Francis Collins, M.D., Ph.D.
Laboratorul Dr. Collins caută să identifice și să înțeleagă funcția genelor implicate într-o serie de boli umane, atât rare, cât și comune, cu scopul final de a identifica noi oportunități terapeutice.
Unul dintre proiectele semnificative ale laboratorului se concentrează pe sindromul Hutchinson-Gilford progeria (HGPS), o tulburare genetică rară caracterizată prin îmbătrânire prematură. Pacienții cu HGPS mor de obicei din cauza complicațiilor cardiovasculare în adolescență. Grupul doctorului Collins a descoperit că o mutație punctiformă în gena lamin A (LMNA) activează un donator de splice criptic, ceea ce duce la scurtarea versiunii normale a proteinei codificate cu 50 de aminoacizi în apropierea extremității C – această proteină a fost numită „progerină”. Ei au descoperit, de asemenea, că HGPS este asociată cu modificări semnificative ale formei nucleului, aceste defecte structurale se agravează pe măsură ce celulele HGPS îmbătrânesc în cultură, iar introducerea progerinei în celulele normale induce aceleași modificări. Analiza biologică celulară implică progerina în perturbarea procesului normal de mitoză. Investigarea fibroblastelor umane normale a demonstrat că mici cantități de progerină sunt prezente în populațiile de celule normale și cresc în cantitate pe măsură ce celulele se apropie de senescență. Schimbarea modelului de splicing al LMNA pentru a produce progerină este aparent declanșată de telomerii scurtați. Astfel, studiul acestei boli rare poate oferi o perspectivă valoroasă asupra procesului de îmbătrânire normală.
Proteina lamin A este în mod normal farnesilată la extremitatea sa C-terminală, ceea ce aparent ajută la direcționarea prelaminei către suprafața internă a membranei nucleare. O scindare ulterioară a proteazei eliberează acest fragment C-terminal, permițând laminei A să se alăture altor proteine în scheletul care se află chiar sub membrana nucleară. Progerina este corect farnesilată, dar nu poate fi scindată, ceea ce o face să fie ancorată permanent în membrana nucleară, sechestrând alte proteine și funcționând ca un negativ dominant. Aceste observații au condus la ipoteza că inhibitorii de farnesiltransferază (FTI) ar putea fi benefici în tratamentul progeriei, iar experimentele pe culturi celulare au arătat că FTI ar putea ameliora în mod semnificativ anomaliile de formă nucleară observate în celulele HGPS.
Pentru că majoritatea pacienților cu progeria au o stare de sănătate extrem de fragilă, există puține oportunități de a efectua teste pe oameni ale potențialelor terapii. Grupul doctorului Collins a dezvoltat un model animal de progeria prin retehnologizarea LMNA uman pentru a purta mutația HGPS și inserarea acestuia în linia germinală a unui șoarece. Șoarecele prezintă o boală cardiovasculară progresivă care seamănă foarte mult cu boala observată la pacienții cu HGPS. Mai exact, acești șoareci prezintă o pierdere progresivă a celulelor musculare netede vasculare în mediul arterelor mari. Folosind modelul de șoarece ca resursă pentru depistarea potențialelor terapii, laboratorul Collins a demonstrat că tratamentul cu FTI nu numai că a prevenit apariția bolii cardiovasculare la șoarecii tineri, dar a redus și progresia defectelor cardiovasculare la tratamentul șoarecilor mai în vârstă. Această cercetare a completat alte date în sprijinul unui studiu clinic prin care se administrează FTI pacienților cu HGPS, care s-a demonstrat recent că a dus la o îmbunătățire a stării cardiovasculare.
Lucrări mai recente în cadrul proiectului HGPS includ descoperirea faptului că rapamicina poate fi benefică prin stimularea eliminării autofagice a complexelor de progerină. Laboratorul este, de asemenea, angajat într-un efort pe termen lung pentru a genera un șoarece care nu poate produce deloc progerină, pentru a determina dacă absența are ca rezultat o longevitate crescută.Celălalt proiect major al laboratorului Collins este afecțiunea complexă, comună și nemendeliană cunoscută sub numele de diabet de tip 2 (T2D). În cadrul unei cooperări pe termen lung cu cercetători de la Institutul Național de Sănătate Publică din Finlanda, Universitatea din Michigan, Universitatea din California de Sud și Universitatea din Carolina de Nord, cunoscută sub numele de proiectul FUSION, Dr. Collins și colaboratorii săi studiază peste 30.000 de persoane pentru a identifica factorii de susceptibilitate pentru T2D. Proiectul FUSION a început cu studii de legătură a perechilor de frați și surori afectați, apoi a trecut la efectuarea de studii de asociere la nivelul întregului genom (GWAS), iar ulterior a devenit parte integrantă în mai multe consorții GWAS din întreaga lume care studiază T2D și trăsături cantitative. Până în prezent, aceste consorții au identificat peste 80 de loci de susceptibilitate pentru T2D și sute de loci care afectează trăsăturile cantitative ale glucozei, IMC și lipidelor.
Multe dintre aceste variante sunt asociate cu afectarea secreției sau procesării insulinei, iar marea majoritate rezidă în porțiuni necodificatoare ale genomului. Aceste date sugerează că alterarea funcției de reglementare în insulița pancreatică poate juca un rol important în fiziopatologia T2D. Folosind tehnologia ChIP-seq, laboratorul Collins a definit caracteristicile majore ale epigenomului insulei umane, identificând elementele de reglementare care sunt necesare pentru funcționarea normală a insulei. De mare interes, s-a constatat că alelele de susceptibilitate la T2D identificate prin GWAS se află în mod preferențial în amelioratorii specifici pentru insuliță, în special în amelioratorii multikilobază specifici pentru țesut, pe care laboratorul i-a numit „amelioratori de întindere”.
Un nou proiect major al studiului FUSION este acela de a analiza genotipurile (prin secvențierea întregului genom), metilarea ADN-ului (prin secvențiere cu bisulfit), expresia genelor (prin RNA-seq) și fenotipurile la peste 300 de persoane cu o gamă largă de stări metabolice, de la care au fost obținute biopsii musculare și adipoase. Caracterizarea întregului repertoriu de elemente genomice funcționale umane în insule, mușchi și adipoase ar trebui să ofere o perspectivă critică asupra mecanismelor moleculare implicate în susceptibilitatea la diabet.
.