Dwa badania przeprowadzone w laboratorium dr Evangelosa Kiskinisa, profesora nadzwyczajnego na Wydziale Neurologii i Neuronauki Uniwersytetu Kena i Ruth Davee, odkryły nowe mechanizmy komórkowe, które są zaangażowane w dwa rodzaje genetycznego bocznego zanikowego uszkodzenia mózgu: stwardnienie rozsiane lub ALS.

Wyniki opublikowane w Postęp nauki I Raporty komórkowepoprawić wiedzę na temat ALS, postępującej choroby neurodegeneracyjnej atakującej neurony ruchowe w mózgu i rdzeniu kręgowym, a także zapewnić wsparcie dla przyszłego rozwoju terapii celowanych.

Mutacje genetyczne „przynętą”.

Według fundacji Les Turner ALS Foundation w USA żyje obecnie około 32 000 osób chorych na ALS. Istnieją dwa typy ALS: sporadyczny (niegenetyczny), który stanowi ponad 90% wszystkich przypadków ALS, oraz rodzinny (genetyczny).

W swoim artykule opublikowanym w Postęp naukizespół Kiskinisa badał rodzaj rodzinnego ALS powodowanego przez powtarzającą się sekwencję genetyczną genu C9ORF72, który jest największą genetyczną przyczyną ALS.

Według Kiskinisa zdrowe osoby mogą mieć 20 powtórzeń C9ORF72 w swoim genomie, podczas gdy pacjenci z ALS mogą mieć ich tysiące. Powtórzenia te ulegają transkrypcji i translacji niekanonicznymi szlakami, które wytwarzają nieregularne RNA i dipeptydy (cząsteczki z dwoma aminokwasami połączonymi peptydem) w neuronach.

Zespół Kiskinisa postawił hipotezę, że to efekt kaskadowy prowadzi do toksyczności polegającej na wzmocnieniu funkcji neuronów ruchowych w tym typie ALS. To skłoniło ich do zbadania mechanizmów, które sprawiają, że te powtarzające się dipeptydy (R-DPR) stają się coraz bardziej toksyczne.

Korzystając z technik obliczeniowych i eksperymentalnych, badacze odkryli, że R-DPR mają silne powinowactwo wiązania z cząsteczkami RNA. Następnie zastosowali technikę zwaną sieciującą immunoprecypitacją (CLIP-seq) w celu wyizolowania określonych fragmentów RNA i odkryli, że R-DPR wiążą się wyłącznie z rybosomalnym RNA. W szczególności dipeptyd poli-GR wiąże się z rybosomalnym RNA, co upośledza homeostazę rybosomów, proces niezbędny do różnicowania komórek i ogólnego składu komórki.

Wykorzystując te odkrycia, badacze zaprojektowali następnie „przynętę” RNA, która nakłania poli-GR do związania się z czymś, co wygląda na rybosomalny RNA – czyli w tym przypadku z przynętą. Zarówno w modelach in vivo, jak i w neuronach iPSC pochodzących od pacjentów z mutacjami C9ORF72, cząsteczka przynęty hamowała toksyczność.

„Przy użyciu wielu różnych podejść pokazaliśmy, że zaprojektowana przez nas cząsteczka –„ przynęta ” – wiąże się bardzo silnie i specyficznie z tym białkiem poli-GR, a wiążąc się z nim, zapobiega wiązaniu się go z rybosomalnym RNA i zapobiega przedostawaniu się go do jądra i tam staje się najbardziej toksyczny” – powiedział Kiskinis.

„Służy to jako dowód na tezę, że cząsteczka RNA posiadająca właściwości „przynęty” może mieć działanie terapeutyczne, a także wzmacnia hipotezę, że duża część toksyczności mutacji C9ORF72 jest powiązana z upośledzeniem biologii rybosomów”.

Zdaniem Kiskinisa badacze optymalizują obecnie skład chemiczny cząsteczki przynęty i zamierzają przetestować ją w innych modelach ALS.

„Jesteśmy podekscytowani faktem, że neurony pochodzące z iPSC pacjentów z tymi mutacjami przeżywają znacznie dłużej, gdy dajemy im tę cząsteczkę przynęty, co oznacza, że ​​robi coś dobrego. Musimy się tylko dowiedzieć, czy może to być realną i transformującą terapię” – powiedział Kiskinis.

Łączenie genów przyczynowych

Według Kiskinisa istnieje 30 znanych genów powiązanych z rodzinnymi postaciami ALS, ale to, czy każdy czynnik genetyczny przyczynia się do tylko jednego ogólnego typu ALS, czy wielu typów, pozostaje wciąż nierozstrzygniętym pytaniem w tej dziedzinie – twierdzi Kiskinis.

Aby odpowiedzieć na to pytanie, jak wynika z badania opublikowanego w Raporty komórkowezespół Kiskinisa wykorzystał neurony ruchowe rdzenia kręgowego pochodzące od pacjenta z indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) do opracowania modelu drugiego najczęstszego typu rodzinnego ALS, który jest spowodowany mutacjami w genie SOD1 i występuje u 2% wszystkich przypadków ALS.

„Z prac przeprowadzonych w tej dziedzinie przez ostatnie 20 lat wiemy, że mutacja ta powoduje toksyczność poprzez efekt wzmocnienia funkcji. Wiemy, że mutacje prowadzą do nieprawidłowego fałdowania białek, a nieprawidłowe fałdowanie rozpoczyna kaskadę prowadzącą do dysfunkcji. Nie do końca rozumiemy, jak to się dzieje” – powiedział Kiskinis.

Badacze wykorzystali proteomikę czasową do porównania proteomów kontrolnych neuronów iPSC i neuronów iPSC z mutacją SOD1 oraz porównali szybkość degradacji białek (recykling i zastępowanie starych białek) pomiędzy obydwoma zestawami neuronów.

W neuronach iPSC zmutowanego SOD1 odkryli, że inne białko powodujące ALS — białko zawierające walozynę (VCP) — ulega degradacji wolniej niż w neuronach iPSC kontroli izogenicznej. Ta powolna degradacja białek ostatecznie spowodowała mniejszą interakcję VCP z niektórymi białkami, a większą z innymi białkami.

„To dość ekscytujące, ponieważ uważa się, że mutacje w VCP, które mogą powodować ALS, działają w podobny sposób” – powiedział Kiskinis.

Następnie badacze starali się ustalić, czy zmieniona funkcja VCP odgrywa rolę w toksyczności zależnej od SDO1. Zarówno w modelach zmutowanego SOD1 iPSC pacjentów-neuronów pacjenta, jak i C. elegans (rodzaj glisty) zmutowanego SOD1 badacze odkryli, że w przypadku nadekspresji VCP toksyczność spadała, a gdy funkcja VCP była hamowana, toksyczność wzrastała.

„Ten artykuł i prace, które wykonaliśmy w naszym laboratorium przez ostatnie kilka lat, pokazują, że chociaż przyczyny genetyczne mogą być różne, zawsze istnieje pewien poziom mechanicznego nakładania się, jeśli chodzi o przyczyny dysfunkcji tych komórek – powiedział Kiskinis.

Jest to ważne, dodał Kiskinis, ponieważ odkrycia mogą pomóc w projektowaniu przyszłych badań klinicznych i udoskonalić stosowanie terapii celowanych. Idąc dalej, Kiskinis powiedział, że jego zespół chce ustalić, czy VCP jest skutecznym celem terapeutycznym dla pacjentów z mutacją SOD1, a także innych typów ALS.