Nocautes para a vitória: como as expansões de CAG impulsionam a doença

A doença de Huntington (DH) é causada por repetições extra das letras de ADN CAG dentro do código genético do gene da huntingtina. Costumávamos pensar que esses comprimentos de CAG eram estáveis na maioria dos tecidos, mas agora temos uma compreensão crescente de que a instabilidade do CAG contribui para a DH. A instabilidade somática é o conceito de que as repetições CAG se expandem ao longo do tempo em alguns tipos de células, particularmente células que são vulneráveis na DH. Muitos cientistas pensam que este processo pode desempenhar um papel na aceleração do desenvolvimento dos sintomas.

Um artigo atual aprofunda-se em alguns dos mecanismos por trás deste fenómeno, questionando como a expansão do CAG está ligada à doença e como a ciência poderia aproveitar os genes de reparação do ADN como um tratamento para a DH.

Das pessoas aos animais… e de volta às pessoas

A nossa compreensão atual do fenómeno da expansão da repetição CAG provém de enormes estudos humanos nos quais os participantes com DH doaram amostras e dados clínicos. As suas contribuições permitiram aos cientistas relacionar diferenças subtis na genética das pessoas com a idade em que desenvolveram sintomas de DH. Estes estudos, conhecidos como estudos de associação genómica ampla, ou GWAS (pronunciado ‘gee-wass’), mostraram que certas variações de ADN poderiam acelerar ou atrasar significativamente o início da DH.

Muitos dos genes identificados nestes estudos que justificavam mais investigação pertencem a uma família de genes que ajudam a reparar o ADN. Os últimos anos têm assistido a uma atividade frenética que nos leva a algumas novas conclusões sobre a DH e a expansão dos CAGs. Aqui está um breve resumo antes de mergulharmos em alguns dados novos sobre este tópico:

• A maquinaria de reparação do ADN pode falhar ao tentar “corrigir” repetições CAG extra longas – acidentalmente tornando-as cada vez mais longas!

• Isto não acontece na grande maioria das células, mas parece ocorrer muito numa parte do cérebro chamada estriado, que controla o humor, o movimento e a motivação. Estudar a expansão do CAG no estriado pode levar-nos a compreender melhor por que estas células são tão vulneráveis na DH.

• Alguns estudos descobriram que existe um limiar de cerca de 150 repetições CAG a partir do qual os danos à célula começam a acelerar.

• O “knockout” experimental ou remoção genética de genes de reparação do ADN conhecidos por cometer erros nos CAGs pode retardar ou até parar a expansão da repetição CAG em modelos laboratoriais de DH.

• Alguns destes genes, como o Msh3, são alvos de terapias para a DH humana em desenvolvimento – mas ainda precisamos de compreender melhor como influenciam a biologia da DH e quais são as consequências (positivas e negativas) de os eliminar.

Preparando a experiência

Os autores de um artigo recente, liderado por X. William Yang na Universidade da Califórnia, Los Angeles (UCLA), adotaram uma abordagem direta e minuciosa para explorar a conexão entre genes de reparação do ADN, expansão CAG, saúde das células cerebrais e até comportamento.

Eles escolheram um conjunto de nove genes identificados nos estudos GWAS humanos e que fazem parte da maquinaria que realiza um certo tipo de reparação do ADN, o tipo que impulsiona o “ups” do alongamento do CAG. Depois, utilizaram esquemas especializados de genética e reprodução de ratinhos para criar ratinhos com DH sem uma ou ambas as cópias destes genes de reparação do ADN.

Em cada um destes ratinhos com DH, faltando genes como Msh3, Pms1, Mlh1 e outros, eles puderam aprender mais sobre como interferir com a reparação do ADN poderia afetar a expansão CAG, a produção de mensagens de ARN (a especialidade do laboratório), a acumulação tóxica de huntingtina e outras características da DH. Ficaram surpreendidos ao descobrir que alguns knockouts tinham consequências positivas profundas, enquanto outros não tinham efeito algum. O que aprenderam é valioso para a nossa compreensão da biologia da DH e o desenvolvimento de terapêuticas.

Revertendo alterações no ARN

O nosso ADN é lido ou “transcrito” por maquinaria especializada para fazer mensagens de ARN, que são eventualmente usadas para fazer proteínas, os blocos de construção da vida. Há todo um ramo da ciência que explora a localização e a quantidade de mensagem de ARN feita a partir de diferentes genes – este é o campo da transcriptómica.

Os cientistas podem definir um “transcriptoma” saudável de ratinho olhando para milhares de genes e perguntando quais são normalmente ligados e desligados em diferentes células, e quanta mensagem de ARN de cada um está presente. Depois, podem ver como isso muda num ratinho com DH ao longo do tempo, ou experimentar para ver o que pode ajudar a restaurar os níveis de ARN do ratinho ao normal.

O laboratório de Yang estava a trabalhar com um tipo de ratinho que modela a DH que mostra grandes alterações no seu transcriptoma em comparação com ratinhos normais. Muitos genes estão a produzir mais ou menos ARN do que deveriam, especialmente dentro dos neurónios espinhosos médios, as células que são mais vulneráveis na DH. Quando o laboratório de Yang “eliminou” metade do Msh3 e Pms1 no seu modelo de ratinho com DH, eles viram uma reversão parcial das alterações de ARN nos neurónios espinhosos médios. Com Msh3 ou Pms1 completamente ausentes, as alterações de ARN foram quase totalmente revertidas, muitas vezes durando até um ano (metade da vida de um ratinho de laboratório!). A eliminação de alguns outros genes – Msh2 e Mlh1 – também teve alguns efeitos de reversão, mas estes foram mais moderados. Algumas eliminações de genes não tiveram efeito algum.

Os membros do laboratório de Yang são especialistas mundiais no estudo da transcriptómica da DH, e eles usaram múltiplas técnicas de laboratório de ponta, bem como diferentes abordagens estatísticas para confirmar os seus resultados. Examinaram os níveis de ARN em muitas células, até ao nível de células individuais, e também olharam para quão apertadamente o ADN estava enrolado em torno do seu “carretel”, conhecido como cromatina. Em todos os casos, a eliminação de Msh3 e Pms1 parecia reverter as alterações relacionadas com a DH.

Acalmando CAGs e aglomerados

Em paralelo, o laboratório de Yang mediu a quantidade de instabilidade somática – o alongamento das repetições CAG – em diferentes partes do cérebro e do corpo. Neste tipo de ratinho com DH, as repetições CAG ficam mais longas ao longo do tempo, especialmente dentro das células do estriado. De facto, este grupo usou estatísticas para definir a taxa à qual os CAGs se expandem nestas células cerebrais vulneráveis do ratinho: é cerca de 8,8 repetições CAG por mês. (Estas taxas de expansão NÃO se aplicam aos humanos – estes ratinhos começam com 140 repetições e são projetados para experimentação.)

A descoberta emocionante é que quando os ratinhos tinham menos ou nenhum Msh3 ou Pms1, essa taxa diminuiu muito. De facto, remover ambas as cópias de Msh3 reduziu essa taxa para 0,3 repetições CAG extra por mês, até aos 20 meses de idade – isso é basicamente um comprimento de repetição estável, num ratinho velho!

Ao mesmo tempo, Yang e colegas observaram que os ratinhos com DH com metade ou nenhum Msh3 ou Pms1 também tinham muito menos aglomerados de proteína huntingtina no estriado. A acumulação destes aglomerados é uma característica clássica da DH que muitos cientistas suspeitam que possa ser tóxica para as células cerebrais. Remover Msh3 preveniu a formação de aglomerados de huntingtina noutras áreas do cérebro também. A quantidade de huntingtina aglomerada parecia corresponder à quantidade de alterações anormais de ARN que tinham visto anteriormente.

Além disso, eles foram capazes de confirmar resultados de outros laboratórios mostrando que parece haver um limiar de repetições CAG – cerca de 150 – acima do qual a célula começa a experimentar mais stress. Eles conectaram este limiar a níveis mais altos de alterações de ARN: a expansão CAG acelera e piora esse stress.

Prevenindo alterações cerebrais e comportamentais

Adoramos matemática e gráficos arco-íris de múltiplos painéis, mas é ainda mais fixe ver uma ligação entre genética e saúde comportamental. Uma forma em que este trabalho representa um passo em frente é que os autores mostram como a eliminação dos genes que previnem a expansão CAG também pode ter efeitos nas células cerebrais e no movimento dos ratinhos.

Este tipo de ratinho com DH tende a mostrar alterações nas conexões entre neurónios, conhecidas como sinapses, bem como o aumento de células de suporte chamadas astrócitos. Os ratinhos também têm problemas com a sua marcha e movimento. No entanto, quando os investigadores eliminaram Msh3, eles já não observaram nenhuma destas alterações relacionadas com a DH nos ratinhos. Esta é ainda mais evidência do papel do Msh3 na DH, e sugere que é um bom alvo para medicamentos.

Note-se que este não foi o foco principal do artigo – eles apenas olharam para algumas características da saúde cerebral e uma tarefa comportamental – mas ainda é uma ligação promissora.

Pequenos passos impulsionam tratamentos futuros

Provavelmente já notaste que o HDBuzz tem insistido na instabilidade somática (alto e frequentemente) há algum tempo, e que apresentámos muitas mensagens semelhantes: a expansão da repetição CAG parece estar a contribuir para a DH, e os cientistas identificaram algumas formas de a combater. Este trabalho não é exceção; mais uma vez, genes como Msh3 e Pms1 são culpados que podem ser “eliminados” com grande benefício nos cérebros de um tipo de ratinho com DH.

Todos estes avanços individuais podem parecer pequenos, mas publicações como esta representam anos de trabalho colaborativo entre uma grande equipa, moldado por contribuições frequentes de uma comunidade internacional de cientistas da DH. Escolhemos destacar este artigo em particular porque ele conecta os pontos entre a expansão CAG, mensagens de ARN anormais e alterações na saúde cerebral e comportamento.

Os autores alertam que precisamos de muito mais informação para realmente entender a ligação entre Msh3 e Pms1 e os sintomas da DH. Eles também reconhecem, como sempre fazemos, que ratinhos não são pessoas. Estes ratinhos em particular começam a vida com 140 CAGs em cada célula do seu corpo, o que é muito mais alto do que mesmo a maioria dos casos de DH juvenil humana. As repetições CAG não estão a expandir-se nem de perto tão rapidamente em humanos como o fazem nestes ratinhos experimentais.

No entanto, os seus dados, juntamente com os de outros laboratórios que trabalham incansavelmente para entender a DH, apresentam um forte argumento para desenvolver terapias baseadas em Msh3 e Pms1. E estes esforços estão de facto em andamento!

Aprende mais

• Genes distintos do complexo de reparação de incompatibilidades definem a taxa de expansão de repetições CAG neuronais para impulsionar a patogénese seletiva em ratinhos com DH (acesso livre)