Studiare le balbuzie genetiche: cosa ci insegnano 900.000 genomi sulla crescita delle ripetizioni del DNA

Gli scienziati studiano intensamente la genetica della malattia di Huntington (MH) da quando, nel 1993, è stato scoperto il gene responsabile. A differenza di molte altre malattie genetiche, in cui il cambiamento di una o poche lettere del DNA può essere sufficiente a causare la malattia, la MH deriva dall’espansione di una sequenza di tre lettere (CAG) che si ripete più e più volte nel gene della huntingtina (HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15). Quando questa “balbuzie” genetica diventa troppo lunga, solitamente 40 o più CAG, scatena la MH. Più recentemente, gli scienziati hanno scoperto che la ripetizione CAG può continuare a espandersi nelle cellule delle persone durante tutto l’arco della vita. Questa crescita continua della balbuzie CAG di HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15 è probabilmente un passaggio chiave nel determinare quando inizia la malattia.

Ma l’HTT non è l’unico gene che contiene una balbuzie genetica instabile. Un team guidato dal dottor Po-Ru Loh dell’Università di Harvard ha analizzato i genomi di oltre 900.000 persone per indagare il comportamento di altre ripetizioni del DNA. I loro risultati hanno rivelato che le espansioni delle ripetizioni sono diffuse e potrebbero essere controllate da percorsi molecolari simili.

Le balbuzie genetiche sono comuni?

Sebbene gli scienziati sappiano che la ripetizione CAG in HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15 può crescere durante la vita di una persona e cambiare numero tra le generazioni, si sa meno se questo sia comune per altre ripetizioni. Il genomaGenoma Nome dato all’ insieme dei geni che contengono le istruzioni complete per formare una persona o un altro organismo umano contiene centinaia di migliaia di brevi sequenze di DNA ripetitive. Anche queste ripetizioni crescono (o si restringono) con l’età o tra le generazioni? Se così fosse, potrebbero essere associate ad altre malattie umane? Potrebbe esserci un processo cellulare sottostante comune che non funziona correttamente e causa queste balbuzie genetiche? Queste sono le domande che il dottor Loh e i suoi colleghi hanno deciso di indagare.

Alla ricerca di ripetizioni tra quasi un milione di genomi

Misurare le balbuzie genetiche sembra semplice in linea di principio, ma identificare accuratamente le ripetizioni in quasi un milione di persone è tecnicamente estremamente difficile. Immagina di provare a contare quante volte la stessa parola appare in una frase come “il il il il il il”. Ora immagina che il carattere sia di dimensione 0,0001 (carattere molecolare!). Se un “il” viene aggiunto o rimosso, è sorprendentemente difficile dire dove sia successo o esattamente quante copie siano presenti.

Studiare il DNA richiede che i ricercatori lo preparino utilizzando una serie di reazioni chimiche, comprese reazioni che coinvolgono enzimi che creano molte copie del DNA. Questo processo pone un altro problema: gli enzimi di copiatura comunemente aggiungono ripetizioni extra che non erano presenti nel campione originale. Per superare queste sfide, il dottor Loh e il suo team hanno sviluppato sofisticati metodi computazionali e statistici per identificare e filtrare queste “false” ripetizioni. Hanno quindi utilizzato il campione rimanente per stimare le lunghezze delle ripetizioni per circa 350.000 posizioni nel genomaGenoma Nome dato all’ insieme dei geni che contengono le istruzioni complete per formare una persona o un altro organismo.

Ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH in tutto il genomaGenoma Nome dato all’ insieme dei geni che contengono le istruzioni complete per formare una persona o un altro organismo

Il team ha iniziato cercando le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH. Sebbene esistano molti altri tipi di DNA ripetitivo, è già noto che le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH causano diverse malattie, tra cui la MH. I ricercatori hanno identificato 18 posizioni in cui alcune persone presentavano ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH insolitamente lunghe, indicando forse che si era verificata un’espansione. Una delle espansioni più comuni riguardava un gene chiamato TCF4, dove è stata trovata una ripetizione espansa in quasi il 9% dei partecipanti allo studio. Trovare una ripetizione lunga non significa necessariamente che causi una malattia, ma dimostra che alle ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH piace crescere. Il team ha anche trovato 15 posizioni in cui le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH cambiavano lunghezza tra le generazioni, analogamente alla MH. Questi risultati suggeriscono che la balbuzie genetica osservata nella MH potrebbe far parte di un modello genetico più ampio.

Dopo aver stabilito che alcune ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH sono più lunghe del previsto e possono allungarsi tra le generazioni, la domanda successiva era se qualcuna di esse crescesse durante l’arco della vita di una persona. Questa è una domanda chiave perché si pensa che la crescita delle ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH nel tempo contribuisca all’insorgenza della MH. Delle 15 ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH esaminate, 4 hanno mostrato questa espansione “dipendente dall’età”. Una scoperta è stata particolarmente inaspettata: le persone che portavano ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH espanse in un gene chiamato GLS avevano un rischio circa 14 volte maggiore di avere una grave malattia renale. Ciò suggerisce che le espansioni delle ripetizioni potrebbero contribuire a più malattie di quante ne conosciamo attualmente, e le stiamo scoprendo solo ora perché le ripetizioni sono difficili da individuare nel DNA.

Perché le balbuzie genetiche crescono?

Immagina una stampante rotta che fatica con le frasi contenenti parole ripetute (“può può può può può può”). Ogni volta che la frase viene ristampata, vengono aggiunti ulteriori “può” – le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH si comportano in modo simile. Poiché ogni CAG sembra identico al successivo e al precedente, le macchine cellulari a volte scivolano, perdono il segno e aggiungono copie supplementari, facendo sì che la balbuzie genetica cambi lunghezza nel tempo.

I ricercatori volevano capire perché le ripetizioni di alcune persone si espandessero più velocemente di altre. Si sono concentrati sulle ripetizioni espanse in un gene chiamato TCF4 perché erano comuni e variavano ampiamente nelle cellule del sangue. Cercando in tutto il genomaGenoma Nome dato all’ insieme dei geni che contengono le istruzioni complete per formare una persona o un altro organismo, il team ha trovato 7 cambiamenti genetici che sembravano seguire l’espansione di TCF4. Fatto entusiasmante, quattro di queste posizioni si trovavano in geni per la riparazione del DNA (MSH3, FAN1, ATAD5 e PMS2) che erano già stati collegati all’espansione delle ripetizioni CAG in HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15. Questi risultati rafforzano l’evidenza che i geni per la riparazione del DNA svolgono un ruolo chiave nel controllo delle espansioni delle ripetizioni.

Un dosso per l’espansione delle ripetizioni

La ricerca ha anche scoperto che una minuscola interruzione nella balbuzie genetica potrebbe rallentare la crescita della ripetizione CAG. Immagina la sequenza “può può può può può”. Poiché ogni parola è la stessa, il macchinario di copiatura del DNA perde facilmente il segno. Ora inserisci un’altra parola “può può sì può può”. Questa minuscola interruzione agisce come un dosso, rompendo il modello ripetitivo e aiutando il macchinario del DNA a tenere traccia della sua posizione. Ad esempio, nel gene TCF4, 18 ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH con una minuscola interruzione si sono espanse 135 volte più lentamente rispetto a 18 ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH senza interruzione.

Interruzioni di sequenza come questa sono molto rilevanti per la MH. Sebbene sia super raro, le persone con interruzioni delle ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH hanno un’età di insorgenza della malattia significativamente più tarda del previsto. E gli scienziati stanno già lavorando sodo per sviluppare terapieTerapie Trattamenti genetiche anti-ripetizioni.

Cosa significa questo per la MH?

Un importante insegnamento di questa ricerca è che le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH hanno una naturale tendenza a crescere e che parte dello stesso macchinario di riparazione del DNA influenza questa espansione in diversi geni. Il coinvolgimento del macchinario di riparazione del DNA sia in TCF4 che in HTTHTT Una abbreviazione per il gene che causa la malattia di Huntington. Lo stesso gene é chiamato HD e IT-15 (insieme a molte altre ripetizioni) supporta fortemente l’idea che questi percorsi siano centrali per l’espansione delle ripetizioni – e forse per l’insorgenza della malattia. Non sappiamo ancora se l’espansione delle ripetizioni con l’età scateni la MH, ma questa crescente evidenza suggerisce una connessione intrigante.

Un limite importante è che questo studio ha misurato principalmente l’espansione nelle cellule del sangue. La crescita delle ripetizioni nelle cellule del sangue non significa necessariamente che le stesse ripetizioni stiano crescendo nel cervello, perché ogni cellula accumula espansioni a ritmi diversi e in modi che dipendono da complessi processi cellulari.

Tuttavia, questo studio evidenzia la necessità di terapieTerapie Trattamenti genetiche anti-ripetizioni e trattamenti per modificare l’attività dei percorsi di riparazione del DNA. Entrambi gli approcci sono già sotto indagine, ma sono necessarie ulteriori ricerche per determinare se saranno sicuri ed efficaci nelle persone.

Riassunto

• Gli scienziati hanno studiato sequenze di DNA ripetitive in oltre 900.000 persone.
• Hanno scoperto che le ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH possono espandersi tra le generazioni e durante l’arco della vita di una persona.
• Alcuni degli stessi geni per la riparazione del DNA influenzano l’espansione delle ripetizioni sia in TCF4 che nel gene della MH.
• Minuscole interruzioni all’interno delle ripetizioni CAGRipetizioni CAG Tratto di DNA all’ inizio del gene della MH, che contiene la sequenza CAG ripetuta molte volte, ed é lungo in maniera anomala nelle persone che svilupperanno la MH hanno rallentato drasticamente la loro crescita, supportando gli sforzi per sviluppare terapieTerapie Trattamenti anti-ripetizioni.
• La maggior parte delle misurazioni proveniva dal sangue, quindi sono necessarie ulteriori ricerche per capire come questi risultati si applichino al cervello.