Синдром ломкой Х-хромосомы встречается в основном у мальчиков, вызывая умственную отсталость, а также характерные физические, поведенческие и эмоциональные особенности. Хотя исследователям уже более двух десятилетий известно, что виновником заболевания является необычная мутация, характеризующаяся избыточным повторением определенного сегмента генетического кода, они не были уверены, почему наличие большого количества этих повторений — 200 и более — приводит в движение болезненный процесс.Используя стволовые клетки от пожертвованных человеческих эмбрионов, которые дали положительный результат на синдром хрупкой Х-хромосомы, ученые обнаружили, что на ранних этапах развития плода информационная РНК — матрица для производства белка — начинает прикрепляться к ДНК гена хрупкого Х-синдрома.
Это связывание, по-видимому, склеивает ген, делая его неактивным и неспособным производить белок, необходимый для передачи сигналов между клетками мозга.«До 11 недель беременности ген синдрома ломкой Х-хромосомы активен — он нормально производит свою информационную РНК и белок.
Затем он внезапно отключается и остается отключенным до конца жизни пациента, вызывая синдром ломкой Х-хромосомы. «Но ученые не поняли, почему этот ген отключается», — говорит старший автор доктор Сами Джафри, профессор фармакологии в Медицинском колледже Вейл Корнелл. «Мы обнаружили, что информационная РНК может заблокировать одну цепь ДНК гена, отключив ген, о чем раньше не было известно.«Это новая биология — взаимодействие между РНК и ДНК гена синдрома ломкой Х-хромосомы вызывает заболевание», — говорит д-р Джеффри. «Мы начинаем понимать, что РНК — это мощные молекулы, которые могут регулировать экспрессию генов, но этот механизм совершенно новый — и очень интересный».Сбой возникает внезапно — до конца первого триместра у человека и через 50 дней в лабораторных эмбриональных стволовых клетках.
В этот момент информационная РНК, продуцируемая геном синдрома ломкой Х-хромосомы, создает то, что исследователи называют дуплексом РНК-ДНК — определенное расположение молекул, в котором информационная РНК прикрепляется к своему ДНК-комплементу. (ДНК производит две дополнительные цепи генетического кода, ответственного за развитие и функции человека. Четыре нуклеиновые кислоты в геномном коде — A, C, G, T — имеют определенные комплементы.
В случае синдрома ломкой Х-хромосомы повторение рассматриваемой последовательностью является CGG. Следовательно, РНК связывается со своим комплементом GCC на одной цепи ДНК.)Затем дуплекс РНК-ДНК прекращает производство гена синдрома ломкой Х-хромосомы, вызывая потерю белка, необходимого для связи между клетками мозга.
В этом случае ген остается неактивным на всю жизнь. Нормальный хрупкий ген X — один с менее чем 200 повторами CGG — остается активным у человека без заболевания и производит необходимый белок. Однако мутантный ген ломкой Х содержит более 200 повторов CGG, что приводит к синдрому ломкой Х. Хрупкий X встречается примерно у 1 из 4 000 мужчин и 1 из 8 000 женщин.«Поскольку мутация при синдроме ломкой Х-хромосомы представляет собой повторяющуюся последовательность, для небольшой части этой последовательности в информационной РНК очень легко найти соответствующую повторяющуюся последовательность в ДНК», — говорит д-р Джеффри. «Это уникальная особенность повторяющихся последовательностей.
Когда имеется 200 или более повторов, взаимодействие РНК-ДНК фиксируется».Надежда на лечение — и другие расстройстваДоктор Джаффри и его команда, в которую входят исследователи из Исследовательского института Скриппса во Флориде и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна в Бронксе, пытались выяснить, почему болезнь включается, когда повторение CGG присутствует от 200 до 1000. копии.
«Использовать традиционные способы решения этой головоломки было невозможно», — говорит он. «Гены с синдромом ломкой Х-хромосомы человека, введенные в мышей и клетки в лаборатории, никогда не выключаются, независимо от того, сколько повторов CGG имеют эти гены».Поэтому ученые обратились к эмбриональным стволовым клеткам человека. Соавторы д-р Зев Розенвакс, директор и главный врач Центра репродуктивной медицины Рональда О. Перельмана и Клаудии Коэн и директор лаборатории деривации стволовых клеток Медицинского колледжа Вейля Корнелла, и д-р Никица Занинович, доцент репродуктивной медицины, сгенерировал линии стволовых клеток из донорских эмбрионов, которые дали положительный результат на синдром ломкой Х-хромосомы.«Эти стволовые клетки сыграли решающую роль в успехе этого исследования, потому что только они позволили нам имитировать то, что происходит с хрупким геном X во время эмбрионального развития», — говорит доктор Дилек Колак, научный сотрудник лаборатории доктора Джеффри и первый автор. исследования.
Стволовые клетки были уговорены стать нейронами головного мозга, и примерно через 50 дней они дифференцировались так же, как мозг эмбриона развивается через 11 с лишним недель, когда ген синдрома ломкой Х-хромосомы выключен.Затем исследователи использовали препарат, разработанный соавтором доктора Мэтью Диснеем из Исследовательского института Скриппса, который связывается с CGG в РНК хрупкого гена X до и после 50-дневного переключения. Поразительно, но ген никогда не переставал производить полезный белок.Это предполагает потенциальную стратегию профилактики или лечения синдрома ломкой Х-хромосомы, говорит доктор Джеффри. «Если беременной женщине сообщают, что ее плод несет генетическую мутацию, вызывающую синдром ломкой Х-хромосомы, мы потенциально можем вмешаться и дать лекарство во время беременности.
Это может задержать или предотвратить подавление гена ломкой Х-хромосомы, что потенциально может значительно улучшить результат. этих пациентов », — говорит он.В настоящее время исследователи ищут аналогичные дуплексы РНК-ДНК при других заболеваниях с тринуклеотидными повторами, включая болезнь Хантингтона (дегенеративное заболевание головного мозга), миотоническую дистрофию 1 и 2 (мультисистемное прогрессирующее заболевание), атаксию Фридриха (прогрессирующее заболевание нервной системы), Якобсена. синдром (интеллектуальное расстройство) и семейный боковой амиотрофический склероз (заболевание двигательных нейронов) и другие.
«Этот совершенно новый механизм, с помощью которого РНК могут управлять молчанием генов, может быть задействован во многих других заболеваниях», — говорит д-р Джеффри. «Мы надеемся, что сможем найти лекарства, которые мешают этому новому типу болезни».