Zagadka plasawicy Huntngtona, Neurobiologia
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Zagadka
Choç gen odpowiedzialny za plàsawic´ Huntingtona odkryto
ju˝ 10 lat temu, to nadal nie wiadomo,
w jaki sposób przyczynia si´ on do rozwoju choroby
plàsawicy Huntingtona
E
LENA
C
ATTANEO
, D
OROTEA
R
IGAMONTI I
C
HIARA
Z
UCCATO
ierwszym objawem schorzenia sà zazwy-
czaj niezwyk∏e grymasy twarzy. Nast´p-
nie pojawiajà si´ narastajàce roztargnie-
nie oraz ruchy mimowolne, szczególnie
nasilajàce si´ pod wp∏ywem fizycznego
lub emocjonalnego stresu. Z czasem wy-
st´pujà coraz cz´Êciej, uniemo˝liwiajàc
choremu normalne funkcjonowanie. Przypominajà dziwaczny taniec (stàd
polska nazwa choroby – plàsawica) i mogà byç mylone ze stanem upojenia
alkoholowego. Osoby dotkni´te chorobà nie sà w stanie wykonywaç codzien-
nych czynnoÊci i wykazujà upoÊledzenie funkcji intelektualnych, takich jak
planowanie w∏asnych dzia∏aƒ. W póênych stadiach choroby wyst´pujà de-
presja i zachowania agresywne, a w najci´˝szych przypadkach – ot´pienie
i objawy psychotyczne. Zaburzenia te powodujà, ˝e zdrowy i aktywny do
niedawna cz∏owiek staje si´ przykutym do ∏ó˝ka niepe∏nosprawnym.
Takie sà tragiczne skutki plàsawicy Huntingtona – dziedzicznej choroby,
na którà osoby obcià˝one zapadajà w kwiecie wieku, po trzydziestym lub
czterdziestym roku ˝ycia. Dotàd nie ma skutecznych metod jej leczenia. Roz-
wija si´ powoli, prowadzàc nieuchronnie do zniedo∏´˝nienia i Êmierci po
15–20 latach od pojawienia si´ pierwszych objawów. Chocia˝ plàsawica
Huntingtona jest schorzeniem oÊrodkowego uk∏adu nerwowego, wi´kszoÊç
pacjentów umiera z powodu powik∏aƒ sercowo-naczyniowych i p∏ucnych
(co jest skutkiem unieruchomienia w ∏ó˝ku) lub z powodu urazów g∏owy
odnoszonych podczas cz´stych upadków.
Gen odpowiedzialny za t´ chorob´ zosta∏ zidentyfikowany w 1993 roku
przez mi´dzynarodowy zespó∏ 58 naukowców, wÊród których byli James F.
NA PLÑSAWIC¢ HUNTINGTONA
zapadajà zazwyczaj osoby
w Êrednim wieku. Choroba ta
powoduje ruchy mimowolne
przypominajàce dziwaczny
taniec, pogorszenie funkcji
intelektualnych i zm´czenie
psychiczne, co wy∏àcza chorego
z normalnego ˝ycia. U jej
pod∏o˝a le˝y nadmierne
zwielokrotnienie sekwencji
cytozyna-adenina-guanina (CAG)
w jednym z genów.
LUTY 2003
ÂWIAT NAUKI
43
P
Gusella z Massachusetts General Hospital i Francis S. Col-
lins z University of Michigan w Ann Arbor. Wkrótce potem
opracowano testy genetyczne umo˝liwiajàce osobom z ro-
dzin dotkni´tych chorobà sprawdzenie, czy sà nosicielami
zmutowanego genu. Poniewa˝ ma on charakter dominujàcy,
u jego posiadaczy zawsze rozwija si´ plàsawica. U potom-
stwa nosiciela zmutowanego genu wyst´puje 50-procentowe
ryzyko jego odziedziczenia, a w nast´pstwie – zachorowania.
Niektórzy decydujà si´ na wykonanie testu, aby lepiej zapla-
nowaç swà przysz∏oÊç, inni wolà ˝yç w niewiedzy.
Naukowcy nie ustajà w badaniach mechanizmów powsta-
wania plàsawicy Huntingtona i w poszukiwaniu sposobów
jej leczenia [patrz:
PANORAMA
„Lek na plàsawic´?”, s. 19].
To daje nadziej´ rodzinom, których bliscy dotkni´ci sà tà nie-
uleczalnà dotàd chorobà. Z naszych prac wynika, ˝e zmuto-
wany gen wywo∏uje jà co najmniej na dwa sposoby. Kodowa-
ne przez niego nieprawid∏owe bia∏ko nie tylko wywiera
toksyczny wp∏yw na komórki nerwowe, ale hamuje tak˝e wy-
twarzanie w pewnej cz´Êci mózgu podstawowego dla jego
funkcjonowania czynnika wzrostu. Z badaƒ na zwierz´tach,
a tak˝e pierwszych prób klinicznych wynika, ˝e podawanie
czynników wzrostu ma na chorych korzystny wp∏yw. Jednak
mechanizmy rozwoju plàsawicy Huntingtona sà niezwykle
skomplikowane, stàd potrzeba dalszych badaƒ.
KORA
MÓZGOWA
KOMORA
BOCZNA
PRÑ˚KOWIE
Od Huntingtona do
huntingtyny
PLÑSAWICA HUNTINGTONA
wzi´∏a nazw´ od nazwiska lekarza
George’a Huntingtona z Ohio. W 1872 roku opisa∏ on szcze-
gó∏owo niezwyk∏à chorob´ dziedzicznà, którà wraz ze swoim
ojcem, równie˝ doktorem, zaobserwowa∏ u pewnej rodziny
z Long Island w stanie Nowy Jork. Ze wzgl´du na nieskoor-
dynowane i groteskowe ruchy wykonywane przez pacjentów
nazwa∏ jà chorea, od greckiego wyrazu „choros”, czyli taniec.
Obecnie plàsawica Huntingtona jest jednà z najcz´stszych
chorób genetycznych mózgu, wyst´pujàcà mniej wi´cej u jed-
nej osoby na 10 tys.
Jej objawy to wynik zwyrodnienia komórek nerwowych
prà˝kowia, cz´Êci mózgu wchodzàcej w sk∏ad struktury zwa-
nej zwojami podstawy [
ilustracja z prawej
]. Neurony prà˝ko-
wia blokujà pobudzenia w obszarach ruchowych kory mó-
zgowej. Gdy ginà, jest ona nadmiernie stymulowana, wskutek
czego pojawiajà si´ ruchy mimowolne (zwane plàsawiczy-
mi). Dotàd nie wiadomo, w jaki sposób uszkodzenie komó-
rek nerwowych prà˝kowia przyczynia si´ do wystàpienia ob-
serwowanych równie˝ w tej chorobie zaburzeƒ psychicznych.
Zmutowany gen odpowiedzialny za plàsawic´ Hunting-
tona,zwany
huntingtynà
, znajduje si´ w koƒcowym odcin-
ku chromosomu 4. Geny sà fragmentami dwuniciowej heli-
sy DNA, kodujàcymi informacje o budowie bia∏ek za pomocà
ró˝nych kombinacji podstawowych jednostek (nukleoty-
dów),w sk∏ad których wchodzà zasady purynowe i pirymidy-
nowe: adenina (A), guanina (G), cytozyna (C) i tymina (T).
¸àczà si´ one parami, tworzàc szczeble spiralnej drabiny
DNA. Adenina tworzy po∏àczenie z tyminà, a cytozyna z gu-
aninà. Gdy komórka potrzebuje nowych bia∏ek, helisa DNA
si´ prostuje,szczeble rozszczepiajà, a odpowiedni aparat ko-
mórkowy odczytuje kod i dokonuje syntezy. Ka˝da trójka za-
sad odpowiada jednemu z 20 aminokwasów, które po∏àczo-
ne ze sobà w rozmaitych zestawieniach tworzà miliony
odr´bnych bia∏ek.
Naukowcy odkryli, ˝e nawet u zdrowych osób gen
hunting-
tyna
zawiera od 9 do 35 powtarzajàcych si´ trójnukleotydowych
sekwencji CAG (niewykluczone, ˝e tego typu powtórzenia wy-
st´pujà w wielu genach i majà zwiàzek z chorobami zwyrod-
nieniowymi uk∏adu nerwowego). U osób cierpiàcych na plàsa-
wic´ Huntingtona mo˝e ich byç nawet 250. Wykazano, ˝e im
wi´cej powtórzeƒ, tym wczeÊniej pojawiajà si´ pierwsze obja-
wy choroby. Nie wiadomo jednak, dlaczego w rodzinach nià
dotkni´tych istnieje tendencja do zwi´kszania si´ liczby po-
wtórzeƒ sekwencji CAG z pokolenia na pokolenie. Zdarza si´
to cz´Êciej, gdy zmutowany gen pochodzi od ojca.
Przeglàd /
Plàsawica Huntingtona
n
Plàsawica Huntingtona jest dziedzicznà chorobà, prowadzàcà
do zniedo∏´˝nienia i ot´pienia w Êrednim wieku. Powoduje jà
mutacja genu
huntingtyna
zlokalizowanego na chromosomie 4.
n
Opracowano testy genetyczne wykrywajàce chorob´, nie ma
jednak skutecznych metod jej leczenia.
n
Chorzy na plàsawic´ Huntingtona majà zwielokrotnionà sekwen-
cj´ trójki nukleotydowej CAG w obr´bie genu
huntingtyna
,
co prowadzi do powstawania zmienionej wskutek tej mutacji
postaci bia∏ka, huntingtyny, zawierajàcego kilkadziesiàt powtórzeƒ
glutaminy, jednego z aminokwasów.
n
Uwa˝a si´, ˝e zmutowana huntingtyna jest toksyczna
dla najwa˝niejszych komórek nerwowych. Nie pobudza równie˝
genów kodujàcych wytwarzanie niezb´dnych czynników wzrostu.
Hipotezy i znaki zapytania
TRÓJNUKLEOTYDOWA SEKWENCJA CAG
koduje aminokwas glutami-
n´, oznaczany symbolem Q. Osoby ze zmutowanà kopià ge-
nu
huntingtyna
wytwarzajà bia∏ko huntingtyn´ zawierajàce
∏aƒcuch z∏o˝ony z co najmniej 36 tych aminokwasów. Ale dla-
czego ich nadmiar powoduje chorob´?
Najprostsze wyt∏umaczenie to takie, ˝e d∏ugi odcinek poli-
glutaminowy w czàsteczce huntingtyny uniemo˝liwia jej pra-
44
ÂWIAT NAUKI
LUTY 2003
USZKODZENIE MÓZGU w przypadku plàsawicy Huntingtona
dotyczy g∏ównie prà˝kowia, struktury po∏o˝onej w obszarach
podkorowych i b´dàcej cz´Êcià zwojów podstawy. Prà˝kowie
ma prawid∏owy wyglàd i obj´toÊç u osób zmar∏ych z innych przyczyn
(
z lewej
), natomiast u chorych na plàsawic´ wyraênie widoczny
jest jego zanik (
z prawej
).
niszczenie nieprawid∏owych i toksycznych protein) nie potra-
fià sobie z nimi poradziç z powodu ich nieprawid∏owej konfor-
macji. W rezultacie dochodzi do nagromadzenia si´ hunting-
tyny i Êmierci komórek. Hipoteza „nabycia nowej funkcji przez
bia∏ko” nie t∏umaczy jednak, dlaczego proces ten nie dotyczy
innych regionów mózgu, a jedynie prà˝kowia.
Wed∏ug innej teorii, tworzenie si´ z∏ogów chroni komór-
k´ przed toksycznym dzia∏aniem ∏aƒcuchów glutaminowych.
Wydaje si´, ˝e poznanie roli tych z∏ogów mo˝e byç kluczem
do wyjaÊnienia patogenezy plàsawicy Huntingtona. Wynalezie-
nie metody ich rozk∏adania lub zapobiegania odk∏adaniu si´
doprowadzi∏oby do wytworzenia nowych leków. Wanker i je-
go wspó∏pracownicy opracowali ostatnio test laboratoryjny,
pozwalajàcy na identyfikacj´ substancji zapobiegajàcych two-
rzeniu si´ z∏ogów zmutowanej huntingtyny.
Celem prowadzonych obecnie badaƒ jest równie˝ wykrycie
bia∏ek, potencjalnie reagujàcych z huntingtynà, których eks-
presja w prà˝kowiu jest najsilniejsza, mogà bowiem przyczy-
niaç si´ do wzrostu toksycznoÊci z∏ogów. Zidentyfikowano
dotàd trzy grupy takich bia∏ek, nie potwierdzono jednak ich
wp∏ywu na toksycznoÊç zmutowanej huntingtyny ani nie wy-
jaÊniono, dlaczego w przypadku plàsawicy Huntingtona ginà
wy∏àcznie neurony prà˝kowia.
wid∏owe funkcjonowanie. Hipotez´ t´ poczàtkowo odrzuco-
no, gdy˝ wst´pne badania wykaza∏y, ˝e bia∏ko to powstaje nie
tylko w prà˝kowiu – obszarze dotkni´tym chorobà – ale rów-
nie˝ w innych cz´Êciach mózgu, które nie zostajà uszkodzo-
ne w przebiegu plàsawicy Huntingtona. Ponadto u ka˝dego
cz∏owieka wyst´pujà dwie kopie ka˝dego genu – po jednej od
matki i ojca – a wi´c osoby chore równie˝ powinny mieç jed-
nà prawid∏owà kopi´
huntingtyny
, co wystarczy∏oby do syn-
tezy odpowiedniej iloÊci prawid∏owego bia∏ka. Tak dzieje si´
w rzadkim zespole Wolfa zwiàzanym z delecjà w obr´bie chro-
mosomu 4. Obejmuje ona równie˝
huntingtyn´
, a mimo to
chorzy nie majà objawów plàsawicy.
Wed∏ug innej hipotezy, okreÊlanej jako „nabycie przez bia∏-
ko nowej funkcji”, mutacja odpowiedzialna za wystàpienie
plàsawicy powoduje powstanie toksycznej formy huntingty-
ny. D∏ugi ∏aƒcuch poliglutaminowy zmienia konformacj´ czà-
steczki tego bia∏ka, umo˝liwiajàc mu wiàzanie si´ z kilkoma
innymi bia∏kami, zw∏aszcza z prawid∏owà huntingtynà, co
powoduje upoÊledzenie jej funkcji. T∏umaczy∏oby to, dlacze-
go plàsawic´ Huntingtona dziedziczy si´ w sposób dominu-
jàcy. Max F. Perutz z Medical Research Council’s Laboratory
of Molecular Biology w Cambridge w Wielkiej Brytanii i jego
wspó∏pracownicy stwierdzili, ˝e reszta poliglutaminowa zmu-
towanej czàsteczki huntingtyny tworzy struktur´ o konfor-
macji β-fa∏dowej, która dzia∏a jak klej ∏àczàcy poszczególne
bia∏ka. Erich F. Wanker z Max Delbrück Center for Molecu-
lar Medicine w Berlinie, Gillian P. Bates z Guy’s Hospital
w Londynie oraz Marian DiFiglia z Massachusetts General
Hospital i ich wspó∏pracownicy wykryli z∏ogi zmutowanej
huntingtyny w mózgach myszy ze zwierz´cym modelem plà-
sawicy Huntingtona oraz w prà˝kowiu i korze mózgowej osób
zmar∏ych wskutek tej choroby.
Jednak wcià˝ nie wyjaÊniono, w jaki sposób neurony uszka-
dzane sà przez z∏ogi zmutowanego bia∏ka. Wed∏ug jednej z hi-
potez, proteasomy (struktury komórkowe odpowiedzialne za
˚yciodajny czynnik
CHC
Ñ
C ROZWIK
¸
A
å
t´ zagadk´, badaliÊmy wraz z innymi na-
ukowcami, m.in. ze Scottem Zeitlinem z Columbia Universi-
ty, rol´ prawid∏owej huntingtyny. Na poczàtku ocenialiÊmy
skutek wstawienia dodatkowej kopii prawid∏owego lub zmu-
towanego genu
huntingtyna
do komórek nerwowych hodo-
wanych w kulturze tkankowej. W 2000 roku wykazaliÊmy, ˝e
komórki wytwarzajàce dostatecznie du˝o prawid∏owej hun-
tingtyny mogà przetrwaç mimo braku czynnika wzrostu lub
w innych warunkach, w których zazwyczaj dosz∏oby do ich ob-
umarcia. Co wi´cej, utrzymywa∏a ona neurony przy ˝yciu,
hamujàc kaskad´ procesów komórkowych prowadzàcych do
apoptozy, czyli zaprogramowanej Êmierci komórki. Wysun´-
liÊmy zatem hipotez´, ˝e prawid∏owa huntingtyna jest bia∏-
kiem przed∏u˝ajàcym ˝ycie komórek nerwowych.
Badania Zeitlina i jego wspó∏pracowników potwierdzi∏y t´
hipotez´. Wyhodowali oni taki szczep myszy, ˝e obie kopie
genu
huntingtyna
mog∏y byç u osobników doros∏ych wy∏à-
czane. Jego inaktywacja blokowa∏a wytwarzanie huntingtyny,
ELENA CATTANEO, DOROTEA RIGAMONTI I CHIARA ZUCCATO
pracujà na Wydziale Farmakologii oraz w Centrum Chorób Neuro-
degeneracyjnych w Universita degli Studi di Milano we W∏oszech.
Cattaneo, profesor biotechnologii farmaceutycznej, zajmuje si´ wy-
korzystaniem komórek macierzystych w leczeniu chorób zwyrod-
nieniowych uk∏adu nerwowego, takich jak plàsawica Huntingtona.
Od 1995 roku wspó∏pracuje z Coalition for the Cure, mi´dzynaro-
dowym konsorcjum badawczym powsta∏ym z inicjatywy Hunting-
ton’s Disease Society of America oraz z Cure HD Initiative, sponso-
rowanym przez Hereditary Disease Foundation. Od 1996 roku
uczestniczy tak˝e w badaniach prowadzonych przez w∏oskà Tele-
thon Fondazione. Otrzyma∏a zaszczytne nagrody, m.in. medal od
prezydenta W∏och, Carlo Azeglio Ciampi, za prace nad komórkami
macierzystymi i chorobà Huntingtona. Rigamonti i Zuccato sà
adiunktami w pracowni Cattaneo. Obie uzyska∏y tytu∏ doktora
w 1988 roku – Rigamonti w Universita degli Studi di Milano, a
Zuccato w Universita degli Studi dell’Insubria w Varese.
LUTY 2003
ÂWIAT NAUKI
45
powodujàc w nast´pstwie ci´˝kie uszkodzenie mózgu. Za-
przestanie produkcji tego bia∏ka w ró˝nych okresach ˝ycia
myszy prowadzi∏o do Êmierci neuronów wskutek apoptozy.
Badacze wykazali ponadto, ˝e gryzonie pozbawione hunting-
tyny mia∏y podobne objawy neurologiczne jak osobniki wytwa-
rzajàce nieprawid∏owà postaç tego bia∏ka. Wynika∏oby z tego,
˝e przyczynà choroby jest zarówno brak prawid∏owej hun-
tingtyny, jak i obecnoÊç w mózgu jej zmutowanej formy.
Wyniki badaƒ na myszach nie t∏umaczà jednak, dlaczego
w plàsawicy Huntingtona dochodzi wybiórczo do uszkodze-
nia neuronów prà˝kowia. By to wyjaÊniç, zacz´to badaç zwià-
zek mi´dzy huntingtynà a mózgopochodnym czynnikiem neu-
rotroficznym (BDNF – brain-derived neurotrophic factor),
który jest g∏ównym czynnikiem wzrostu odpowiedzialnym za
rozwój i funkcjonowanie komórek nerwowych tej struktury
mózgu. BDNF jest wytwarzany w cz´Êci przyjàdrowej (cie-
MOLEKULARNE POD¸O˚E PLÑSAWICY
WIELE TEORII próbuje t∏umaczyç powstawanie tej choroby.
Gen za nià odpowiedzialny,
huntingtyna
, zlokalizowany jest
na koƒcowym odcinku chromosomu 4. Prawid∏owy zawiera 9–35
powtarzajàcych si´ sekwencji cytozyna-adenina-guanina (CAG).
U osób z plàsawicà Huntingtona liczba tych powtórzeƒ
wzrasta do 40–60. Kiedy gen
huntingtyna
ulega ekspresji,
jego sekwencja przepisywana jest na informacyjny RNA (mRNA),
który warunkuje rozpocz´cie dalszych etapów powstawania
bia∏ka: uruchomienie transportowego RNA (tRNA)
i rybosomów do syntezy huntingtyny na drodze kolejnego
przy∏àczania do powstajàcej czàsteczki odpowiednich
aminokwasów. Poniewa˝ sekwencja CAG koduje
aminokwas glutamin´, zmieniona wskutek mutacji
huntingtyna zawiera d∏ugi odcinek poliglutaminowy.
Mo˝e on spowodowaç chorob´ wskutek uszkodzenia
tego bia∏ka (teoria utraty funkcji) albo zwiàzania
i inaktywacji jego prawid∏owej postaci lub innych protein
(teoria nabycia nowej funkcji). Tworzàce si´ z∏ogi bia∏ek
sà toksyczne dla mózgu. Niewykluczone, ˝e przyczynà
plàsawicy sà oba te procesy.
DNA
Gen
huntingtyna
Zmutowane
bia∏ko
huntingtyna
¸aƒcuch
poliglutaminowy (Q)
Sekwencja
CAG
Rybosom
tRNA
Chromosom 4
PRZYCZYNY CHOROBY
mRNA
UTRATA FUNKCJI
Toksyczne z∏ogi
NABYCIE NOWEJ
FUNKCJI
Prawid∏owa
czàsteczka
huntingtyny
Uszkodzona
komórka mózgu
Nieaktywna, zmutowana
czàsteczka huntingtyny
Nieprawid∏owa huntingtyna wià˝e si´ z prawid∏owà
huntingtynà oraz innymi bia∏kami, inaktywujàc je
46
ÂWIAT NAUKI
LUTY 2003
[ Pobierz całość w formacie PDF ]