Francis Collins, M.D., Ph.D.
Dr. Collins’ laboratorium søger at identificere og forstå funktionen af gener, der er involveret i en række menneskelige sygdomme, både sjældne og almindelige, med det endelige mål at identificere nye terapeutiske muligheder.
Et af laboratoriets vigtige projekter fokuserer på Hutchinson-Gilford progeria syndrom (HGPS), en sjælden genetisk lidelse, der er karakteriseret ved for tidlig aldring. HGPS-patienter dør typisk af kardiovaskulære komplikationer i teenageårene. Dr. Collins’ gruppe opdagede, at en punktmutation i lamin A-genet (LMNA) aktiverer en kryptisk splejsedonor, hvilket resulterer i en forkortelse af den normale version af det kodede protein med 50 aminosyrer nær C-terminus – dette protein er blevet kaldt “progerin”. De fandt også, at HGPS er forbundet med betydelige ændringer i kernenes form, at disse strukturelle defekter forværres, når HGPS-cellerne ældes i kultur, og at introduktion af progerin i normale celler fremkalder de samme ændringer. Cellebiologisk analyse implicerer progerin i en forstyrrelse af den normale mitoseproces. Undersøgelser af normale humane fibroblaster har vist, at der er små mængder progerin til stede i normale cellepopulationer, og at mængden stiger, når cellerne nærmer sig senescens. Skiftet i LMNA-splejningsmønsteret til produktion af progerin udløses tilsyneladende af forkortede telomerer. Undersøgelsen af denne sjældne sygdom giver således potentielt værdifuld indsigt i den normale aldringsproces.
Lamin A-proteinet er normalt farnesyleret ved sin C-terminus, hvilket tilsyneladende hjælper med at målrette prelaminet til den indre overflade af kernemembranen. En efterfølgende proteasespaltning frigør dette C-terminale fragment, hvilket gør det muligt for lamin A at slutte sig til andre proteiner i det stillads, der ligger lige under kernemembranen. Progerin er korrekt farnesyleret, men kan ikke spaltes, hvilket gør det permanent forankret i kernemembranen, hvor det afskærmer andre proteiner og fungerer som en dominerende negativ faktor. Disse observationer førte til den hypotese, at farnesyltransferaseinhibitorer (FTI’er) kunne være gavnlige i behandlingen af progeria, og cellekultureksperimenter viste, at FTI’er kunne forbedre de kerneformede abnormiteter, der ses i HGPS-celler.
Da de fleste progeria-patienter har et yderst skrøbeligt helbred, er der kun få muligheder for at gennemføre forsøg på mennesker med potentielle behandlinger. Dr. Collins’ gruppe udviklede en dyremodel af progeria ved at omkonstruere menneskeligt LMNA til at bære HGPS-mutationen og indsætte det i kimlinjen hos en mus. Musen udviser en progressiv kardiovaskulær sygdom, der minder meget om den sygdom, der ses hos HGPS-patienter. Musene udviser især et progressivt tab af glatte vaskulære muskelceller i medierne af deres store arterier. Ved at bruge musemodellen som en ressource til screening af potentielle terapier viste Collins-laboratoriet, at FTI-behandling ikke blot forhindrede udbruddet af hjerte-kar-sygdom hos unge mus, men også reducerede udviklingen af de kardiovaskulære defekter ved behandling af ældre mus. Denne forskning supplerede andre data til støtte for et klinisk forsøg med indgivelse af FTI’er til HGPS-patienter, som for nylig har vist sig at resultere i forbedret kardiovaskulær status.
Mere nyere arbejde på HGPS-projektet omfatter opdagelsen af, at rapamycin kan være gavnligt ved at stimulere autofagisk fjernelse af progerinkomplekser. Laboratoriet er også engageret i en langsigtet indsats for at generere en mus, der slet ikke kan producere progerin, for at afgøre, om fraværet resulterer i øget levetid.Det andet store projekt i Collins-laboratoriet er den komplekse, almindelige, ikke-mendelske tilstand, der er kendt som type 2-diabetes (T2D). I et langvarigt samarbejde med forskere ved Finnish National Public Health Institute, University of Michigan, University of Southern California og University of North Carolina, kendt som FUSION-projektet, undersøger Dr. Collins og hans samarbejdspartnere over 30.000 personer for at identificere modtagelighedsfaktorer for T2D. FUSION-projektet begyndte med koblingsundersøgelser af berørte søskendepar og gik derefter over til at udføre genomdækkende associationsundersøgelser (GWAS) og er efterfølgende blevet en integreret del af flere GWAS-konsortier på verdensplan, der undersøger T2D og kvantitative træk. Til dato har disse konsortier identificeret over 80 loci for modtagelighed for T2D og hundredvis af loci, der påvirker glukose, BMI og kvantitative lipidegenskaber.
Mange af disse varianter er forbundet med nedsat insulinsekretion eller -forarbejdning, og langt størstedelen befinder sig i ikke-kodende dele af genomet. Disse data tyder på, at en ændret reguleringsfunktion i bugspytkirteløerne kan spille en vigtig rolle i T2D-patofysiologien. Ved hjælp af ChIP-seq-teknologi har Collins-laboratoriet defineret hovedtrækkene i det humane epigenom i ølcellerne og identificeret reguleringselementer, der er nødvendige for normal ølfunktion. Det er af stor interesse, at T2D-modtagelighedsalleler, der er identificeret ved GWAS, findes at ligge fortrinsvis i islet-specifikke enhancers, især i multi-kilobase vævsspecifikke enhancers, som laboratoriet har kaldt “stretch enhancers”.
Et nyt stort projekt i FUSION-undersøgelsen er at analysere genotyper (ved sekventering af hele genomet), DNA-methylering (ved bisulfit-sekventering), genekspression (ved RNA-seq) og fænotyper på mere end 300 personer med en række forskellige metaboliske tilstande, fra hvem der er blevet udtaget muskel- og fedtbiopsier. Karakteriseringen af hele repertoiret af menneskelige funktionelle genomiske elementer i øer, muskler og fedtvæv bør give afgørende indsigt i de molekylære mekanismer, der er involveret i modtagelighed for diabetes.