In een recent artikel gepubliceerd in de Tijdschrift voor biologische chemie Yuna Ayala, doctoraat, assistent-professor biochemie en moleculaire biologie aan de Saint Louis University, en haar onderzoeksteam boekte vooruitgang in het begrijpen hoe een eiwit schadelijke plaques veroorzaakt bij neurodegeneratieve ziekten zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS) en een vorm van dementie die frontotemporale kwabdegeneratie wordt genoemd.

Ayala en haar laboratoriumonderzoek TDP-43, een eiwit dat bindt aan RNA en een rol speelt bij genexpressie. In 2006, onderzoekers ontdekten dat TDP-43 het belangrijkste kenmerk was van neurologische aandoeningen zoals ALS en frontotemporale dementie.

TDP-43 is een belangrijk eiwit dat is gekoppeld aan celoverleving, metabolisme en functie die door evolutie zijn behouden bij dieren van vliegen tot mensen. Zonder TDP-43, wetenschappers zien dat dieren locomotiefdefecten ontwikkelen en de levensduur verkorten. Muizen die dit eiwit missen, overleven het embryonale stadium niet. Het reguleert veel genen en regelt de verwerking van boodschapper-RNA.

Wanneer TDP-43 zich ophoopt in cellen, het zorgt ervoor dat schadelijke tandplak zich ophoopt; dit is een kenmerk van ALS en frontotemporale kwabdegeneratie. Het is ook aanwezig bij andere soorten neurodegeneratieve ziekten, waaronder de ziekte van Alzheimer.

Verwoestende ziekten

ALS is een ziekte met late aanvang; de gemiddelde leeftijd waarop de diagnose wordt gesteld is 55. Een verwoestende ziekte zonder genezing, de meeste mensen overlijden binnen twee tot vijf jaar na de diagnose. ALS doodt motorneuronen in hersen- en ruggenmergcellen, veroorzaakt een gebrek aan connectiviteit met spieren en spieratrofie. Het beïnvloedt ook neuronen in de tong en ledematen.

Naast ALS, TDP-43 wordt gevonden in gevallen van frontotemporale dementie, een vorm van dementie die verschilt van de ziekte van Alzheimer. Waar Alzheimerpatiënten geheugenproblemen krijgen, mensen met frontotemporale dementie verliezen hun remming en ondergaan een geleidelijke achteruitgang in gedrags- en spreekvaardigheid.

TDP-43 is ook gekoppeld aan kleine neurodegeneratieve aandoeningen en, in een recente ontdekking, is aanwezig bij veel patiënten met de ziekte van Alzheimer, ook. Hoewel het verband met de ziekte van Alzheimer nog niet wordt begrepen, wetenschappers speculeren dat TDP-43 een secundaire pathologie of een marker van de ziekte van Alzheimer kan zijn.

Van al deze neurodegeneratieve aandoeningen is een gemeenschappelijke factor:ze worden gekenmerkt door de onomkeerbare ophoping van plaques. Een eiwit of een reeks eiwitaggregaten, waardoor tandplak ontstaat. En, wetenschappers weten dat bij ALS en frontotemporale dementie, het aggregerende eiwit is TDP-43.

In onze cellen:wat doet TDP-43?

Ayala en haar team wilden meer leren over hoe TDP-43 in cellen werkt. De eerste vraag van de onderzoekers is een kwestie van evenwicht. TDP-43 is een onmisbaar eiwit dat zich moet ophopen om vitale celprocessen te laten plaatsvinden. Te veel, Hoewel, en de eiwitaggregatie zorgt ervoor dat plaques zich ophopen.

"We willen leren over het proces van eiwitbalans, hoe gezonde cellen het evenwicht bewaren, hoe het eiwit aggregeert en welke omstandigheden aggregaties bevorderen of beperken, "Zei Ayala. "De meesten van ons lopen rond met onze TDP-43 die goed werkt. Wanneer gaat het niet goed? Wat zijn die voorwaarden? En, wat zijn de echt belangrijke functies van TDP-43 die in cellen plaatsvinden, functies die de degeneratie van neuronen zouden veroorzaken zonder hen?

"En, tot slot willen we meer weten over de locatie waar TDP-43 zich ophoopt in de cel. In de kernen, de cel rekruteert het eiwit in organellen of foci die nodig zijn voor normale genexpressie en celoverleving.

"We wilden begrijpen hoe de assemblage in deze organellen wordt gereguleerd. Voor TDP-43 en andere RNA-bindende eiwitten, er is heel weinig bekend over wanneer ze zich zullen vormen, hoeveel zullen er worden gevormd en hoe groot zijn ze. Hoe controleer je de grootte van deze dingen?"

Het SLU-team besloot om te kijken of fosforylering - een van de meest voorkomende manieren waarop eiwitten worden gereguleerd - verantwoordelijk kan zijn voor het beheer van de activiteit, locatie en hoe stevig het eiwit bindt. Wetenschappers weten dat wanneer ze cellen op een bepaalde manier belasten, ze activeren een hitteschokreactie, fosforylering op gang brengen. Ayala gebruikte deze procedure om te zien of fosforylering betrokken was bij de acties van TDP-43.

"Heatshockrespons is de eerste ooit ontdekte stressconditie die het celmetabolisme zal veranderen. en het wordt gevonden in organismen variërend van gist tot mensen. Het idee is dat wanneer je de temperatuur van de cellen verhoogt, de cellen hebben een reactie die bij veel wezens vergelijkbaar is. Dat is het signaal dat veel cellulaire veranderingen teweegbrengt, waaronder fosforylering van sommige eiwitten.

"Wat we hebben gevonden is dat er een specifiek kinase is, het enzym dat de fosforylering gaat toevoegen, op het werk. Het vertaalt het signaal, intern of extern, naar de cel. Dit enzym wordt MEK genoemd en het is een heel belangrijk kinase dat al vele jaren wordt bestudeerd. Het is betrokken bij kanker. Maar een van de nieuwe bevindingen is dat het ook betrokken is bij de eiwitbalans in cellen."

Ayala en haar team ontdekten dat deze kinase, MEK, fosforyleert op twee residuen.

"We waren blij dat we dit signaal herkenden, "Zei Ayala. "Het was leuk om dit te vinden. Het kan lang duren om te vinden."

Volgende, de onderzoekers wilden weten of fosforylering de eiwitfuncties aantast, en ze ontdekten dat het het vermogen regelt om de verwerking te controleren.

"Het zorgde ervoor dat TDP-43 naar een compartiment ging waar het niet eerder was geweest, " zei Ayala. "Het kan betrokken zijn bij het reguleren van een type RNA waarvan we niet wisten dat het gereguleerd werd en het kan erg belangrijk zijn voor het cellulaire metabolisme.

"Nu willen we begrijpen wat het in dit compartiment doet, zijn specifieke functie en hoe dat zich vertaalt naar ALS en dementie."

Aan de horizon:betere diagnose en nieuwe behandelingen

Ayala wordt aangemoedigd door de vooruitgang die haar team heeft geboekt bij het begrijpen van de onderliggende processen die aanzetten tot deze neurodegeneratieve ziekten. En, ze hoopt dat dit werk de weg zal banen voor studies die deze bevindingen kunnen gebruiken om nieuwe behandelingen te ontwikkelen.

"We hadden aanwijzingen die in deze richting wezen. Je had mutaties en je had dit compartiment. Nu, Ik denk dat we moeten uitzoeken hoe deze twee dingen samenkomen om te begrijpen hoe ALS gebeurt. Dit is een kritische plek om te kijken, om de functie te onderzoeken van dat specifieke organel dat bij deze ziekte is aangetast."

"Misschien kunnen we die kinase-route gebruiken als doelwit om medicijnen te ontwikkelen die TDP-43 gelukkiger maken, het voorkomen van ziekte en het voorkomen van de aggregatie van andere eiwitten. Dus ik denk dat dit werk ons ​​echt zal helpen begrijpen wat leidt tot de ontwikkeling van ALS en dementie, om ons te helpen de belangrijkste oorzaken van neurotoxiciteit in deze cellen te kennen. Het kan ons helpen om therapieën tegen de ziekte te testen en sommige van de medicijnen die al beschikbaar zijn, aan te passen."

"MEK wordt veel bestudeerd voor kanker, dus we kunnen een voorsprong hebben. Onderzoekers hebben al moleculen ontwikkeld om MEK te remmen, dus mogelijk zouden we dat reeds bestaande arsenaal kunnen gebruiken."

Naast nieuwe behandelingen, de diagnose zelf van neurodegeneratieve aandoeningen kan moeilijk zijn, en het kan voor clinici een uitdaging zijn om de ene dementie van de andere te onderscheiden. Alleen bij postmortale onderzoeken kunnen artsen de onderscheidende eiwitten en vormen zien die de specifieke ziekten markeren. Ayala en haar team geloven dat hun onderzoek niet alleen veelbelovend is voor genezingen, maar ook voor goede diagnostische methoden, om de diagnose eerder en nauwkeuriger te stellen.