症候前の組織を解析することで、遅発性変性トリヌクレオチドリピート病の分子的・機序的起源を解明することができる

Analyzing pre-symptomatic tissue to gain insights into the molecular and mechanistic origins of late-onset degenerative trinucleotide repeat disease.

• Yongjun Chu
• Jiaxin Hu
• Hanquan Liang
• Mohammed Kanchwala
• Chao Xing
• Walter Beebe
• C Bradley Bowman
• Xin Gong
• David R Corey
• V Vinod Mootha

抄録

遺伝的欠陥がどのようにして晩期疾患の原因となる分子変化を引き起こすかは、疾患の進行や治療法の開発を理解する上で重要である。Fuchs' endothelial corneal dystrophy（FECD）は、TCF4遺伝子内のイントロンにおけるトリヌクレオチドCTGの拡大によって引き起こされるRNA介在性疾患である。変異型イントロン型CUG RNAは、細胞あたり1/2コピーで存在しており、希少なRNAがどのようにして病気を引き起こすのかを理解することが課題となっています。遅発性FECDは、RNAがどのようにして疾患を誘発するかを研究する上で、他に類を見ない有利なモデルである。(ii) 拡張CTG突然変異は、最も一般的な病気の原因となる突然変異の一つであるため、アイバンクのドナーから症状前の組織を入手し、病気に先立って遺伝子発現がどのように変化しているかを調べることが可能である。ここでは、RNAシークエンシング（RNAseq）を用いて、症状前の個人の組織（Pre_S）と末期のFECD患者の組織（FECD_REP）を比較した。Pre_S組織とFECD_REP組織では、角膜細胞の半減期が増加しているため、変異型リピートイントロニックRNAの豊富さが上昇している。Pre_S組織では、スプライシングと細胞外マトリックス遺伝子発現の変化は、進行期に観察される変化を予見させるものであり、後期の患者に見られる線維化経路と免疫系の活性化を予測している。スプライシングの変化の絶対的な大きさは、症状前の組織と末期の組織で類似している。これらのデータは、疾患の初期の推進因子となる遺伝子候補と、FECDの診断・治療ターゲットとなりうるバイオマーカーを特定するものである。我々は、代替スプライシングと遺伝子発現の変化は、末期のトリヌクレオチドリピート病の診断の数十年前から観察可能であると結論づけている。

How genetic defects trigger the molecular changes that cause late-onset disease is important for understanding disease progression and therapeutic development. Fuchs' endothelial corneal dystrophy (FECD) is an RNA-mediated disease caused by a trinucleotide CTG expansion in an intron within the TCF4 gene. The mutant intronic CUG RNA is present at one-two copies per cell, posing a challenge to understand how a rare RNA can cause disease. Late-onset FECD is a uniquely advantageous model for studying how RNA triggers disease because: (i) Affected tissue is routinely removed during surgery; (ii) The expanded CTG mutation is one of the most prevalent disease-causing mutations, making it possible to obtain pre-symptomatic tissue from eye bank donors to probe how gene expression changes precede disease; and (iii) The affected tissue is a homogeneous single cell monolayer, facilitating accurate transcriptome analysis. Here, we use RNA sequencing (RNAseq) to compare tissue from individuals who are pre-symptomatic (Pre_S) to tissue from patients with late stage FECD (FECD_REP). The abundance of mutant repeat intronic RNA in Pre_S and FECD_REP tissue is elevated due to increased half-life in a corneal cells. In Pre_S tissue, changes in splicing and extracellular matrix gene expression foreshadow the changes observed in advanced disease and predict the activation of the fibrosis pathway and immune system seen in late-stage patients. The absolute magnitude of splicing changes is similar in pre-symptomatic and late stage tissue. Our data identify gene candidates for early drivers of disease and biomarkers that may represent diagnostic and therapeutic targets for FECD. We conclude that changes in alternative splicing and gene expression are observable decades prior to the diagnosis of late-onset trinucleotide repeat disease.

© The Author(s) 2020. Published by Oxford University Press on behalf of Nucleic Acids Research.