Francis Collins, M.D., Ph.D.
Dr. Collins laboratorium strävar efter att identifiera och förstå funktionen hos gener som är involverade i en rad mänskliga sjukdomar, både sällsynta och vanliga, med det yttersta målet att identifiera nya terapeutiska möjligheter.
Ett av labbets viktiga projekt fokuserar på Hutchinson-Gilford progeriasyndromet (HGPS), en sällsynt genetisk sjukdom som kännetecknas av för tidigt åldrande. HGPS-patienter dör vanligtvis av kardiovaskulära komplikationer i tonåren. Dr Collins grupp upptäckte att en punktmutation i lamin A-genen (LMNA) aktiverar en kryptisk skarvgivare, vilket leder till att den normala versionen av det kodade proteinet förkortas med 50 aminosyror nära C-terminalen – detta protein har fått namnet ”progerin”. De fann också att HGPS är förknippat med betydande förändringar i kärnans form, att dessa strukturella defekter förvärras när HGPS-celler åldras i kultur, och att introduktion av progerin i normala celler inducerar samma förändringar. Cellbiologisk analys visar att progerin stör den normala mitosprocessen. Undersökningar av normala mänskliga fibroblaster har visat att små mängder progerin finns i normala cellpopulationer och att mängden ökar när cellerna närmar sig senescens. Skiftet i LMNA-splicingmönstret för att producera progerin utlöses uppenbarligen av förkortade telomerer. Därför kan studiet av denna sällsynta sjukdom potentiellt ge värdefulla insikter om processen för normalt åldrande.
Lamin A-proteinet är normalt farnesylerat vid sin C-terminus, vilket tydligen bidrar till att rikta prelaminet till kärnmembranets inre yta. En efterföljande proteasklyvning frigör detta C-terminala fragment, vilket gör det möjligt för lamin A att förena sig med andra proteiner i den ställning som ligger precis under kärnmembranet. Progerin är korrekt farnesylerat, men kan inte klyvas, vilket gör att det är permanent förankrat i kärnmembranet och avskiljer andra proteiner och fungerar som en dominant negativ faktor. Dessa observationer ledde till hypotesen att farnesyltransferashämmare (FTI) skulle kunna vara fördelaktiga vid behandling av progeria, och cellodlingsexperiment visade att FTI avsevärt kunde förbättra de kärnformsavvikelser som sågs i HGPS-celler.
Eftersom de flesta progeriapatienter har en ytterst bräcklig hälsa finns det få möjligheter att genomföra prövningar på människor av potentiella terapier. Dr Collins grupp utvecklade en djurmodell av progeria genom att omkonstruera mänskligt LMNA så att det bär på HGPS-mutationen och föra in det i en mus’ könsceller. Musen uppvisar en progressiv kardiovaskulär sjukdom som är mycket lik den sjukdom som ses hos HGPS-patienter. Dessa möss uppvisar särskilt en progressiv förlust av glatta muskulaturceller i de stora artärernas media. Collins-laboratoriet använde musmodellen som en resurs för screening av potentiella terapier och visade att FTI-behandling inte bara förhindrade uppkomsten av kardiovaskulär sjukdom hos unga möss utan också minskade utvecklingen av kardiovaskulära defekter vid behandling av äldre möss. Denna forskning kompletterade andra data till stöd för en klinisk prövning där FTI administreras till HGPS-patienter, vilket nyligen har visat sig leda till förbättrad kardiovaskulär status.
Nyare arbete inom HGPS-projektet innefattar upptäckten att rapamycin kan vara fördelaktigt genom att stimulera autofagiskt avlägsnande av progerinkomplex. Laboratoriet är också engagerat i ett långsiktigt arbete för att generera en mus som inte kan producera progerin alls, för att fastställa om frånvaron resulterar i ökad livslängd.Det andra stora projektet i Collins-laboratoriet är det komplexa, vanliga, icke-Mendelska tillstånd som kallas typ 2-diabetes (T2D). I ett långsiktigt samarbete med forskare vid Finlands nationella folkhälsoinstitut, University of Michigan, University of Southern California och University of North Carolina, känt som FUSION-projektet, studerar Collins och hans medarbetare över 30 000 individer för att identifiera känslighetsfaktorer för T2D. FUSION-projektet började med kopplingsstudier av drabbade syskonpar och gick sedan vidare till att utföra genombaserade associationsstudier (GWAS) och har därefter blivit en integrerad del av flera globala GWAS-konsortier som studerar T2D och kvantitativa egenskaper. Hittills har dessa konsortier identifierat mer än 80 loci för känslighet för T2D och hundratals loci som påverkar kvantitativa egenskaper för glukos, BMI och lipider.
Många av dessa varianter är förknippade med nedsatt insulinsekretion eller insulinbearbetning, och den stora majoriteten av dem finns i icke-kodande delar av genomet. Dessa data tyder på att en förändrad regleringsfunktion i bukspottkörtelns öar kan spela en viktig roll i T2D-patofysiologin. Med hjälp av ChIP-seq-teknik har Collins labb definierat de viktigaste egenskaperna hos epigenomet i den mänskliga öglan och identifierat reglerande element som är nödvändiga för normal öglans funktion. Av stort intresse är att de alleler för känslighet för T2D som identifierats genom GWAS har visat sig ligga företrädesvis i ödeledsspecifika enhancers, särskilt i vävnadsspecifika enhancers med flera kilobaser som laboratoriet har gett namnet ”stretch enhancers”.
Ett nytt stort projekt i FUSION-studien är att analysera genotyper (genom sekvensering av hela arvsmassan), DNA-metylering (genom bisulfitsekvensering), genuttryck (genom RNA-seq) och fenotyper på mer än 300 individer med olika metaboliska tillstånd, från vilka muskel- och fettbiopsier har erhållits. Karakteriseringen av hela repertoaren av mänskliga funktionella genomiska element i öar, muskler och fettvävnad bör ge kritisk insikt i de molekylära mekanismer som är inblandade i känslighet för diabetes.