Francis Collins, M.D., Ph.D.
Laboratorium dr Collinsa dąży do zidentyfikowania i zrozumienia funkcji genów zaangażowanych w szereg chorób człowieka, zarówno rzadkich, jak i powszechnych, w celu zidentyfikowania nowych możliwości terapeutycznych.
Jeden z istotnych projektów laboratorium koncentruje się na zespole progerii Hutchinsona-Gilforda (HGPS), rzadkim zaburzeniu genetycznym charakteryzującym się przedwczesnym starzeniem. Pacjenci z HGPS zazwyczaj umierają z powodu powikłań sercowo-naczyniowych w wieku kilkunastu lat. Grupa dr Collinsa odkryła, że mutacja punktowa w genie lamin A (LMNA) aktywuje kryptycznego donora splotu, powodując skrócenie normalnej wersji kodowanego białka o 50 aminokwasów w pobliżu C-terminusa – białko to nazwano „progeriną”. Odkryli również, że HGPS wiąże się z istotnymi zmianami w kształcie jądra, te defekty strukturalne pogłębiają się w miarę starzenia się komórek HGPS w hodowli, a wprowadzenie progeriny do normalnych komórek indukuje te same zmiany. Biologiczna analiza komórkowa sugeruje, że progerina zakłóca normalny proces mitozy. Badanie normalnych ludzkich fibroblastów wykazało, że niewielkie ilości progeriny są obecne w normalnych populacjach komórek, a ich ilość wzrasta w miarę starzenia się komórek. Zmiana we wzorze splicingu LMNA w celu wytworzenia progeriny jest najwyraźniej wywoływana przez skrócone telomery. Tak więc, badanie tej rzadkiej choroby potencjalnie daje cenny wgląd w proces normalnego starzenia się.
Białko lamin A jest normalnie farnezylowane na jego C-końcu, co najwyraźniej pomaga skierować prelaminę na wewnętrzną powierzchnię błony jądrowej. Kolejne rozszczepienie proteazy uwalnia ten C-końcowy fragment, pozwalając laminie A dołączyć do innych białek w rusztowaniu, które znajduje się tuż pod błoną jądrową. Progerina jest prawidłowo farnezylowana, ale nie może zostać rozszczepiona, co sprawia, że jest na stałe zakotwiczona w błonie jądrowej, wypierając inne białka i funkcjonując jako dominujący czynnik negatywny. Obserwacje te doprowadziły do hipotezy, że inhibitory transferazy farnezylowej (FTI) mogą być korzystne w leczeniu progerii, a eksperymenty na hodowlach komórkowych wykazały, że FTI mogą znacząco poprawić nieprawidłowości kształtu jądra widoczne w komórkach HGPS.
Ponieważ większość pacjentów z progerią jest w bardzo delikatnym stanie zdrowia, istnieje niewiele możliwości przeprowadzenia prób na ludziach potencjalnych terapii. Grupa dr Collinsa opracowała zwierzęcy model progerii poprzez przerobienie ludzkiego LMNA tak, aby nosił mutację HGPS, i wstawienie go do linii zarodkowej myszy. Myszy wykazują postępującą chorobę układu sercowo-naczyniowego, która bardzo przypomina chorobę obserwowaną u pacjentów z HGPS. W szczególności, myszy te wykazują postępującą utratę komórek mięśni gładkich naczyń w środkowej części dużych tętnic. Wykorzystując model mysi jako źródło potencjalnych terapii, laboratorium Collinsa wykazało, że leczenie FTI nie tylko zapobiegło wystąpieniu choroby sercowo-naczyniowej u młodych myszy, ale również zmniejszyło progresję wad sercowo-naczyniowych po leczeniu starszych myszy. Badania te uzupełniły inne dane wspierające kliniczne próby podawania FTI pacjentom z HGPS, które ostatnio okazały się skutkować poprawą stanu układu sercowo-naczyniowego.
Najnowsze prace nad projektem HGPS obejmują odkrycie, że rapamycyna może być korzystna poprzez stymulowanie autofagicznego usuwania kompleksów progerynowych. Laboratorium jest również zaangażowane w długoterminowe wysiłki mające na celu wygenerowanie myszy, która w ogóle nie może produkować progeryn, w celu ustalenia, czy brak ten skutkuje zwiększoną długowiecznością.Innym ważnym projektem w laboratorium Collinsa jest złożony, powszechny, nieendeliancki stan znany jako cukrzyca typu 2 (T2D). W ramach długoterminowej współpracy z naukowcami z Fińskiego Narodowego Instytutu Zdrowia Publicznego, Uniwersytetu Michigan, Uniwersytetu Południowej Kalifornii i Uniwersytetu Północnej Karoliny, znanej jako projekt FUSION, dr Collins i jego współpracownicy badają ponad 30 000 osób w celu zidentyfikowania czynników podatności na T2D. Projekt FUSION rozpoczął się od badań nad powiązaniami par dotkniętych chorobą rodzeństw, a następnie przeszedł do badań asocjacyjnych obejmujących cały genom (GWAS) i stał się integralną częścią kilku światowych konsorcjów GWAS badających T2D i cechy ilościowe. Do tej pory konsorcja te zidentyfikowały ponad 80 loci podatności na T2D i setki loci wpływających na ilościowe cechy glukozy, BMI i lipidów.
Wiele z tych wariantów jest związanych z upośledzonym wydzielaniem lub przetwarzaniem insuliny, a zdecydowana większość z nich znajduje się w niekodujących częściach genomu. Dane te sugerują, że zmieniona funkcja regulacyjna w wysepce trzustkowej może odgrywać ważną rolę w patofizjologii T2D. Wykorzystując technologię ChIP-seq, laboratorium Collinsa zdefiniowało główne cechy ludzkiego epigenomu wysepek, identyfikując elementy regulacyjne, które są niezbędne dla prawidłowej funkcji wysepek. Co bardzo interesujące, allele podatności na T2D zidentyfikowane przez GWAS znajdują się preferencyjnie w specyficznych dla wysepek enhancerach, szczególnie w wielokilobazowych enhancerach specyficznych dla tkanki, które laboratorium nazwało „stretch enhancers”.
Nowym ważnym projektem badania FUSION jest analiza genotypów (przez sekwencjonowanie całego genomu), metylacji DNA (przez sekwencjonowanie bisulfitowe), ekspresji genów (przez RNA-seq) i fenotypów u ponad 300 osób z różnymi stanami metabolicznymi, od których uzyskano biopsje mięśni i tkanki tłuszczowej. Scharakteryzowanie całego repertuaru ludzkich funkcjonalnych elementów genomowych w wysepkach, mięśniach i tkance tłuszczowej powinno zapewnić krytyczny wgląd w mechanizmy molekularne związane z podatnością na cukrzycę.