Pára a bola de neve genética: Como uma simples interrupção genética atrasa a doença de Huntington

Embora a alteração genética que causa a doença de Huntington (DH) leve a vários problemas para as células, os investigadores acreditam que estes podem ter origem num problema central: o comprimento da alteração genética aumenta com o tempo, como uma bola de neve que ganha massa à medida que rola pela encosta. Este fenómeno genético, conhecido como instabilidade somática ou expansão somática, parece ser um motor essencial da progressão da doença. Num estudo recente, os cientistas desenvolveram uma nova variante do CRISPR, uma poderosa ferramenta de edição genética, para interromper esta expansão genética, abrindo potencialmente caminho a novas oportunidades terapêuticas.

Uma bola de neve genética

A DH é causada por uma alteração num gene chamado HTT, especificamente onde as letras genéticas C-A-G são repetidas várias vezes. Nas pessoas com DH, esta secção CAG é mais longa do que o normal, desencadeando uma reação em cadeia mortal dentro das células cerebrais. Ao contrário da maioria das mutações, que permanecem iguais ao longo da vida, as repetições CAG no HTT crescem com a idade, como uma bola de neve que ganha velocidade à medida que desce a encosta.

À nascença, a maioria das pessoas com DH tem cerca de 40 a 50 repetições CAG no seu gene HTT. Com o tempo, esse número cresce exponencialmente dentro das células, ultrapassando por vezes as 500 repetições na altura em que os sintomas se desenvolvem! Se a repetição inicial estiver acima de um limiar crítico (36 repetições), a expansão transforma-se numa espécie de bola de neve genética ao longo do tempo e começa a crescer fora de controlo.

No entanto, a DH não está sozinha; pertence a uma categoria mais ampla de doenças chamadas doenças de repetição de trinucleótidos — um termo sofisticado para 3 (tri) letras genéticas (nucleótido) que se repetem (repetição — ok, esta era óbvia…). Todas estas doenças partilham um problema semelhante com mutações que crescem como bolas de neve. Um exemplo é a Ataxia de Friedreich, que é impulsionada por uma repetição CTG crescente que também se agrava com o tempo.

A observação de que várias doenças cerebrais são causadas por uma repetição crescente de trinucleótidos levanta uma questão fundamental: porque é que as sequências crescentes de trinucleótidos são tão tóxicas para as células cerebrais? Normalmente, genes como o HTT são usados para produzir RNA mensageiro, também chamado de mRNA, uma cópia temporária do DNA que é usada para fabricar proteínas, as máquinas da célula. No entanto, as longas repetições de trinucleótidos fazem com que o RNA se enrole em nós super emaranhados e estáveis, obstruindo a maquinaria de fabrico de proteínas da célula. À medida que estes RNAs emaranhados crescem e se tornam mais abundantes, perturbam cada vez mais a produção de proteínas, acabando por contribuir para a morte celular.

Interromper a instabilidade

E se houvesse uma forma de quebrar este efeito de bola de neve antes que ele saísse de controlo? Cientistas da Universidade de Harvard, liderados pelo Dr. David Liu, levantaram a hipótese de que poderiam interromper a sequência repetida de CAG simplesmente substituindo um dos CAGs por uma sequência CAA semelhante, mas inofensiva.

Ao interromper os CAGs repetidos, mesmo com uma sequência CAA semelhante, a via subjacente que leva ao crescimento dos CAGs com a idade pode ser bloqueada! Por outras palavras, inserir uma sequência CAA é como colocar um punhado de pedras na colina, fazendo com que a bola de neve choque contra elas e perca o seu balanço!

Liu e a sua equipa inspiraram-se em investigações anteriores que mostram que as interrupções de CAA parecem atrasar o início da doença. Normalmente, o número de repetições CAG prevê com precisão quando alguém irá desenvolver a DH, mas estudos genéticos identificaram pessoas com repetições longas, mas com idades de início tardias.

Analisados mais de perto, descobriu-se que estes casos genéticos atípicos continham curtas interrupções de CAA dentro do seu segmento de CAG. Surpreendentemente, estas simples interrupções foram associadas a um atraso de 12 anos no início da doença! Motivados por estas observações, Liu e a sua equipa perguntaram-se se poderiam inserir intencionalmente sequências CAA em células com o gene da DH, e se isto poderia recriar o efeito protetor.

O CRISPR quebra a bola de neve

Alterações genéticas de precisão, como trocar um CAG por um CAA, são simples na teoria, mas extremamente desafiantes na prática. Liu e a sua equipa recorreram ao CRISPR, uma ferramenta de edição genética que funciona como uma tesoura molecular para alterar sequências específicas de DNA. Desenvolveram um tipo especial de CRISPR, chamado edição de bases, que procura repetições CAG e troca algumas delas por CAAs.

Utilizando células humanas cultivadas em placas de Petri, descobriram que a sua estratégia de edição de bases CRISPR modificou com sucesso a repetição CAG do HTT em cerca de 80 % das células, sem sinais de toxicidade. Ainda mais promissor, descobriram que estas simples interrupções de CAA pareciam travar as expansões de repetições CAG após 30 dias. Notaram até que as células editadas por CRISPR pareciam crescer mais depressa e ter um aspeto mais saudável!

Como este tipo de CRISPR visa todas as repetições CAG (não apenas a do HTT) e introduz interrupções de CAA nelas também, precisavam de confirmar que outros genes não eram perturbados por acidente. No total, encontraram cerca de 250 outros genes alterados pelo CRISPR, provavelmente por conterem repetições CAG semelhantes. No entanto, apenas cerca de 50 deles estão ativos nas células cerebrais, e apenas um pareceu ser significativamente perturbado. Embora esta descoberta não exclua riscos, sugere que é improvável que edições não pretendidas causem problemas graves. Independentemente disso, minimizar as edições acidentais será uma prioridade máxima daqui para a frente!

Interromper os CAGs com CRISPR

Agora vem o grande desafio: conseguirá a equipa levar a maquinaria CRISPR para as células de um cérebro vivo e editar com sucesso as sequências CAG? A equipa de Liu utilizou um modelo de ratinho de DH que transporta 110 repetições CAG no seu gene HTT, e esta repetição cresce rapidamente à medida que os ratinhos envelhecem (instabilidade de repetições). Para entregar o CRISPR ao cérebro, a equipa embalou o CRISPR num vírus inofensivo, que funciona como um serviço de entrega de genes, injetando as ferramentas de edição genética diretamente nas células.

Quatro semanas após a injeção dos vírus carregados com CRISPR nos ratinhos, os investigadores descobriram que cerca de 30 % das células pareciam ter recebido a ferramenta de edição genética. Dos 30 % de células que continham CRISPR, cerca de 75 % pareciam ter pelo menos uma interrupção de CAA no seu gene HTT. Isso significa que cerca de 1 em cada 5 células cerebrais recebeu com sucesso a alteração genética protetora — não é perfeito, mas é um começo promissor! Após mais 12 semanas, os investigadores examinaram o comprimento das repetições CAG e descobriram que a expansão parecia não só ter parado, como algumas repetições CAG podem até ter encurtado!

Para investigar se a sua abordagem funcionava para além da DH, os investigadores repetiram as suas experiências em modelos celulares e de ratinhos de Ataxia de Friedreich, outra doença de expansão de repetições. De forma entusiasmante, observaram resultados semelhantes: até 55 % das células cerebrais pareciam conter interrupções de repetições, e as repetições pareciam estáveis ao longo do tempo, não mostrando sinais de expansão com a idade.

Irá o CRISPR quebrar o gelo?

Coletivamente, estas descobertas parecem mostrar que a expansão de repetições em bola de neve no HTT pode ser travada, e esta abordagem pode até aplicar-se a outras doenças de repetição. No entanto, existem alguns motivos para cautela. Este estudo focou-se em saber se o CRISPR poderia inserir interrupções de CAA e travar o crescimento das repetições, mas não avaliou se esta intervenção melhora os sintomas ou atrasa a doença. Conhecer o impacto deste tipo de abordagem terapêutica nos sinais e sintomas da DH é essencial para determinar se deve avançar.

Além disso, reduzir as alterações não pretendidas em genes que não o HTT será fundamental antes de passar para ensaios em humanos. Outra questão é a entrega — os cérebros humanos são muito maiores do que os dos ratinhos, e levar o CRISPR a um número suficiente de células cerebrais para fazer a diferença será particularmente desafiante.

Independentemente destas limitações atuais, estes resultados são um grande passo em frente. Com os avanços na precisão da edição genética e métodos de entrega mais eficazes, o CRISPR tornar-se-á provavelmente uma ferramenta poderosa na luta contra a DH e outras doenças de repetição de trinucleótidos.

TL;DR: As grandes conclusões

• O problema: A DH é causada por uma mutação no gene HTT, onde as repetições CAG crescem com o tempo, um processo chamado expansão somática. Esta “bola de neve genética” parece piorar a função das células cerebrais e impulsionar a progressão da doença.
• A visão: Mesmo uma pequena interrupção na sequência repetida, como trocar um CAG por um CAA semelhante e inofensivo, pode ser capaz de abrandar ou parar a expansão e atrasar o início dos sintomas.
• O avanço: Os cientistas usaram uma ferramenta CRISPR refinada (chamada edição de bases) para inserir estas interrupções de CAA potencialmente protetoras no gene HTT.
• No laboratório: Em células humanas, a edição de bases CRISPR funcionou em ~80 % das células, parecendo travar a expansão e melhorar a saúde celular.
• Em ratinhos: Após o CRISPR ter sido entregue através de injeção viral, cerca de 20 % das células cerebrais apresentaram alterações protetoras e as repetições CAG pareceram parar de crescer.
• Bónus: Foi observado um sucesso semelhante em modelos de ratinhos de outra doença de repetição, a Ataxia de Friedreich.
• O senão: É necessário mais trabalho para:
  • Provar a melhoria dos sintomas
  • Minimizar efeitos não pretendidos
  • Escalar a entrega para o cérebro humano, que é muito maior
• Porque é que isto é importante: Este trabalho mostra que o CRISPR pode ser usado para interromper expansões de repetições em tecido cerebral vivo, oferecendo uma esperança real para o tratamento da DH e de doenças genéticas semelhantes.

Saber mais

Artigo de investigação original, “Base editing of trinucleotide repeats that cause Huntington’s disease and Friedreich’s ataxia reduces somatic repeat expansions in patient cells and in mice” (acesso aberto).