Francis Collins, M.D., Ph.D.
Het laboratorium van Dr. Collins tracht de functie te identificeren en te begrijpen van genen die betrokken zijn bij een reeks zeldzame en veel voorkomende menselijke ziekten, met het uiteindelijke doel nieuwe therapeutische mogelijkheden te identificeren.
Een van de belangrijke projecten van het laboratorium is gericht op het Hutchinson-Gilford progeria syndroom (HGPS), een zeldzame genetische aandoening die wordt gekenmerkt door vroegtijdige veroudering. HGPS-patiënten sterven meestal in hun tienerjaren aan cardiovasculaire complicaties. De groep van Dr. Collins ontdekte dat een puntmutatie in het lamin A-gen (LMNA) een cryptische splice donor activeert, die resulteert in een verkorting van de normale versie van het gecodeerde eiwit met 50 aminozuren in de buurt van de C-terminus – dit eiwit heeft de naam “progerin” gekregen. Zij ontdekten ook dat HGPS gepaard gaat met aanzienlijke veranderingen in de vorm van de celkern, dat deze structurele defecten verergeren naarmate HGPS-cellen ouder worden in cultuur, en dat het inbrengen van progerin in normale cellen dezelfde veranderingen induceert. Cellulair biologische analyse impliceert dat progerine het normale proces van mitose verstoort. Onderzoek van normale menselijke fibroblasten heeft aangetoond dat kleine hoeveelheden progerine aanwezig zijn in normale celpopulaties, en in hoeveelheid toenemen naarmate de cellen de senescentie naderen. De verschuiving in het LMNA splicing patroon om progerin te produceren wordt blijkbaar veroorzaakt door verkorte telomeren. De studie van deze zeldzame ziekte kan dus een waardevol inzicht verschaffen in het proces van normale veroudering.
Het lamin A eiwit wordt normaal gefarnesyleerd aan zijn C-terminus, wat blijkbaar helpt om het prelamin te richten op het binnenoppervlak van het kernmembraan. Een daaropvolgende splitsing door protease laat dit C-terminale fragment los, waardoor lamin A zich bij andere eiwitten kan voegen in de steiger die net onder het kernmembraan ligt. Progerin is correct gefarnesyleerd, maar kan niet worden gekliefd, waardoor het permanent verankerd is in het kernmembraan, andere eiwitten vasthoudt en functioneert als een dominant negatief. Deze waarnemingen leidden tot de hypothese dat farnesyltransferase inhibitoren (FTI’s) nuttig zouden kunnen zijn bij de behandeling van progeria, en celcultuurexperimenten toonden aan dat FTI’s de afwijkingen in de kernvorm die in HGPS-cellen worden gezien, aanzienlijk zouden kunnen verbeteren.
Omdat de meeste progeria-patiënten in uiterst fragiele gezondheid verkeren, zijn er weinig mogelijkheden om potentiële therapieën op mensen uit te testen. De groep van Dr. Collins ontwikkelde een diermodel van progeria door menselijk LMNA om te vormen tot de HGPS-mutatie en dit in de kiembaan van een muis in te brengen. De muis vertoont een progressieve cardiovasculaire ziekte die sterk lijkt op de ziekte die bij HGPS-patiënten wordt gezien. Meer bepaald vertonen deze muizen een progressief verlies van vasculaire gladde spiercellen in de media van hun grote slagaders. Gebruikmakend van het muismodel als een bron voor het screenen van potentiële therapieën, toonde het Collins laboratorium aan dat FTI behandeling niet alleen het begin van cardiovasculaire ziekte bij jonge muizen voorkwam, maar ook de progressie van de cardiovasculaire defecten verminderde bij behandeling van oudere muizen. Dit onderzoek vormde een aanvulling op andere gegevens ter ondersteuning van een klinisch onderzoek naar de toediening van FTI’s aan HGPS-patiënten, waarvan onlangs is aangetoond dat het leidt tot een verbetering van de cardiovasculaire status.
Nog recenter werk in het kader van het HGPS-project omvat de ontdekking dat rapamycine heilzaam kan zijn door het stimuleren van autofagische verwijdering van progerinecomplexen. Het laboratorium is ook bezig met een langetermijninspanning om een muis te genereren die helemaal geen progerine kan produceren, om te bepalen of de afwezigheid daarvan leidt tot een langere levensduur.Het andere belangrijke project in het Collins-laboratorium is de complexe, veel voorkomende, niet-Mendeliaanse aandoening die bekend staat als type 2-diabetes (T2D). In een langdurige samenwerking met onderzoekers van het Fins Nationaal Instituut voor Volksgezondheid, de Universiteit van Michigan, de Universiteit van Zuid-Californië en de Universiteit van Noord-Carolina, bekend als het FUSION-project, bestuderen Dr. Collins en zijn medewerkers meer dan 30.000 personen om vatbaarheidsfactoren voor T2D te identificeren. Het FUSION-project begon met koppelingsstudies van getroffen broers en zussen, en ging vervolgens over op het uitvoeren van genoomwijde associatiestudies (GWAS), en is vervolgens een integrerend deel geworden van verschillende wereldwijde GWAS-consortia die T2D en kwantitatieve eigenschappen bestuderen. Tot op heden hebben deze consortia meer dan 80 vatbaarheidsloci voor T2D geïdentificeerd en honderden loci die van invloed zijn op glucose, BMI en lipidenkwantitatieve kenmerken.
Veel van deze varianten zijn geassocieerd met een verstoorde insulinesecretie of -verwerking, en de overgrote meerderheid bevindt zich in niet-coderende gedeelten van het genoom. Deze gegevens suggereren dat een veranderde regulerende functie in de pancreaseilandjes een belangrijke rol kan spelen in de pathofysiologie van T2D. Met behulp van ChIP-seq technologie heeft het Collins lab belangrijke kenmerken van het humane epigenoom van de pancreaseilandjes vastgesteld, waarbij regulerende elementen zijn geïdentificeerd die noodzakelijk zijn voor een normale functie van de eilandjes. Van groot belang is dat T2D-gevoeligheidsallelen, geïdentificeerd door GWAS, bij voorkeur te vinden zijn in eilandjes-specifieke enhancers, in het bijzonder in multi-kilobase weefselspecifieke enhancers die het lab “stretch enhancers” heeft genoemd.
Een belangrijk nieuw project van de FUSION-studie is het analyseren van genotypes (door volledige genoomsequencing), DNA-methylering (door bisulfietsequencing), genexpressie (door RNA-seq), en fenotypes bij meer dan 300 individuen met een scala aan metabole toestanden, van wie spier- en vetbiopten zijn verkregen. Het karakteriseren van het volledige repertoire van menselijke functionele genomische elementen in eilandjes, spieren en vetweefsel zou cruciaal inzicht moeten verschaffen in de moleculaire mechanismen die betrokken zijn bij de gevoeligheid voor diabetes.