Francis Collins, M.D., Ph.D.
Dr. Collins laboratóriuma a ritka és gyakori emberi betegségekben szerepet játszó gének működésének azonosítására és megértésére törekszik, azzal a végső céllal, hogy új terápiás lehetőségeket találjon.
A laboratórium egyik jelentős projektje a Hutchinson-Gilford progéria szindrómára (HGPS) összpontosít, egy ritka genetikai rendellenességre, amelyet korai öregedés jellemez. A HGPS-betegek jellemzően tizenéves korukban szív- és érrendszeri szövődményekben halnak meg. Dr. Collins csoportja felfedezte, hogy a lamin A gén (LMNA) egy pontmutációja aktivál egy titkos splice donort, ami a kódolt fehérje normál változatának 50 aminosavval való megrövidülését eredményezi a C-terminus közelében – ezt a fehérjét “progerinnek” nevezték el. Azt is megállapították, hogy a HGPS jelentős változásokkal jár a sejtmag alakjában, ezek a szerkezeti hibák a HGPS sejtek kultúrában történő öregedésével súlyosbodnak, és a progerin bevitele a normál sejtekbe ugyanezeket a változásokat idézi elő. A sejtbiológiai elemzés szerint a progerin a mitózis normális folyamatának megzavarásában játszik szerepet. A normál humán fibroblasztok vizsgálata kimutatta, hogy kis mennyiségű progerin van jelen a normál sejtpopulációkban, és mennyisége növekszik, ahogy a sejtek közelednek az öregedéshez. Az LMNA splicing mintázatának progerint termelő eltolódását nyilvánvalóan a megrövidült telomerek váltják ki. Így ennek a ritka betegségnek a tanulmányozása potenciálisan értékes betekintést nyújt a normális öregedés folyamatába.
A lamin A fehérje C-terminusán normális esetben farnezilálódik, ami nyilvánvalóan segít a prelamint a sejtmagmembrán belső felszínére irányítani. Egy későbbi proteáz hasítás felszabadítja ezt a C-terminális fragmentumot, lehetővé téve a lamin A számára, hogy más fehérjékhez csatlakozzon a közvetlenül a magmembrán alatt elhelyezkedő állványzatban. A progerin megfelelően farnezilálódik, de nem hasítható, így tartósan a sejtmembránban rögzül, más fehérjéket szekvenál, és domináns negatívként működik. Ezek a megfigyelések vezettek ahhoz a hipotézishez, hogy a farnezil-transzferáz-gátlók (FTI-k) hasznosak lehetnek a progéria kezelésében, és sejttenyésztési kísérletek azt mutatták, hogy az FTI-k jelentősen javíthatják a HGPS-sejtekben megfigyelhető nukleáris alaki rendellenességeket.
Mivel a progériás betegek többsége rendkívül törékeny egészségi állapotban van, kevés lehetőség van a lehetséges terápiák humán kísérletek elvégzésére. Dr. Collins csoportja a progéria állatmodelljét úgy fejlesztette ki, hogy az emberi LMNA-t úgy alakította át, hogy az hordozza a HGPS-mutációt, és beültette egy egér csíravonalába. Az egér progresszív szív- és érrendszeri betegséget mutat, amely nagyon hasonlít a HGPS-betegeknél megfigyelhető betegséghez. Konkrétan, ezek az egerek nagy artériáik médiumában az érrendszeri simaizomsejtek progresszív elvesztését mutatják. Az egérmodellt a lehetséges terápiák szűrésére használva a Collins-laboratórium kimutatta, hogy az FTI-kezelés nemcsak a szív- és érrendszeri betegség kialakulását akadályozta meg a fiatal egerekben, hanem az idősebb egerek kezelésével a szív- és érrendszeri rendellenességek progresszióját is csökkentette. Ez a kutatás kiegészítette a HGPS-betegek FTI-ket alkalmazó klinikai vizsgálatot támogató egyéb adatokat, amelyről nemrégiben kimutatták, hogy a kardiovaszkuláris állapot javulását eredményezi.
A HGPS-projekttel kapcsolatos újabb munkák között szerepel annak felfedezése, hogy a rapamycin a progerin-komplexek autofágikus eltávolításának serkentésével előnyös lehet. A laboratórium hosszú távú erőfeszítéseket tesz egy olyan egér létrehozására is, amely egyáltalán nem képes progerint termelni, annak megállapítására, hogy a progerin hiánya megnövekedett élettartamot eredményez-e. A Collins-laboratórium másik nagy projektje a 2-es típusú cukorbetegség (T2D) néven ismert összetett, gyakori, nem mendeli állapot. A Finn Nemzeti Közegészségügyi Intézet, a Michigani Egyetem, a Dél-Kaliforniai Egyetem és az Észak-Karolinai Egyetem kutatóival hosszú távú együttműködésben, a FUSION projekt néven Dr. Collins és munkatársai több mint 30 000 egyént vizsgálnak, hogy azonosítsák a T2D hajlamosító tényezőit. A FUSION projekt az érintett testvérpárok kapcsolatvizsgálatával kezdődött, majd genom-szintű asszociációs vizsgálatok (GWAS) elvégzésével folytatódott, és ezt követően a T2D-t és kvantitatív tulajdonságokat vizsgáló számos világméretű GWAS-konzorcium szerves részévé vált. A mai napig ezek a konzorciumok több mint 80 hajlamossági lókuszt azonosítottak a T2D-re és több száz lókuszt, amelyek a glükóz, a BMI és a lipidek mennyiségi jellemzőit befolyásolják.
E variánsok nagy része az inzulinszekréció vagy -feldolgozás károsodásával függ össze, és túlnyomó többségük a genom nem kódoló részeiben található. Ezek az adatok arra utalnak, hogy a hasnyálmirigy-szigetsejtek megváltozott szabályozó funkciója fontos szerepet játszhat a T2D patofiziológiájában. A ChIP-seq technológia segítségével a Collins-laboratórium meghatározta az emberi sziget epigenomjának főbb jellemzőit, azonosítva a normális szigetműködéshez szükséges szabályozó elemeket. Nagy érdeklődésre tarthat számot, hogy a GWAS által azonosított T2D-érzékenységi allélok előnyben részesítik a sziget-specifikus enhancereket, különösen a többkilobázisú szövet-specifikus enhancereket, amelyeket a laboratórium “stretch enhancereknek” nevezett el.
A FUSION vizsgálat egyik fő új projektje a genotípusok (teljes genomszekvenálással), a DNS-metiláció (biszulfit-szekvenálással), a génexpresszió (RNS-seq-vel) és a fenotípusok elemzése több mint 300, különböző anyagcsere-állapotban lévő egyénen, akiktől izom- és zsírszövet-biopsziát nyertek. Az emberi funkcionális genomikai elemek teljes repertoárjának jellemzése a szigetekben, az izomban és a zsírszövetben kritikus betekintést nyújthat a cukorbetegségre való hajlamban szerepet játszó molekuláris mechanizmusokba.