Geavanceerde RNA-analysetechniek onthult veelbelovende biomarkers voor facioscapulohumerale spierdystrofie

FSHD

Facioscapulohumerale spierdystrofie (FSHD) is een van de meest voorkomende erfelijke spieraandoeningen. De ziekte is desondanks zeer zeldzaam. In Nederland zijn er ongeveer 2.000 FSHD patiënten en wereldwijd zijn er 500.000 mensen getroffen door de ziekte. FSHD kenmerkt zich door spierzwakte die in de loop van de tijd erger wordt (=progressief). Meestal begint de ziekte in de gezichtsspieren waarna de spieren in de schouders en bovenarm zwakker worden. Welke klachten en hoe snel de ziekte zich ontwikkelt, verschilt van persoon tot persoon. Terwijl sommige patiënten een langzaam ziekteproces doormaken met milde symptomen, krijgen anderen te maken met grotere fysieke beperkingen. Ongeveer 20% van de patiënten verliest uiteindelijk het vermogen om te staan en te lopen en wordt afhankelijk van een rolstoel.

Startmotor DUX4

FSHD ontstaat door een verandering in het DNA die leidt tot de ongewenste aanmaak van de transcriptiefactor DUX4 in de spieren van FSHD-patiënten. Transcriptiefactoren spelen een cruciale rol bij het reguleren van genactiviteit. Ze zetten specifieke genen aan (of uit) door te binden aan het DNA. Transcriptiefactoren bepalen niet alleen welke genen aangezet worden maar ook wanneer, waar en in welke mate dit gebeurt. Dit nauwgezette proces vormt de basis voor de juiste ontwikkeling van cellen, organen en het organisme als geheel, waardoor ze gedurende hun leven optimaal kunnen blijven functioneren.

DUX4 is een transcriptiefactor die een belangrijke rol speelt in de eerste stadia van de embryonale ontwikkeling. “Wanneer het embryo uit slechts vier cellen bestaat, zet DUX4 de genen aan die nodig zijn voor de groei en ontwikkeling van een embryo. DUX4 is als het ware een startmotor en geeft het embryonale genoom een kickstart, waarna het snel verdwijnt. Dit snelle verdwijnen is belangrijk omdat DUX4 alleen nodig is tijdens de vroege embryonale ontwikkeling en niet actief hoort te zijn in volwassen weefsels. Bij FSHD-patiënten blijft DUX4 echter ongewenst actief in spiercellen. Dit beschadigt de spieren, veroorzaakt ontstekingen en leidt tot spierzwakte”, zegt professor Silvère van der Maarel. 

Niet helemaal hetzelfde

“We onderzochten of DUX4 in FSHD-spieren dezelfde genen activeert en hetzelfde boodschapper-RNA (mRNA) vormt als in het vroege embryo. Een gen kan je vergelijken met een recept voor het klaarmaken van een gerecht. Door bepaalde ingrediënten of stappen te veranderen, ontstaan verschillende variaties van hetzelfde gerecht. Op een vergelijkbare manier kan één gen meerdere mRNA-varianten maken die isovormen worden genoemd. Deze variaties ontstaan doordat het RNA tijdens het proces van alternatieve splicing op verschillende manieren wordt ‘geknipt en herschikt’.

Dit proces is cruciaal, omdat één gen hierdoor verschillende mRNA-isovormen kan aanmaken, die vervolgens worden vertaald naar verwante eiwit-isovormen. Hoewel deze eiwitvarianten onderling slechts kleine verschillen vertonen, hebben ze elk hun eigen unieke functie in het lichaam. Dit mechanisme stelt het lichaam in staat om een breed scala aan eiwitvarianten uit hetzelfde genetische materiaal te produceren. In het geval van DUX4 ontdekten we dat de mRNA-isovormen die in spieren van FSHD-patiënten worden aangemaakt, afwijken van de isovormen in het embryo. Het mRNA lijkt op de embryonale staat, maar is niet exact hetzelfde”, legt promovendus Dongxu Zheng uit.

Innovatieve onderzoeksfaciliteiten

Het LUMC loopt voorop in de toepassing van de nieuwste genomics-technologieën, waardoor Zheng, Van der Maarel en hun collega’s met behulp van de geavanceerde long-read RNA-sequencing techniek mRNA-isovormen konden identificeren. Dankzij deze innovatieve LUMC-onderzoeksfaciliteit kregen de onderzoekers meer inzicht in de rol van DUX4 in het ziekteproces van FSHD.

RNA-sequencing is het proces waarbij de RNA-code wordt uitgelezen. Binnen de genetica is short-read sequencing een veelgebruikte techniek die, zoals de naam al doet vermoeden, informatie geeft over korte stukjes RNA. Long-read sequencing daarentegen kijkt naar volledige RNA-moleculen. Zheng: “Als je genen vergelijkt met een recept, kun je zeggen dat een short-read je 'stukjes van het recept' geeft die je zelf moet combineren, terwijl een long-read je 'volledige recepten' geeft. Doordat we nu complete ‘recepten’ in plaats van ‘fragmenten’ hebben, begrijpen we beter welke ‘recepten’ DUX4 maakt in de spier en in het embryo en hoe deze leiden tot specifieke eiwitten en hun mogelijke rol bij FSHD.

Schatkist

DUX4 is al uitgebreid bestudeerd in de context van FSHD, maar de recente ontdekkingen van Zheng en Van der Maarel hebben een schatkist vol nieuwe informatie geopend. “We hebben veel isovormen gevonden die tot expressie komen in FSHD-spierweefsel, maar niet in gezond spierweefsel. We onderzoeken nu of deze FSHD-mRNA isovormen worden vertaald in spiereiwitten en of ze gebruikt kunnen worden als biomarkers”, legt Van der Maarel uit.

Biomarkers zouden kunnen helpen bij het in kaart brengen van de ernst, duur en pathologie van de ziekte. Bovendien zijn er lopende en toekomstige klinische studies—ook in het LUMC—waarin wordt onderzocht wat het effect is van het blokkeren van DUX4 bij FSHD-patiënten. In dat geval zouden biomarkers een waardevol hulpmiddel kunnen zijn bij het beoordelen van de effectiviteit van DUX4-remmingstherapie. Een andere veelbelovende mogelijkheid is het identificeren van een biomarker die in het bloed kan worden gedetecteerd. Dit zou een minder ingrijpende methode bieden om het verloop van FSHD te volgen en het succes van een behandeling te bepalen door gebruik te maken van bloedonderzoek in plaats van spierweefselanalyse. Van der Maarel: “Er staan ons spannende tijden te wachten waarin we, in samenwerking met onderzoekers over de hele wereld, weer een stap dichter komen bij het begrijpen van de mechanismen achter FSHD.”

Meer informatie

Lees meer over het onderzoek van Zheng en Van der Maarel in Science Advances. Meer informatie over FSHD kan je vinden op de website van het LUMC en de website van het Prinses Beatrix Spierfonds.

Financiering

Dit onderzoek was gefinancierd door het Prinses Beatrix Spierfonds en de US National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases.