Mount Sinai-onderzoekers hebben ontdekt dat verschillende mutaties in een enkel gen talloze effecten kunnen hebben op de gezondheid van een persoon, wat laten zien dat gentherapieën mogelijk meer moeten doen dan alleen het ontbrekende of disfunctionele eiwit van het gen aanvullen wordt verondersteld te coderen, volgens een studie gepubliceerd in Nature Genetics in november.
“Je moet de mutatie volledig begrijpen om te begrijpen hoe je het kunt oplossen,” zei Kristen Brennand, PhD, universitair hoofddocent genetica en genomische wetenschappen, neurowetenschappen en psychiatrie aan de Icahn School of Medicine op de berg Sinaï, en samen met Gang Fang, PhD, universitair hoofddocent genetica en genomische wetenschappen, een van de hoofdauteurs van de studie. De twee onderzoekers “werken al zeven jaar samen aan meerdere projecten die onze complementaire expertise op het gebied van biologie en informatica combineren,” zei Dr. Fang.
De samenwerking is ontstaan uit de interesse van Dr. Brennand in de functie van het gen neurexin-1, of NRXN1, in psychiatrische stoornissen en de technologische expertise van Dr. Fang in het gebruik van geavanceerde technieken voor het analyseren van verschillende vormen van individuele genen. Veel van het werk werd geleid door Shijia Zhu, PhD, voorheen een postdoctorale fellow in het laboratorium van Dr. Fang, en Erin Flaherty, PhD, een voormalige afgestudeerde student in het laboratorium van Dr. Brennand.
Patiënten met schizofrenie, autisme en bipolaire stoornis dragen soms mutaties in NRXN1. Tot nu toe was NRXN1 ‘grotendeels alleen bij muizen onderzocht. En uit de muisstudies weten we dat er meer dan 300 splitsisovormen zijn, ‘zei Dr. Brennand. “Dat betekent dat dit ene gen 300 verschillende eiwitten in de muis maakt.”
Het team wilde begrijpen hoe NRXN1 werkt in typische menselijke neuronen en hoe verschillende mutaties de cellulaire functie kunnen beïnvloeden. Dr. Brennand en haar team zijn begonnen met huidmonsters van verschillende patiënten in het Mount Sinai Hospital die psychische diagnoses hadden en gemuteerde vormen van het gen droegen. Ze gebruikten deze monsters, evenals monsters van deelnemers zonder deze diagnoses, om door de mens veroorzaakte pluripotente stamcellen (hiPSC’s) te kweken – cellen met het vermogen om in elke cel in het lichaam te groeien.
De cellen werden vervolgens geïnduceerd om te groeien tot neuronen. In de cellen die afkomstig waren van patiënten met mutaties in NRXN1, merkten de wetenschappers verschillen op in de vorm en elektrische activiteit van de neuronen, evenals de snelheden waarmee ze volgroeiden.
Maar dat was niet alles. Alle mensen hebben twee kopieën van het gen. Als er een mutatie is, is dit meestal alleen in een van die exemplaren. Het normale, niet-gemuteerde gen produceert nog steeds het gezonde eiwit, maar de gemuteerde kopie kan geen eiwit produceren, wat betekent dat het individu minder van het eiwit produceert dan nodig is voor een normale functie. De onderzoekers dachten dat de introductie van meer van het gezonde eiwit de neuronen zou redden, maar dit was niet altijd het geval.
Sommige van de mutaties veroorzaken dat de tweede kopie van het gen een afzonderlijke, gemuteerde versie van het eiwit produceert. De onderzoekers ontdekten dat deze gemuteerde eiwitten de werking van het gezonde eiwit kunnen verstoren. Het team ontdekte dat zelfs cellen die voldoende van het gezonde eiwit konden produceren dat ze normaal hadden moeten functioneren, zouden lijden als ze ook werden blootgesteld aan een mutante vorm van het eiwit – en verschillende mutaties leidden tot verschillende problemen.
“Functioneel gezien lijken deze mutante eiwitten een dominant negatief effect te hebben,” zei Dr. Brennand. “Overexpressie van een enkel mutant eiwit in gezonde neuronen is voldoende om ze onregelmatig te laten schieten.”
De studie was klein en de genvarianten die het team bestudeerde zijn zeldzaam. In de toekomst zal het belangrijk zijn om precies uit te zoeken hoe de varianten van invloed zijn: leiden ontwikkelingsstoornissen tot latere verschillen in activiteit of vice versa? Maar zowel Dr. Brennand als Dr. Fang benadrukten dat de algemene boodschap cruciaal is voor iedereen die genetica wil gebruiken om medicijnen te personaliseren.
“Ik ging hier echt naïef op in, denkend dat alle patiënten met deleties in dit gen waarschijnlijk hetzelfde effect zouden vertonen,” zei ze. “Wat we hebben geleerd, is dat als je op weg bent naar precisiegeneeskunde, het niet alleen van belang is op welke genen er invloed op heeft, maar ook hoe ze gemuteerd zijn.”
Bron: persbericht Mount Sinai