Huntington’s Disease

Huntington’s Disease (HD, ook bekend als Huntington’s Chorea of St. Vitus Dance) is een autosomaal dominant overervende neurodegeneratieve ziekte. HD-patiënten overlijden uiteindelijk als gevolg van het krimpen van de hersenen, doordat neuronen in apoptose gaan en niet vervangen worden. Ongeveer 4 tot 10 op de 100.000 mensen is HD-patiënt. Symptomen van de ziekte zijn onder andere:

• Ongecoördineerde bewegingen,
• Verstandelijke handicap,
• Emotionele stoornissen.
• Genetische achtergrond

Het gen verantwoordelijk voor HD codeert voor huntingtin-eiwit, een eiwit van 350 kDa met een nog onbekende precieze functie. Muizen waarbij het HD-gen uitgeschakeld is (‘null mutants’), ontwikkelen geen brein en zijn dus niet levensvatbaar. Muizen waarbij het HD-gen vervangen is door het humane, gemuteerde gen (complementatie), zijn wel levensvatbaar en zullen uiteindelijk ook vergelijkbare symptomen vertonen als mensen met het gemuteerde gen. Huntingtin is dus essentieel in de ontwikkeling van de hersenen en er kan daarom geconcludeerd dat het gemuteerde huntingtin deze functie niet heeft verloren (HD-patiënten zouden niet levensvatbaar zijn als het gemuteerde huntingtin zijn functie in neurogenese niet meer zou kunnen uitvoeren).

Het HD-gen ligt op chromosoom 4 en wordt gekenmerkt door een N-terminale CAG-repeat (coderend voor een polyglutamine staart, vaak afgekort als PolyQ). De PolyQ-staart heeft de eigenschap om β- sheets te vormen. Gewoonlijk varieert het aantal CAG-repeats in het DNA tussen de 6 en 35, maar bij HD-patiënten ligt dit aantal tussen de 40 en 121. De lengte van de repeat is omgekeerd evenredig met de onset van de ziekte: hoe langer de repeat, hoe eerder de ziekteverschijnselen zullen ontstaan. Het is uitsluitend de lengte van de repeat die bepalend is voor de ziekte, het gen zelf blijft intact. De mutatie ontstaat door de instabiliteit van de CAG-repeat in het DNA. Instabiliteit is een algemene eigenschap van nucleotide-repeats in het DNA, dit geldt dus niet alleen specifiek voor de CAG-repeat in het gen voor huntingtin. De mutatie ontstaat tijdens de replicatie van het DNA door stotteren van de replicatie-enzymen. DNA is een dynamisch molecuul en er bestaat een evenwicht tussen de gesloten en open fase van het DNA. Tijdens de DNA-replicatie kan het DNA dus spontaan tijdelijk overgaan in zijn open fase (figuur 1). Wanneer het DNA weer terugkeert naar zijn gesloten fase, zal het in veel gevallen weer netjes de juiste baseparing maken (figuur 1, bovenste pathway). In sommige gevallen worden echter een aantal CAG-repeats overgeslagen (figuur 1, onderste pathway). Als de replicatie dan gewoon doorgaat, zullen dus extra repeats in het nieuwe DNA ingebouwd worden. Als deze replicatiefout in de geslachtscellen plaatsvindt, kan dit leiden tot HD bij de nakomeling (als het totaal aantal repeats hierdoor groter wordt dan 40). Het mechanisme kan natuurlijk ook precies omgekeerd

plaatsvinden, wat tot een te klein aantal repeats kan leiden (figuur 1, middelse pathway). Deze mutatie is echter niet terug te zien in het fenotype. Figuur 1: Mechanisme voor het langer worden van de CAG-repeat tijdens de replicatie bij HD-patiënten.

Grijs DNA is het originele DNA (alleen de leading strand is weergegeven), blauw is het nieuw gesynthetiseerde DNA. De bovenste pathway geeft de normale replicatie weer, de onderste pathway de replicatie waarbij de CAG-repeat verkeerd terugkeerd naar de gesloten toestand van het DNA (zie tekst voor details). De middelse pathway laat zien dat er ook te weinig repeats ingebouwd kunnen worden. De DNA-loops worden extra gestabiliseerd door C-G basenparing. De replicatie-eiwitten zijn niet weergegeven.

Mechanisme: vorming van NI’s

Als gevolg van de mutatie wordt huntingtin in HD-patiënten naar de kern getransporteerd, terwijl het eiwit bij gezonde personen in het cytoplasma blijft. Hier kunnen aggregaten van huntingtin ontstaan (nuclear inclusions, NI’s), welke apoptose als gevolg hebben. Er is dus sprake van een ‘gain of function’-mutatie. De aggregaten ontstaan doordat de β-strands van de polyQ-staarten interacties met elkaar aan kunnen gaan. Hierbij worden anti-parallelle β-sheets gevormd, die gestabiliseerd worden door waterstofbruggen. Wanneer de polyQ-staarten meer dan 40 repeats hebben, worden deze interacties tussen β-strands sterk genoeg voor aggregatie. In gezonde personen zijn de polyQstaarten te kort, waardoor de de β-strands geen stabiele interacties met elkaar kunnen aangaan.

Dit verklaart ook waarom de ziekte dominant overerft: in heterozygote patiënten is zowel de gezonde als gemuteerde variant van huntingtin aanwezig, maar 50% van het huntingtin van die patiënt slaat altijd neer in de kern. Om deze reden worden ~99% van alle dominant overervende ziektes veroorzaakt door ‘gain of function’-mutaties.

Andere eiwitten met β-sheets kunnen ook ingevangen worden door de huntingtin-aggregaten, waardoor ze hun functie niet meer kunnen uitvoeren. Een voorbeeld is ataxin-3, wat ook een polyQstaart bevat (figuur 2). Mogelijk is het wegvangen van essentiële eiwitten (mede-)verantwoordelijk voor het in apoptose gaan van de neuronen.

Mechanisme: betrokkenheid van het proteasoom en caspases

Het gemuteerde huntingtin wordt door ubiquitine getagd voor afbraak door het proteasoom volgens het bekende mechanisme (The Cell, pagina 391-394). Deze afbraak is echter niet succesvol en kan in plaats daarvan leiden tot rekrutering van andere polyQ-bevattende eiwitten (figuur 2). Via een nog onbekend mechanisme heeft de vorming van gemuteerd huntingtin ook activatie van caspases tot gevolg, een groep van proteases die actief wordt wanneer cellen in apoptose gaan. Activatie van caspases heeft mogelijk als gevolg dat andere apoptotische pathways geselectederd worden, waardoor de neuronen uiteindelijk in apoptose gaan.

HD vanuit een klinisch perspectief

Vanuit een therapeutisch oogpunt is het interessant om specifiek het gemuteerde huntingtin op te kunnen ruimen uit de cel. Mogelijk kunnen een aantal post-translationele modificaties hierbij een belangrijke rol in spelen. Het is gebleken dat fosforylering van Ser13 en Ser16 de ziekteverschijnselen konden voorkomen in het muismodel van HD. Het vervangen van de serines door het negatief geladen aminozuur aspartaat had een vergelijkbaar effect (beide methoden brengen negatieve lading aan in het N-terminale uiteinde van het huntingtin). Bij muizen waarbij het serine in het gemuteerde huntingtin was vervangen door alanine (wat geen OH-groep bevat in de zijketen en dus niet gefosforyleerd kan worden) werden wel HD-symptomen geconstateerd. De aanwezigheid van een fosfaatgroep of andere negatieve lading blijkt dus belangrijk te zijn voor het opruimen van het eiwit. Bij het gemuteerde eiwit gaat deze fosforylering echter inefficiënter dan bij het wild-type.

Het is mogelijk dat de aanwezigheid van negatieve groepen op de serines het aanbrengen van andere post-translationele modificaties kan induceren, waaronder ook acetylering van Lys9 en Lys444 van het huntingtin. Deze acetylering is direct gelinkt aan de afbraak van huntingtin via autofagie (figuur 3). Normaal is dit de pathway waarmee organellen afgebroken worden, maar ook de afbraak van huntingtin gaat mogelijk (gedeeltelijk) via deze pathway. Het geacetyleerde huntingtin wordt waarschijnlijk getagd met SUMO, een eiwitje wat lijkt op ubiquitine, om vervolgens afgebroken te worden in de autofagie pathway.

Kinases die mogelijk specifiek het (gemuteerde) huntingtin kunnen kineren zijn mogelijke nieuwe targets voor behandeling van HD. Andere polyglutamine diseases

Alle CAG-repeats in het genoom zijn instabiel en elk van deze repeats kan dus ook verlengd worden volgens het mechanisme uit figuur 1. Alle in frame CAG-repeats zullen coderen voor een polyQ-staart en alle polyQ-staarten vormen β-sheets. Het is dus niet verwonderlijk dat er een aantal andere ziektes zijn die ook veroorzaakt worden door instabiliteit van CAG-repeats in het DNA. Deze ziektes worden ook wel aangeduid met de term ‘polyglutamine diseases’. Een aantal van deze ziektes zijn spinobulbar muscular atrophy (SBMA), spinocerebellar ataxia type 1 (SCA1), SCA2, SCA3, SCA6, SCA7, SCA12 en SCA17. In deze laatste ziekte is de polyQ-staart van het TATA-binding protein verlengd, een algemene transcriptie initiatiefactor. Ook SCA17 wordt gekenmerkt door vorming van NI’s in de kernen van neuronen.