Met behulp van een molecuul dat is ontworpen om een ​​wegversperring te overwinnen die wordt gevormd door een veelvoorkomend type genetische fout, onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben vooruitgang geboekt in de richting van nieuwe moleculaire behandelingen voor ataxie van Friedreich - een zeldzame maar dodelijke aandoening - in de laboratoriumschaal en bij dieren.

Friedreichs, zoals minstens 40 andere genetische ziekten, wordt veroorzaakt door stukken repetitief DNA die voorkomen dat eiwitten correct worden gevormd.

De herhalingen kunnen honderden identieke, korte sequenties van DNA (zoals GAAGAAGAAGAA ...). Bij sommige ziekten, waaronder die van Friedreich, de herhalingen worden wegversperringen voor cellulaire machines die het gen decoderen en beginnen met het maken van het eiwit dat de cel nodig heeft. Bij andere ziekten, zoals de neurologische aandoening Huntington, de herhalingen kunnen leiden tot overmatig eiwit, die zelf giftig kan worden.

In onderzoek gerapporteerd deze week in het tijdschrift Wetenschap , Asem Ansari, een professor in biochemie en genomica aan UW-Madison, en collega's toonden aan dat hun "moleculaire prothese" cellulaire machines kan helpen de blokkade te overwinnen die wordt veroorzaakt door de herhalingen in de ataxie van Friedreich.

Een onderdeel van de prothese lokaliseert de herhalingen, dan helpt de tweede de soldaat van de cellulaire machinerie voorbij de herhalingen om het gen correct te decoderen.

Friedreich's verschijnt in slechts één Amerikaan in 50, 000, maar het is dodelijk en onbehandelbaar, zegt Ansari. "Deze kinderen accumuleren herhalingen in een gen voor een eiwit genaamd frataxine dat mitochondriën, de krachtpatser van de cel, energie moeten verwerken. Zonder frataxine, weefsels die de meeste energie verbruiken, worden het eerst beschadigd:de hersenen, hart en alvleesklier."

Al op 5-jarige leeftijd beweging wordt belemmerd "omdat de hersenen niet de energie hebben die ze nodig hebben en het ook DNA-schade ophoopt, " zegt Ansari, die een gezamenlijke afspraak heeft met het Genome Center of Wisconsin in UW-Madison. "De meeste jonge mensen met de ziekte van Friedreich ontwikkelen ernstige hartproblemen en zijn rolstoelgebonden, maar de ziekte is zo zeldzaam dat maar weinig farmaceutische bedrijven erin investeren."

In de Ansari-groep, Graham Erwin, Matthew Grieshop en Asfa Ali vormden een team dat het prototypemolecuul ontwierp en maakte, en orkestreerde ook de samenwerking met collega's van UW-Madison, het farmaceutisch bedrijf Novartis, en een toonaangevend medisch centrum in India.

De Wetenschap publicatie berustte op twee soorten experimenten:

• In studies van cellijnen van meer dan 20 Friedreich-patiënten, de moleculaire prothese herstelde de expressie van het frataxine-eiwit.
• Bij muizen die getransplanteerde menselijke cellen bevatten die ongeveer 310 GAA-herhalingen bevatten, de prothese herstelde de expressie van een signaaleiwit tot bijna normaal.

Het molecuul dat wordt getest, is ontworpen om het enzym te helpen dat leest, of "transcribeert, " DNA bij de verwarrende herhalingen. Zodra het de andere kant bereikt, het enzym, RNA-polymerase genoemd, leest het gen en maakt RNA dat op zijn beurt codeert voor frataxine, het eiwit dat ontbreekt in ataxie van Friedreich.

Een deel van het nieuwe molecuul is "een richtingzoeker die we hebben ontwikkeld om het probleem in het genoom van de patiënt te lokaliseren, " zegt Ansari. Zodra het de lastige herhalingen vindt, "de tweede component zorgt voor de machinerie die RNA-polymerase helpt door de herhalingen te ploeteren en het juiste transcript en vervolgens het functionele eiwit te maken."

Het begrijpen van de rol van frataxine en hoe herhalingen de synthese ervan blokkeren, begon met studies in gistcellen en vervolgens fruitvliegen, zegt Ansari. "In die eenvoudige organismen, wetenschappers plaagden precies wat de herhalingsregio aan het doen was, en dezelfde principes waren aan het werk in menselijke cellen. Zonder dat begrip, we zouden onze moleculen niet hebben kunnen bedenken, wat de noodzaak benadrukt om biologie op alle niveaus te studeren."

Hoewel de biochemie complex is, het concept van het negeren van herhalingen is niet, zegt Ansari. "Als we het enzym dat DNA leest vergelijken met een motor die langs het 'spoor' van DNA beweegt, de herhaling kan het koud stoppen, ervoor zorgen dat het te ver vooruit springt, of zet het vast in de 'aan'-positie, zodat het een giftige hoeveelheid van het eiwit maakt."

De nieuwe resultaten die deze week zijn gepubliceerd in Wetenschap suggereren dat "we hebben ontdekt hoe we het deel van het gen dat wordt genegeerd kunnen inschakelen zonder iets anders te doen, ' zegt Ansari.

Zelfs als patiënten en families verlangen naar genezing, het waarschijnlijk enkele jaren zal duren voordat de drugstests beginnen, Ansari waarschuwt.

Ansari, die al zo'n 15 jaar herhalingen probeert te ontrafelen bij UW-Madison, bereikte het eerste succes in 2004 toen zijn groep "tweekoppige" moleculen ontwierp met een "DNA-leeskop" die het molecuul naar een specifieke locatie in het genoom van een individu zou brengen, en een "docking head" die een cellulaire machine zou koppelen om het gen op die plaats correct te laten lezen.

Vervolgens, Ansari zegt, onderzoekers ontdekten dat het molecuul "afgeleid" raakte terwijl het in een zee van DNA dreef en er niet in slaagde honderden "op elkaar lijkende" sites te onderscheiden van het werkelijke doelwit.

tegen 2013 de financiering was opgedroogd, en alleen een subsidie ​​van de W.M. Keck Foundation stelde Ansari in staat door te gaan met zoeken om de herhalingen te slim af te zijn.

Terwijl veel pogingen om de ziekte van Friedreich te behandelen, miljoenen medicijnen screenen, "We werken vanuit een dieper begrip van het probleem, ", zegt Ansari. "Toen we eenmaal begrepen waarom het enzym werd geblokkeerd, we hebben rationeel zeven moleculen ontworpen om het enzym te helpen de obstructie te passeren."

De Wisconsin Alumni Research Foundation heeft twee patenten aangevraagd op de ontdekking, waarvan Ansari denkt dat het breder kan worden toegepast. "Met recente vooruitgang in de sequentiebepaling van het menselijk genoom, meer dan 40 ziekten zijn erkend als gevolg van microsatellietherhalingen, " zegt Ansari, inclusief breekbare X, die ontwikkelingsproblemen veroorzaakt, en sommige soorten spierdystrofie.

"Nu we beginnen te begrijpen hoe we deze herhalingen onschadelijk kunnen maken, " hij zegt, "wij zien dit als een algemene oplossing, een moleculaire engineering principe. We zouden het genoom sequencen en het probleem uitzoeken, en maak een molecuul op maat voor dat individu. Het is een nieuwe, nauwkeurig op maat gemaakte weg naar gepersonaliseerde geneeskunde."