In der architektonischen Blaupause unserer DNA kann schon ein kleiner Wiederholungsfehler das gesamte System gefährden. Bei der Huntington-Krankheit dehnt sich eine bestimmte DNA-Sequenz unkontrolliert aus und löst eine fortschreitende Neurodegeneration aus. In einem in laRegione veröffentlichten Beitrag erklärt Prof. Petr Cejka - Gruppenleiter am Institut für Forschung in der Biomedizin (IRB) in Bellinzona (angegliedert an die USI) und ordentlicher Professor an der Università della Svizzera italiana - wie sein Team diesen Expansionsmechanismus in vitro erfolgreich rekonstruiert hat und damit den Weg für neue Präventionsstrategien ebnet, mit denen die Krankheit vor dem Ausbruch der Symptome gestoppt werden kann.
Die Huntington-Krankheit - die neben psychiatrischen Störungen auch durch motorische und kognitive Defizite gekennzeichnet ist - beruht auf einem sich wiederholenden Fehler. Im wahrsten Sinne des Wortes. In der DNA von Personen, die diese neurodegenerative Krankheit vererben, taucht eine Drei-Nukleotid-Sequenz - CAG - auf, die nicht stabil bleibt, sondern dazu neigt, sich im Laufe der Zeit zu vergrössern. "Wer an Chorea Huntington erkrankt ist, hat von seinen Eltern eine bestimmte Anzahl von Wiederholungen geerbt", erklärt Petr Cejka , Gruppenleiter am Institut für Biomedizinische Forschung (IRB, das der Università della Svizzera italiana angegliedert ist) in Bellinzona und ordentlicher Professor an der Università della Svizzera italiana. "Diese Wiederholungen können sich im Laufe ihres Lebens - vor allem im Gehirn - weiter ausbreiten. Wenn sie eine kritische Schwelle erreichen, manifestiert sich die Krankheit" Bei gesunden Menschen ist dieses CAG-Triplett in einer begrenzten und stabilen Anzahl von Wiederholungen in der DNA vorhanden; bei den von der Krankheit Betroffenen ist die Anzahl der Wiederholungen jedoch deutlich höher, was das endgültige genetische Merkmal der Huntington-Krankheit darstellt.
Ein Wendepunkt
Genau diesen "Sprung" - die fortschreitende Ausdehnung der Wiederholungen - hat Cejkas Labor kürzlich aufgeklärt, indem es den molekularen Mechanismus unter kontrollierten Bedingungen rekonstruiert hat. "In vitro können wir mit gereinigten Proteinen die Komponenten mit der DNA mischen, um viele Elemente des Expansionsprozesses zu reproduzieren."
Dieses Ergebnis ist nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung, sondern auch, weil es einen Mechanismus, der jahrzehntelang ein Rätsel blieb, endlich experimentell nachvollziehbar macht. Der Durchbruch gelang durch die Beobachtung eines entscheidenden Details: dem Ort und der Art und Weise, wie bestimmte Proteine die DNA spalten.
"Das Schlüsselexperiment bestand darin, ein spezifisches DNA-Substrat zu verwenden und die richtigen Proteine zu kombinieren. Wir beobachteten, dass die Proteine die DNA an einer sehr präzisen Stelle einschneiden: Diese spezifische Stelle ermöglichte es uns zu verstehen, wie die Expansion stattfindet."
Warum hat es so lange gedauert? "Es war in erster Linie ein technisches Hindernis", sagt Petr Cejka. "Einer der grundlegenden Proteinkomplexe, MutL - bestehend aus MLH1 und MLH3 - war im Labor extrem schwierig zu isolieren. Nachdem wir es erfolgreich exprimiert hatten, öffneten sich die Türen zur biochemischen Charakterisierung" Die primären molekularen Protagonisten - MLH3, MSH3 und PMS1 - waren in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bereits als "genetische Modifikatoren" der Krankheit bekannt. "Das Neue an unserer Arbeit besteht darin, dass wir genau definieren, wie diese Faktoren die genomische Instabilität fördern." Mit anderen Worten: Wir wissen nicht nur, wer daran beteiligt ist, sondern verstehen auch ihre Wirkungsweise.
Konkrete Perspektiven
Die unvermeidliche Folgefrage betrifft die Therapeutika. Cejka bleibt vorsichtig: "Dies ist ein langfristiger Weg. Die Identifizierung der molekularen Ätiologie lässt sich nicht sofort in eine Behandlung umsetzen. Wir müssen einen Weg finden, um in diesen Mechanismus einzugreifen: entweder durch ein kleines Molekül oder durch einen gentherapeutischen Ansatz" Ein weiterer entscheidender Punkt ist die Spezifität. "Bei einem Patienten könnte ein Medikament Off-Target-Effekte haben und andere Marker beeinflussen. Daher ist die Selektivität von grundlegender Bedeutung." Nichtsdestotrotz ist diese In-vitro-Rekonstruktion ein Schritt, der die nächste Phase beschleunigen kann: das Screening von hemmenden Medikamenten. "Wir haben jetzt einen Test, mit dem wir potenzielle Inhibitoren hinzufügen und überprüfen können, ob die Reaktion tatsächlich blockiert wird Es ist ein einfaches, aber wirkungsvolles Konzept: die Umwandlung eines komplexen biologischen Phänomens in einen wiederholbaren, messbaren Test.
Was könnte dies realistischerweise für Patienten bedeuten? Die konkreteste Aussicht ist nicht die Behandlung der Krankheit nach dem Auftreten der Symptome, sondern die Verhinderung oder Verzögerung des Ausbruchs der Krankheit. "Wenn ein Medikament oder eine Gentherapie verfügbar wäre, könnten Träger mit einer mittleren Anzahl von Wiederholungen - die ein Risiko darstellen - prophylaktisch behandelt werden, um den Ausbruch der Krankheit zu verhindern
Über die Huntington-Krankheit hinaus
Diese Entdeckung ändert nichts an unserem Verständnis davon, wann die Krankheit "beginnt", aber sie unterstreicht die Notwendigkeit einer frühen klinischen Intervention. "Leider gibt es derzeit keine Therapie für Chorea Huntington", so Cejka. "Aus diesem Grund besteht das Ziel der klinischen Gemeinschaft darin, Strategien zu entwickeln, die verhindern, dass die Krankheit überhaupt erst ausbricht Ausserdem ist das Phänomen der genomischen Instabilität nicht nur bei Huntington zu beobachten. "Ich glaube, es gibt mehr als fünfzig Krankheiten, die mit der Expansion von Triplett-Wiederholungen zusammenhängen", erklärt er und nennt Erkrankungen wie das Fragile-X-Syndrom und die Friedreich-Ataxie: unterschiedliche Mutationen, aber eine gemeinsame molekulare Logik. Diese Forschung ist das Ergebnis einer wissenschaftlichen Karriere, die sich über Europa und die Vereinigten Staaten erstreckt. Cejka erklärt, dass seine Entscheidung, in die Schweiz zurückzukehren, durch den Nationalfonds erleichtert wurde: "Es war eine einmalige Gelegenheit; das Finanzierungspaket ermöglichte es uns, Doktoranden einzustellen und sofort mit der Forschung zu beginnen."
Seine Forschung, die sich auf DNA-Reparaturwege und genomische Stabilität konzentriert, hat Auswirkungen, die weit über seltene Krankheiten hinausgehen; dieselben Prozesse liegen Krebs und vielen anderen Krankheiten zugrunde. "Wir brauchen die DNA-Reparatur, um ein gesundes Genom zu erhalten", sagt er. "Bei Krebs werden jedoch bestimmte Wege zu einer Abhängigkeit; diese Wege können dann als therapeutische Ziele genutzt werden Es ist ein heikles Gleichgewicht: die DNA in gesundem Gewebe zu schützen und gleichzeitig die Reparaturmechanismen in Tumorzellen anzugehen.
Zu den täglichen Herausforderungen gehört auch die technische Komplexität: "Die Forschung erfordert heute eine grosse Bandbreite an Fachwissen. Selbst mit zehn Leuten in einer Gruppe kann man sich nicht mit allem befassen. Internationale Kooperationen sind unerlässlich: Wir arbeiten an einem Aspekt, während Kollegen in Übersee ihn mit speziellen Techniken ergänzen."
Jenseits der Forschung
Ausserhalb des Labors findet Cejka seinen Ausgleich in der Natur: beim Spazierengehen, Laufen und bei der Gartenarbeit. "Das hilft mir zu entspannen und bringt mich auf neue Ideen", sagt er. "Die Idee zu einem unserer ersten Artikel, der vor etwa zehn Jahren in Nature veröffentlicht wurde, kam mir beim Laufen. Ich erinnere mich noch genau an die Stelle, an der es passierte!" Jungen Forschern gibt er einen einfachen, aber konkreten Rat: "Seien Sie neugierig und suchen Sie sich Projekte aus, für die Sie sich begeistern können. Und sucht euch gute Kollegen: Wissenschaft ist eine Teamleistung"
Der Inhalt wurde vom Institut für Forschung in der Biomedizin (IRB) in Bellinzona, das der USI angegliedert ist, in Zusammenarbeit mit laRegione erstellt .
