Naukowcy od kilkudziesięciu lat badają genetyczne przyczyny wrodzonej wady serca (CHD). Około 45% przypadków CHD ma możliwą do zidentyfikowania przyczynę, obejmującą nieprawidłowości chromosomalne, warianty genetyczne wpływające na geny kodujące białka i czynniki środowiskowe. A co z resztą przypadków CHD?

Od dawna uważano, że niekodujące elementy DNA odgrywają rolę w CHD, ale niewiele wariantów uznano za przyczynowe. Nowa praca wykonana w laboratorium kardiologa Williama Pu w Bostońskim Szpitalu Dziecięcym dostarcza jak dotąd najmocniejszych dowodów na to, że niekodujący DNA przyczynia się do rozwoju choroby wieńcowej. Ustanawia także proces wyszukiwania i sprawdzania wariantów.

„Bardzo trudno jest ustalić, które niekodujące warianty są w rzeczywistości zaangażowane w choroby serca, a które są po prostu niewinnymi obserwatorami” – mówi Pu, zastępca kierownika Podstawowych i Translacyjnych Badań Układu Sercowo-Naczyniowego w Boston Children’s. „Przeciętny człowiek ma około 70 wariantów w regionach niekodujących, które są de novo (nie udostępniane rodzicom). A jeśli porównać osoby z chorobami serca i bez chorób serca, mają tę samą liczbę wariantów”.

Jak opisano w artykule opublikowanym w Genetyka naturyPu i jego współpracownicy wykorzystali dane z wieloośrodkowego konsorcjum Pediatric Cardiac Genomics Consortium (PCGC), kierowanego w Boston Children’s przez Jane Newburger, MD, MPH; Amy Roberts, lekarz medycyny; i Wendy Chung, MD, Ph.D.

Konsorcjum wzięło udział ponad 13 000 pacjentów z CHD (mniej więcej jedna piąta z nich to pacjenci Boston Children’s) i ponad 18 000 członków rodzin. Zsekwencjonowano całe genomy ponad 3000 pacjentów, a laboratorium Pu uzyskało dane dotyczące sekwencjonowania całego genomu 750 pacjentów i ich rodziców.

Koncentrowanie się na wariantach sprawczych

Aby wyeliminować warianty niekodujące, które prawdopodobnie były raczej „szumem” tła niż przyczyną, zespół badawczy zastosował filtry statystyczne. Skoncentrowali się także na wariantach de novo, które z większym prawdopodobieństwem mają charakter przyczynowy.

W rezultacie u pacjentów z CHD pozostało prawie 7000 wariantów w niekodujących regionach DNA. Aby zbadać funkcję wariantów, zespół stworzył wysokoprzepustowy system do testowania ich wpływu na ekspresję sąsiadujących genów.

„Z 7000 przetestowanych przez nas wariantów znaleźliśmy 403, które wpływały na aktywność wzmacniaczy transkrypcji” – mówi Pu. „Byliby to główni kandydaci na warianty, które w rzeczywistości mogą przyczyniać się do wrodzonych chorób serca”.

Następnie wykonali żmudne zadanie, wprowadzając 10 niekodujących wariantów do normalnych ludzkich komórek macierzystych w odpowiednim miejscu w genomie. Kiedy nakazali komórkom macierzystym tworzenie kardiomiocytów, cztery z 10 wariantów zmieniły ekspresję sąsiadujących genów.

„Wiadomo już, że te geny po zmutowaniu powodują wrodzoną chorobę serca” – mówi Pu. „Warianty albo powodowały, że wzmacniacz nie działał tak dobrze, jak powinien, w związku z czym gen ulegał ekspresji na niższym poziomie, albo zamieniały region, który nie powinien być wzmacniaczem, we wzmacniacz, aktywując gen w niewłaściwym czasie lub w niewłaściwym miejscu. Każdy ze scenariuszy może potencjalnie powodować choroby serca.

W ramach drugiego testu przeprowadzili sekwencjonowanie pojedynczych komórek kardiomiocytów pochodzących z komórek macierzystych w czterech wariantach. Komórki te miały również zmieniony profil ekspresji genów, zgodny z potencjałem wywoływania choroby wieńcowej.

Przyszłe kierunki genetyki CHD

Pu uważa, że ​​w strukturalną chorobę serca mogą być zaangażowane setki innych niekodujących wariantów, co pomaga wyjaśnić wiele przypadków choroby wieńcowej, które w wyniku sekwencjonowania egzomu dają wynik negatywny. Współpierwsza autorka Sarah Morton, doktor medycyny z Oddziału Medycyny Noworodków, specjalizuje się w badaniu genetycznych przyczyn CHD. Wykorzystując dane z badania, stworzyła algorytm ustalający priorytety tych wariantów, które najprawdopodobniej są powiązane z CHD, do dalszych badań.

„Kiedy oceniamy kodujące warianty genetyczne, takie jak warianty zmiany sensu, które zmieniają pojedynczy aminokwas, chcemy poznać prawdopodobieństwo, że zmienią one ekspresję białka” – mówi Morton. „Istnieje stosunkowo niewiele narzędzi pozwalających przewidzieć wpływ funkcjonalny wariantów niekodujących, zwłaszcza że mogą one odnosić się do chorób pediatrycznych”.

Zespół ma nadzieję rozszerzyć swoje poszukiwania poza kardiomiocyty i objąć nimi inne typy komórek, takie jak komórki grzebienia nerwowego i komórki wsierdzia.

W przyszłości odkrycia można potencjalnie wykorzystać do stratyfikacji ryzyka dla pacjentów, przewidywania wyników operacji, a nawet, w bardziej odległej przyszłości, do zmiany przebiegu strukturalnej choroby serca w czasie ciąży lub po urodzeniu.

„To cały niezbadany obszar” – mówi Pu. „W tym badaniu znaleźliśmy dopiero wierzchołek góry lodowej”.