Genet som forårsaker en ødeleggende nevrodegenerativ sykdom kan ha stått sentralt i menneskets evolusjonshistorie.

Transkript

1 Tenkegenet Oversettelse av en artikkel i Scientific American, august 2016, Is Huntington's Disease an Unintended Consequence of Having a Highly Sophisticated Brain? Genet som forårsaker en ødeleggende nevrodegenerativ sykdom kan ha stått sentralt i menneskets evolusjonshistorie. Om forfatterne: Chiara Zuccato er professor ved institutt for biovitenskap ved Universitetet i Milano i Italia. Hun studerer de patogene mekanismene til Huntingtons sykdom (HS). Elena Cattaneo er professor i farmakologi ved samme institutt ved Milano-universitetet. Hun er også senator på livstid i det italienske parlamentet. Cattaneos laboratorium har studert HS i over 20 år, på leting etter terapi. Artikkelen de har skrevet er tilegnet studentene deres, de som lider av HS, og deres familier Hovedpunkter Huntingtons sykdom (HS) er en alvorlig genfeil (mutasjon) som påvirker hjernen. Mutasjonen består i at en bestemt kodebokstav i en persons DNA gjentas for mange ganger etter hverandre. I nye studier er det tilhørende genet funnet i mange stadier i evolusjonshistoria. Første gang genet viste seg var for over en milliard år siden, og genet finnes i alle dyrearter på jorda. Sykdommen HS kan være en uheldig følge av den evolusjonære prosessen, fordi mange repetisjoner av den bestemte kodebokstaven på sin plass i genet ser ut til å være en forutsetning for et velutviklet nervesystem. Ved overføring av genet til neste generasjon hender det at tallet på repetisjoner øker. Om det blir for mange repetisjoner får individet de ufrivillige bevegelsene som kjennetegner HS I Storbritannia har forsikringsselskapene i 15 år tilbydd en del livsforsikringspoliser uten noen reservasjoner knyttet til forsikringstakerens gener. Men det er en reservasjon som britiske forsikringsselskap ennå har for noen poliser. Den reservasjonen gjelder bærere av genet for Huntingtons sykdom (HS). Forsikringsselskapene vet at en person som har testet positivt for HS med stor sannsynlighet vil dø av denne sykdommen. For selskapet er dette kunnskap om sannsynlig død som er langt sikrere enn andre risikofaktorer som selskapet vanligvis vurderer, som røyking, drikking eller motorsykkelkjøring. De første symptomer på sykdommen er stemningssvingninger og hukommelsessvikt, og de kan komme lenge før fylte 50 år for en som er bærer av genfeilen. For noen kommer symptomene senere i livet. Symptomene blir sakte verre og flere, med ufrivillige bevegelser, rykninger og ei ustø gange som blir beskrevet som en haltende «dans». Litt etter litt slutter kroppen å fungere, og stopper til slutt helt opp. Forskerne har i mange år kjent til at sykdomstilstanden skyldes en genfeil som blir kalt huntingtin. Alle mennesker har huntingtin, for det er viktig i utviklinga av nervesystemet i fosteret før fødsel. Men genet er litt forskjellig fra person til person, og de små forskjellene gjør at noen blir syke og noen ikke.

2 DNA er bygt opp av molekyl-enheter som blir kalt nukleotider, og nukleotid-tripletter er sentrale for virkemåten til DNA. Det finnes fire forskjellige nukleodtider, kalt A, C, G og T, og i en del av huntingtin blir tripletten CAG gjentatt mange ganger. Friske folk har mellom 8 og 35 CAG-tripletter på rad. Et individ med flere CAG-repetisjoner enn 35 vil på et eller annet tidspunkt i livet utvikle sykdommen, som er oppkalt etter George Huntington ( ), legen som først beskrev den. Vi har to huntingtin-gen, ett arvet fra hver av våre foreldre, og det at et av de to genene har for mange CAGrepetisjoner er nok til å gi sykdommen. Hvert barn av en syk forelder har stor 50% - sannsynlighet for å bære sykdomsgenet. Dette arvemønsteret fører til ett av individ i Europa og Amerika er berørt av sykdommen. Forskerne vet at symptomene på HS kommer av at nevronene i corpus striatum og hjernebarken dør. Disse områdene i hjernen kontrollerer legemsbevegelse og kognitive funksjoner. Derfor dreier mye av forskninga på sykdommen seg om å kartlegge hvordan gener med mange CAG-repetisjoner kan forårsake slike skader, og om utvikling av legemidler som kan stoppe den uavvendelige utviklinga av sykdomssymptomer. Som i mange laboratorier i flere land legger også vårt laboratorium stor innsats i denne forskningen. Etter å ha arbeidet med dette spørsmålet noen år ble noen av oss opptatt av et mer generelt spørsmål: Hvordan kan et så skadelig gen overleve og arves gjennom stadig nye generasjoner? Det burde ha blitt luket ut gjennom evolusjonens naturlige seleksjon. Hvordan kan evolusjonen arbeide slik «på kanten av stupet»? Ligger det bedre overlevelse eller bedre forplantning for vår art i et gen med mange CAGrepetisjoner, men ikke for mange? Folk med sykdommen stiller seg også dette spørsmålet og vil gjerne vite svaret, enda de innser at et svar ikke vil gi dem noen kur. De seneste forsøk på å løse denne gåten har gitt oss en spennende innsikt i den rollen genet har spilt i utviklinga av nervesystemet hos mennesket og andre organismer. Det viser seg at et økende antall CAG-repetisjoner ser ut til fremme funksjonen til nevroner, så lenge tallet holder seg under terskelen for sykdomsutbrudd. Man kan se på HS som noe som ikke er en genfeil, men som et uheldig biprodukt av ei kontinuerlig utvikling av hjernen gjennom generasjonene, en evolusjonsprosess som har løpt løpsk. Ei genetisk forandring som kan gjøre oss «smartere» ser ut til å ha tragiske konsekvenser om den føres for langt. Her ligger sykdommens paradoks. Starten Det var rent detektivarbeid som førte til den nye innsikten om rollen som genet har hatt i utviklinga av nervesystemet. Forskerne måtte gå over en milliard år tilbake i evolusjonshistorien, før det fantes mennesker, før det fantes amøber, til ei enda tidligere livsform som heter Dictyostelium discoideum. Denne arten levde mellom den paleoproterozoiske og den mesoproterozoic tidsalder, og var den første arten som bar på dette genet, om enn i ei form som er litt forskjellig fra den forma genet har hos mennesket. Dette vet vi fordi etterkommere etter d-discoideum-amøber finnes også i dag, i jord og i råtnende løv i skogen, der de lever av bakterier. I dag er det mulig å søke gjennom store DNA-databaser på leting etter huntingtin-genet i organismer som lever nå. I 2009 fant ei forskningsgruppe ledet av Miguel Andrade-Navarro ved Max Delbrücks senter for molekylærmedisin i Berlin genet i noen av dagens amøber. Et viktig funn forskerne gjorde var at amøbens huntingtin hadde ingen CAG-tripletter i det hele tatt. Likevel ser genet ut til å spille ei sentral rolle i et stadium i organismens liv, ved at genet tillater flere encellede amøber å slutte seg sammen til en flercellet enhet kalt pseudoplasmodium.

3 Amøber som ligger klistret sammen og samarbeider greier seg bedre enn de som er alene når det blir lite mat eller levevilkåra blir vanskelige. I 2011 rapporterte Michael Myre og James Gusella ved Massachusetts General Hospital at genet regulerer flere vitale celleprosesser, og da spesifikt overgangen til det flercellede stadiet av Dictyostelium. Enkeltceller uten huntingtin-gen er mindre bevegelige og kan ikke henge seg på cellesamlinger. Genet ser altså ut til å være nøkkelen til overlevelse i et «sosialt» cellefelleskap. utviklinga av nervesystemet da protostomer og deuterostomer skilte lag i evolusjonshistoria. Forskninga på CAG-tripletten i huntingtongenet i protostomer har ikke kommet like langt som for deuterostomer, men det er klart at denne tripletten er svært uvanlig i huntingtongenet i protostomer. Bier har ett eneste CAG i sitt gen, mens et gen helt uten CAG er det mest vanlige. Faktum er at genet har mange oppgaver. Ved Johns Hopkins Universitet er det et team som har oppdaget at genet kontrollerer når amøber formerer seg og får dem til å bevege seg i retning av mat i nærheten. I vårt laboratorium har vi funnet at genet i den versjonen som finnes i Dictyostelium beskytter mot celledød. I evolusjonshistorien eksisterte denne amøben før dyreriket delte seg i sine to hovedriker for 550 millioner år siden. Da fikk vi protostomer, de som utviklet seg til insekter, skalldyr og mollusker, og vi fikk deuterostomer, de som utviklet seg til virveldyr, fisk, fugler, amfibier, reptiler, pattedyr, primater og til slutt det modere mennesket. Vi kan følge huntingtongenet blant deuterostomene gjennom evolusjonen, og da øker tallet på CAGtripletter, akkurat i den posisjonen i genet som kan gi sykdom hos mennesker. Det vi oppdaget i 2008 var at huntington-genet begynner å samle CAG-tripletter i en type enkle deuterostomer som heter echinodermer, som er i slekt med dagens kråkeboller (Strongylocentrotus purpuratus). Etter oppdagelsen etablerte vi et samarbeid med ei forskningsgruppe ved vårt universitet som har beregningsteknikk i biologi som sitt spesialfelt, og sammen dekodet vi DNA-sekvensen for huntington-genet i kråkebollen. Da fant vi at genet faktisk starter med to CAG-tripletter! DNA-sekvensen for genet i kråkebollen er likevel ikke den samme som den tilhørende sekvensen hos mennesker. Kråkebollen har rettnok et primitivt nervesystem, men genet er mest vanlig utenfor nervevevet i dette vesenet. Dette kan tyde på at genet ikke var viktig for Biografien til et gen Hva skylder vi den simple amøben? En arv fra de tidligste tider er huntingtongenet, det samme genet som i forvrengt versjon er ansvarlig for Huntingtons sykdom hos mennesker. Det friske genet ser ut til bidra til utvikling tidlig i livet og til oppbygging av komplekse nervesystemer. Historien som er tegnet av genet på livets tre vitner om et stadig økende antall biologiske roller for genet, etter som antallet CAG-tripletter i genet har vokst i gjennom en periode på mange hundre millioner år.

4 På slutten av 2000-tallet analyserte vårt laboratorium DNA-sekvensen i huntington-genet i andre deuterostomer. Det mest overraskende resultatet var sekvensen for en art i cephalochordata-familien, som vi avdekket i samarbeid med gruppa til Mario Pestarinos ved Universitetet i Genova i Italia. I evolusjonsbiologien representerer lansettfisken (amphioxus) et vendepunkt i utviklinga av nervesystemet, ved at den har en nervestruktur som helt tydelig knytter sammen de to endene av dyret. Foran ender strukturen i en pose som kan se ut som noe som gjennom evolusjonen kan ha utviklet seg til en primitiv hjerne. Som for kråkebollen har DNA-sekvensen i lansettfisken to CAG-tripletter etter hverandre. Men lansettfiskens DNA-sekvens rundt CAG-paret ligner på den som man finner hos virveldyr og hos mennesket. Proteinet som genet koder for finnes hovedsakelig i nervevev, så da kan vi spekulere på om genet har bidratt til at den primitive hjernen har fått utvikle seg. [Kommetar fra oversetter: Lansettfisken er ikke et virveldyr, men det finnes et virveldyr på jorda i dag med nesten like lange aner som lansettfisken, og det er slimålen. Dette er interessant for oss nordmenn, for slimålen var den arten som vår helt Fridtjof Nansen hadde studert før han i 1887 skrev sin doktoravhandling "The structure and combination of the histological elements of the central nervous system," et banebrytende bidrag til den tidlige nevrovitenskapen!] Det forskerne nå vet om huntington-genet hos virveldyr generelt er at tallet på CAG-tripletter etter hverandre øker i organismer med mer velutviklet nervesystem, og mennesket har flest. Om vi ser på våre nærmeste slektninger i dyreriket finner vi 18 CAG hos grisen, 15 hos kua, 10 hos hunden, og 7 hos musa. For mange arter, for eksempel primater, finner vi variasjoner i CAG-tallet innenfor samme art. Virveldyr representerer et nytt kapitel i evolusjonshistoria. Hjernen i et foster utvikler seg fra en hul struktur i embryoet som kalles nevralrøret. I 1997 fant ei forskningsgruppe ledet av Marcy MacDonald på Massachusetts General Hospital at huntington-genet er involvert i det at nevralrøret vokser fram. I 2012 bekreftet vi i vårt team dette funnet, og vi viste at genet også gjør det mulig for et nevralrør å vokse fram i en cellekultur in vitro. CAG-repetisjoner hos mennesket Noen tidligere forskningsresultater har gitt oss indikasjoner på at CAG-repetisjonene i huntingtongenet kan ha ei helt annen rolle: Å styrke tanken. Disse oppdagelsene kom delvis som resultat av arbeidet som startet rundt 1970 med å finne genet hos mennesket. Dette arbeidet ble fullført i 1993 ved at Nancy Wexler og 57 andre forskere i Huntington's Disease Collaborative Research Group isolerte og sekvenserte genet, der det sitter på kromosom 4. Da ble det nokså fort klart at folk med HS har minst 36 CAG-repetisjoner. Ett år senere publiserte genetikeren David C. Rubinsztein (nå ved cambridge-universitetet) en artikkel der han foreslo at CAG-tallet i huntingtongenet hos friske mennesker har en tendens til å øke fra en generasjon til den neste. På den tid ble CAG-repetisjoner sammen med andre gjentak av DNAsekvenser sett på som genetisk «skrot», kanskje uten formål. Etter dette ble det gjort lite forskning på ikke-patologiske effekter av CAG-repetisjoner. Men på samme tid fant Max Perutz (nobelprisvinneren som nå arbeider ved cambridge-universitetet) at glutamin-molekylet i proteiner gjør at proteinmolekyler henger sammen. Dette er interessant fordi at når et protein blir bygget opp etter oppskrift fra en DNA-sekvens, så koder CAG-tripletten for byggesteinen glutamin. En lang rekke av CAG-tripletter i et gen burde altså gi et proteinmoleyl med mange glutamin-molekyler etter hverandre. I 2008 tok interessen for ikke-patologiske effekter av CAG-repetisjoner seg opp, da John W. Fondon III (nå ved University of Texas i Arlington) og David King ved Southern Illinois University Carbondale satte fram to spesifikke hypoteser: At CAG-tripletten hadde noe å gjøre med utviklinga og

5 evolusjonshistorien til nervesystemet, og at mange CAG-repetisjoner i genet i hjerneceller bedrer både kognitive ferdigheter og evne til seksuell og annen sosial omgang. Disse hypotesene har siden da blitt styrket av eksperimentelle resultater. Et studium utført av Michael Hayden's team ved University of British Columbia i Vancouver viser at hvert 17. individ har et ekstra langt huntington-gen, med mellom 27 og 35 CAG-repetisjoner. Et slikt gen gir normalt ikke sykdomsutbrudd. Friske folk med mange CAG-repetisjoner i genet har ofte mange nevroner i den delen av hjernen som heter globus palladius, en del som styrer planlegging og kontroll av bevegelse, og der overordnede kognitive prosesser foregår. I vårt laboratorium har vi vist at nerveceller i cellekulturer in vitro organiserer seg i strukturer som kan minne om nervesystemet, og at strukturene er mer komplekse om nervecellene har et gen med mange CAG-repetisjoner. Bærere av et gen som forventes å gi sykdomsutbrudd senere i livet har ofte uvanlig sterke kognitive evner. I 2012 rapporterte Carsten Saft and Christian Beste (da ved Ruhr University Bochum i Tyskland) at folk med sykdomsgivende gen gjør det bedre på synstester og andre persepsjonstester enn folk med normale genvarianter, forutsatt at de testes før sykdomssymptomene har meldt seg. Illustrasjoner: Amanda Montanez

6 Hjernehjelp Den nyeste forskninga på huntington-genet har søkt å kartlegge hvilke oppgaver som genet tar seg av i hjernen. I våre forsøk med hjerneceller in vitro fant vi at et friskt gen styrker nevronene og hjelper dem til å tåle påkjenninger. Andre forskere har funnet ut at om genet blir slått av i hjernen til mus så fører det til celledød, og man observerer nevrologiske symptomer som ligner på dem man ser i mus med den skadelige varianten av genet. Vi har også vist at genet stimulerer produksjon av nevrotropisk faktor, et protein som finnes i hjernen og som medvirker til at forbindelser i hjernen etableres og nervesignaler overføres. Det viktigste med huntington-genet er kanskje at det er mest aktivt i det første stadiet av utviklinga av embryoet. Enkelt sagt, uten det ville vi ikke ha vært født. Genet er i arbeid under gastrulering, det stadiet i fosterutviklinga da de ulike vevstypene i kroppen oppstår. Senere regulerer genet dannelsen av nye nerveceller og hjelper cellene til å henge sammen. Men paradokset med HS består, også i lys av den nye innsikten. En CAG-rekke som blir lenger og lenger uten stans er kanskje det viktigste gjennombrudd som huntington-genet har gjort i sin evolusjonshistorie. Men med dette følger faren for en ødeleggende sykdom. Mange nevrovitenskapelige spørsmål knyttet til CAG-rekka i genet står ennå ubesvart. Vi trenger en forståelse av hvorfor lengden på CAG-rekka varierer så mye. Hvilke forandringer skjer i hjernen når lengda på rekka nærmer seg terskelen for sykdomsutbrudd? Hvorfor blir genet brått skadelig med mer enn 36 ledd i rekka? Forståelsen av at huntington-genet er mer til lykke enn til last kan motvirke den stigma som ennå følger med sykdommen. Vi trenger ikke si at genet er defekt, når det faktisk er helt sentralt i de biologiske prosessene som har gjort oss til mennesker. VIDERE LESNING: Molecular Mechanisms and Potential Therapeutical Targets in Huntington's Disease, Chiara Zuccato et ai. in Physiological Reviews, Vol. 90, No. 3, pages ; July 1,2010. An Evolutionary Recent Neuroepithelial Cell Adhesion Function of Huntingtin Implicates ADAMIO- Ncadherin, Valentina Lo Sardo et al. in Nature Neuroscience, Vol. 15, pages ; May FRA ARKIVET TIL SCIENTIFIC AMERICAN: The Enigma of Huntington's Disease, Elena Cattaneo, Dorotea Rigamonti and Chiara Zuccato; December 2002.