Wetenschap - onderzoeken en artikelen

Lopend onderzoek in Nederland - 2017

Het GNAO1 defect

Oorzaak afwijkingen en onderzoek daarnaar

Processen van celdeling spelen zich in heel het lichaam van de mens af. Meestal kopieert het DNA zichzelf bij celdeling foutloos en als er fouten optreden dan wordt dit vaak vanzelf gerepareerd, maar niet altijd, zodat in die gevallen een verkeerd samengesteld eiwit ontstaat van genetische oorsprong.

GNAO1 - een afkorting van Guanine Nucleotide-binding protein Alpha Other - is het gen dat codeert voor een bepaald eiwit dat betrokken is bij de overdracht door neuronen. Duidelijk is dat, wanneer in de opbouw van het gen zelf mutaties zijn opgetreden, er eiwitten kunnen ontstaan die in zichzelf ook afwijkingen bevatten, waardoor een correct functioneren - vooral in relatie tot andere eiwitten - bemoeilijkt wordt. Op diverse posities in deze eiwitten - dus ook in het GNAO1-eiwit - kunnen deze afwijkingen optreden.

In theorie zijn er twee benaderingen denkbaar om onderzoek naar dit type afwijkingen te entameren.

De meest principiële richt zich op het vinden van methodes om in het gen zelf te intervenieren. Daar bestaan inmiddels wereldwijd talrijke gedachten over, maar qua praktische toepassing staat dit nog in de kinderschoenen . Op korte en zelfs middellange termijn biedt dit naar de huidige inzichten onvoldoende perspectief.

Aantrekkelijker lijkt het daarom om onderzoek te doen naar het gemuteerde eiwit zelf. Doel is dan om specifieke medicatie te ontdekken en te ontwikkelen voor GNAO1-mutaties.

Onderzoek in Nederland gestart

Het ligt vanuit de Stichting bezien voor de hand om aansluiting te zoeken bij die wetenschappelijke instituten die onderzoek naar GNAO1-mutaties al in hun onderzoekprogramma hebben opgenomen of dat op korte termijn van plan zijn te doen. De Stichting is in dat geval in de eerste plaats beter in staat het publiek - en in het bijzonder ouders met kinderen met deze mutatie - te informeren over toekomstige perspectieven op mogelijke adequate therapeutische behandeling, een van de primaire doelstellingen van de Stichting.

In het afgelopen jaar is de Stichting in gesprek gekomen met onderzoekers van de universitaire medische centra AMC in Amsterdam en LUMC in Leiden, in het bijzonder met professor Frank Baas, over de opzet van een onderzoek naar het gemuteerde GNAO1-eiwit.

Het scenario wat de komende tijd doorlopen zal worden bestaat grofweg uit de volgende stappen.

  • Er dient een celmodel met deze mutatie gemaakt te worden.
  • Dit kan door gekweekte huidcellen van patienten in het laboratorium te herprogrammeren tot geinduceerde pluripotente stamcellen.
  • Vervolgens worden deze cellen in het laboratorium gedifferentieerd tot zenuwcellen.
  • Gedrag van de neuronen in dit celmodel zal vergeleken worden met neuronen zonder een GNAO1-mutatie. In deze proeven kan men dan meten wat er precies misgaat.
  • Op basis van de in de vorige stappen verkregen informatie en inzichten kan een meetmethode voor analyse op grotere schaal ontwikkeld worden om de geobserveerde veranderingen routine matig te meten.
  • In deze assay kunnen dan reeds bestaande of gesynthetiseerde drugs getest worden.
  • En bij een positieve uitkomst dienen in eerste instantie diermodellen het bewijs te leveren voor de juistheid van de veronderstellingen bij de drugscreening.

Deze eerste klinische onderzoekopzet in Nederland naar een mogelijk specifieke therapeutische ontwikkeling lijkt zeer veelbelovend.

Buitenlands onderzoek

- Huijie Feng and colleagues in the lab of Richard R. Neubig at the Department of Pharmacology & Toxicology at the Michigan State University in the USA published a research article in Neurology on August 22, 2017, titled: Movement disorder in GNAO1 encephalopathy associated with gain-of-function mutations.

Het GNAO1 Eiwit is overvloedig aanwezig in de hersencellen en heeft een rol in de communicatie tussen de hersencellen. Het brengt signalen van andere cellen over.

Om een en ander uit te leggen gebruiken we als voorbeeld de ‘dimmer schakelaar ‘of kort gezegd de ‘dimmer’. Het GNAO1 eiwit is dan de ‘dimmer’ waarbij het signaal helemaal ‘aan’ kan staan of helemaal ‘uit’ of ergens daar tussenin. Dit GNAO1 eiwit wordt vervaardigd volgens de corresponderende genetische code van het GNAO1 gen. Dit GNAO1 gen is een soort blauwdruk van 166.119 letters om de GNAO1 ‘dimmer’ te produceren. Voorstelbaar is dat fouten in de blauwdruk kunnen leiden tot een defect product of verzwakte producten of helemaal geen product.

En dat is ook zo. Mutaties in het GNAO1 gen (de GNAO1 blauwdruk) lijken verschillende typen problemen in de hersensignalering te veroorzaken resulterend in een spectrum van epileptische en beweging stoornissen. Onlangs is het meer duidelijk geworden dat deze mutaties ( of fouten in de GNAO1 blauwdruk) op verschillende locaties in het gen kunnen voorkomen resulterend in verschillende soorten defecten in het GNAO1 eiwit (de ‘dimmer’).

Het huidige onderzoek van Huijie Feng en medeonderzoekers heeft meer inzicht opgeleverd in hoe deze verschillende plaatsen van de GNAO1 mutaties het functioneren van het GNAO1 eiwit aantasten. In ons voorbeeld van de ‘dimmer’ is aangetoond dat sommige mutaties de ‘dimmer’ te sterk op ‘aan’ zetten terwijl andere mutaties precies het tegenovergestelde veroorzaken namelijk de ‘dimmer ‘ te sterk op ‘uit’.

Dit onderzoek werd gedaan aan de hand van de genetische codes (blauwdrukken) van 25 personen met GNAO1 mutaties, waarin 15 verschillende mutatie locaties (fouten) werden geïdentificeerd. Vervolgens hebben de genoemde onderzoekers een methode ontwikkeld om celgroei in het laboratorium te bewerkstelligen om te kunnen meten hoe deze verschillende gemuteerde GNAO1 eiwitten reageren op normale signalen.

De onderzoekers toonden aan dat 9 van de mutaties resulteerden in een verlies van motorische functie (dus de ‘dimmer’ meer naar de uit positie of lagere productieniveaus van de ‘dimmer’ zelf) en 6 van de mutaties bleken een tussen effect te hebben of te resulteren in een versterking van motorische functie (de ‘dimmer’ meer in de ‘aan’ positie).


Research - assay and articles

Current research in The Netherlands - 2017

The GNAO1 mutation

The mutation’s cause and subsequent research

Cell division takes place in the entire human body. Generally, DNA will replicate itself without error, and, if any mistakes do occur, it will ordinarily repair them of itself. This is not always the case, however, and sometimes a protein will develop with a flawed composition within its genetic foundation.

GNAO1 – an acronym for Guanine Nucleotide-binding protein Alpha Other – is the gene that codes for a specific protein involved with the transference of neurons. It is clear that when mutations have formed in the development of the gene, proteins can emerge that contain abnormalities themselves, causing them to malfunction, especially in relation to other proteins. These abnormalities can occur at various positions within these proteins, the GNAO1 protein being one of them.

In theory, there are two conceivable approaches of researching this type of abnormality. The most principal one focuses on finding methods to intervene within the gene itself. However, although its possibilities have been thoroughly discussed, this approach is still in its infancy with regard to its practical application. And, considering current insights, it doesn’t offer much perspective for the foreseeable future. A more attractive way of approaching this then, would be to research the mutated protein itself and try to develop a medication specifically for GNAO1 mutations.

Current research in the Netherlands

Clearly, it is important, from the foundation’s perspective, to reach out to scientific institutions that are already researching GNAO1 mutations or are planning to do so in the near future. This would primarily enable it to inform the public – and especially parents of GNAO1 affected children – about the prospects on possible adequate therapeutic treatment, one of the foundation’s main objectives.

Over the course of last year, the foundation has met with researchers of academic medical centres AMC in Amsterdam and LUMC in Leiden, professor Frank Baas in particular, to talk about developing research that focuses on the mutated GNAO1 protein.

This research shall be outlined as follows:

  • Developing a cell model of the effects of GNAO1 mutations. One way to do this is to take skin cells from patients, to culture these cells in the lab, and to reprogram them into induced pluripotent stem cells (iPS cells).
  • These iPS cells with GNAO1 mutations can be differentiated into nerve cells.
  • The behavior of these nerve cells with GNAO1 mutations will be compared to the behavior of nerve cells without GNAO1 mutations. This will shed light on what goes wrong in the mutated nerve cells.
  • Dependent on the information and insights resulting from the aforementioned experiments, possibly a larger scale assay can be developed that can robustly and routinely measure one or more disease related changes in the cells.
  • After successful development of such an assay, the effects of a large variety of different compounds on the cells can be measured.
  • In case of a positive outcome, a trajectory of extensive additional testing is needed to assure whether the effects at cell level are true, and have the potential to be translated into a treatment. The main objective of this trajectory will be to assure optimal safety and efficacy of any hypothesized treatment. This will most likely include animal studies as well.

The foundation is aware of the fact that we are in a very early phase of research. Any drug discovery process such as the one as described above is highly costly, time consuming and is in no way a guarantee of success. Each step described above, has its inherent risks of failure, both experimentally and financially. Successful drug discovery takes years, and delivers candidate compounds that are not medicines yet. Any identified candidate compound will need to pass preclinical and clinical testing to ensure safety and efficacy.

Research abroad

- Huijie Feng and colleagues in the lab of Richard R. Neubig at the Department of Pharmacology & Toxicology at the Michigan State University in the USA published a research article in Neurology on August 22, 2017, titled: Movement disorder in GNAO1 encephalopathy associated with gain-of-function mutations.

Here we will briefly describe their findings and try to explain what this means for patients and families.

The GNAO1 protein is very abundant in the cells in the brain, and has a normal role in the communication of brain cells, by transferring signals in response to other signals. We will use an analogy of a “dimmer switch” to explain. The GNAO1 protein (the dimmer switch) signaling can be on, off, or in between. This GNAO1 protein is produced according to the genetic code of the corresponding GNAO1 gene. This GNAO1 gene can be seen as a blueprint of 166,119 letters to produce the GNAO1 dimmer switch. As you may imagine, faults in a blueprint may lead to a defective product, impaired production levels, or the product may not even be produced at all. Indeed, mutations in the GNAO1 gene (the GNAO1 blueprint) seem to cause different types of problems in the brain signaling, resulting in a spectrum of epileptic and movement disorders. It has recently become more clear that these GNAO1 mutations (or faults in the GNAO1 blueprint) can occur at different locations resulting in different kinds of defects in the GNAO1 protein (the dimmer switch).

The current research by Huijie. Feng and colleagues, has resulted in more insights into how these different locations of the GNAO1 mutations affect the functioning of the GNAO1 protein. In our analogy of the dimmer switch, Feng and colleagues show that some mutations can turn the switch too far to the on-position, while other mutations can do the opposite, turning the switch too much to the off-position. This was done by studying the genetic codes (the blueprints) from 25 individuals with GNAO1 mutations, in which 15 different mutations locations (faults) were identified. Next, the researchers developed a measurement in cells grown in the laboratory, to measure how these different mutated GNAO1 proteins responded to normal signaling. They showed that 9 of the mutations resulted in a loss-of-function (turned the switch more to the off-position, or lower production levels of the switch itself) and 6 of the mutations were shown to have an intermediate effect, or to result in a gain-of-function (turned the switch more to the on-position).

This research-project is certainly a step forwards in the effort to rewind the functioning or disfunctioning of the GNAO1-protein, but it is also still very fundamental in nature and does not directly test or conclude any therapeutic approaches to be succesfull in treating people. More research is desperately wanted.