkeznek a betegség tünetei, de nem a férfiaknál „megszokott” formában – esetükben az X kromoszómához kötődő petefészek-elégtelenség vagy tremor és ataxia szindróma jelentkezik.

A mostani vizsgálatban a kutatók betegek által adományozott sejteket és agyszövetet használtak fel. Sikerült kimutatniuk, hogy a rendellenesen ismétlődő szakasz hosszának egyszerű szerkesztésével több kromoszómán is helyreállítható a csendesített gének működése, ami komoly áttörést jelenthet a Martin-Bell betegség terápiájában.

“Eredményeink jelentős hatással lehetnek a fragilis X-szindróma jövőbeli kezelési stratégiáinak kidolgozására, valamint ezen túlmutató következményeik is elképzelhetők: rávilágítanak a genom instabilitásához hozzájáruló olyan lehetséges mechanizmusokra, amelyek más betegségek hátterében is meghúzódhatnak” - nyilatkozta a tanulmány egyik szerzője, Dr. Linda Zhou. A vezető szerző, Jennifer Phillips-Cremins szerint eredetileg azért kezdték el a vizsgálatot, hogy az örökletes értelmi fogyatékosság egyik leggyakoribb formájának kiváltó okait alaposabban feltérképezzék. A tankönyvi modellek a betegséget egyetlen gén, az FMR1 csendesítésének és az FMR1 által kódolt fehérje, a fragilis X messenger ribonukleoprotein (FMRP) elvesztésének tulajdonítják. Széles körben úgy vélik, hogy az FMRP elvesztése az agyban lévő neuronok közötti szinapszisok működésének súlyos zavarát okozza, valamint a neuronok sejtmagjaiban génexpressziós zavarokat is okoz. Az FXS jelenleg elterjedt modellje azonban olyan transzgénikus egérrel végzett vizsgálatokon alapul, amelyekben az FMR1 gént kiütötték. Ebből az egérmodellből viszont hiányzik az FXS kulcsfontosságú genetikai mozgatórugója: az a “repetitív expanziónak” nevezett mutáció, amely akkor következik be, amikor egy két vagy több nukleotidból álló DNS-szekvencia hosszú ismétlődése instabillá és abnormálisan hosszúvá válik.

Az FXS esetében ez a trinukleotid szekvencia (CGG, citozin-citozin-guanin) az FMR1 gén egyik végén jelenik meg. Míg az FMR1 normális változata legfeljebb 30-40, gyakran még kevesebb CGG-tripletet tartalmaz az ismétlődő szakaszon, addig az FXS-betegnél 200 vagy annál több triplet található. A rendellenesség védekező választ vált ki a sejtből, amelynek következménye az FMR1 gén csendesítése és az FMRP molekula hiánya lesz.

A kutatócsoport fejlett szekvenálási és képalkotó technikák egész sorát alkalmazta a CGG repetitív expanzióját mutató emberi sejtvonalakon és agyszöveten, hogy végül a genom zavarának meglepő új mintázatait tárja fel. A kutatók felfedezték, hogy az FXS-es betegek mintáiban több kromoszóma nagy kiterjedésű szakaszainál - köztük a CGG ismétlődő szakasz - is megtalálható a csendesítő heterokromatin. Ezeket a heterokromatin “doméneket” a BREACH névre, betűszóra keresztelték el (Beacons of Repeat Expansion Anchoring Contacting Heterochromatin).

A BREACH-ek fizikailag érintkező klaszterekbe tömörülnek a sejtmagban, és csendesítik a neuronok szinaptikus kapcsolataiban részt vevő géneket, valamint a kötőszövetek, például a bőr és az ízületek épségével asszociálható géneket is. A klinikumban a szinapszisok és a kötőszövet károsodását figyelték meg FXS betegeknél, ezért a BREACH-ek azonosítása hatékony eszköz lehet az FMR1-en túlmenően potenciálisan fontos, megzavart működésű (vagy csendesített) gének felkutatására.

A kutatók azt is tesztelték, hogy az ismétlődés közvetlenül is kapcsolatba hozható-e a BREACH-ekkel. Ennek vizsgálatához CRISPR-Cas génszerkesztési technológiával a CGG ismétlődő szakaszt a normálisnál valamivel hosszabb, de FXS-t még nem okozó hosszúságúra vágták le.

“Amikor a CGG-t egy rövidebb, premutációnak nevezett hosszúságúra vágtuk vissza (100-190 triplet), azt figyeltük meg, hogy a csendesítő heterokromatin nagy kiterjedésű foltjai közül sok eltűnt, és több kromoszóma térben elszakadt az FMR1-től” - fejtette ki Ken Chandradoss és Ravi Boya, a tanulmány társszerzői. Sikerült kimutatni, hogy az FXS során a BREACH-ek által elnémított gének a CRISPR-rel lerövidített CGG ismétlődés következtében újra képesek voltak expresszálódni az FXS sejtekben.

“Fő megállapításunk, hogy az ismétlődések génszerkesztése önmagában potenciálisan terápiás megközelítésként használható több kulcsfontosságú gén genomszintű csendesítésének visszafordítására, azaz ismét működésbe hozhatók azok a gének, amelyek csendesítése hozzájárul az FXS klinikai manifesztációihoz” - nyilatkozta Thomas Malachowski, a vizsgálat első szerzője.

A jövőbeni FXS-kezelések során tehát nem csak az FMR1, hanem a mostani tanulmányban azonosított többi, csendesített gén funkciójának visszanyerését is vizsgálni lehetne. A kutatók azonban megjegyezték, hogy ennél még ambiciózusabb stratégia lenne a túl hosszú CGG-ismétlődés visszavágása a fejlődés egy meghatározott időpontjában, hogy megelőzzék vagy legalábbis visszafordítsák a heterokromatin csendesítő hatásának megjelenését.

A mostani eredmények potenciálisan hatással lehetnek más betegségek kezelésére is, például a Huntington-kórra és az amiotrófiás laterálszklerózisra (ALS vagy Lou Gehrig-kór), amelyek szintén az ismétlődő génszakaszok okozta rendellenességek szélesebb osztályának tagjai, mint az FXS, és ezekről is úgy gondolják, hogy a DNS egyetlen ismétlődő szakaszának mutációja okozhatja őket.

Phillips-Cremins azt is kifejtette, hogy a kutatócsoport a BREACH-eket a genom instabilitásának más humán sejtmodelljeiben is megfigyelte, többek között olyan sejtvonalakban, amelyek daganatos betegségekben előforduló mutációkat vagy laboratóriumban előidézett mesterséges DNS-szakadást tartalmaztak.

“Eredményeink azt sugallják, hogy a közeljövőben a BREACH-eknek a géncsendesítésre gyakorolt hatásáról többet fogunk megtudni, ami igen jelentős változásokat jelenthet más genom-instabilitással járó betegségek kezelésében, köztük bizonyos rákos megbetegedések terápiájában és génszakasz-ismétlődéssel járó kórképekben” - nyilatkozta Phillips-Cremins.

Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:

Researchers uncover unexpected molecular pattern in fragile X syndrome

Spatially coordinated heterochromatinization of long synaptic genes in fragile X syndrome

Irodalmi hivatkozás:

Thomas Malachowski et al, Spatially coordinated heterochromatinization of long synaptic genes in fragile X syndrome, Cell (2023). DOI: 10.1016/j.cell.2023.11.019