Een groep wetenschappers van de EPFL in Lausanne, Zwitserland, heeft een artikel gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society, waarin ze klonters beschrijven die bestaan uit een fragment van het huntingtine-eiwit. Een woord dat vaak wordt gebruikt om deze klonters te beschrijven, is ‘aggregaten’. Met behulp van zeer krachtige microscopen kon het team inzoomen en de details van de 3D-structuren van deze stalen nauwkeurig bekijken. Er wordt gedacht dat de opbouw van huntingtine-eiwitaggregaten een belangrijk kenmerk is van de ziekte van Huntington (ZvH) en bijdraagt aan de progressie van de ziekte. Maar tot voor kort wisten we heel weinig over hoe die aggregaten eruitzagen. Wetenschappers hopen met nieuwe hulpmiddelen deze klonters na te bouwen en te visualiseren in de hersenen van huntingtonpatiënten of zelfs om schadelijke aggregaten naar de prullenbak in hersencellen te sturen.

Aggregaten, amyloïden en vezels, wat betekent dit allemaal?

Veel ziekten die de hersenen aantasten, waaronder neurodegeneratieve ziekten zoals Parkinson, Alzheimer en Huntington, worden gekenmerkt door de ophoping van klonters eiwitmoleculen in de hersencellen. Bij de ZvH is het een klein en kleverig fragment van het huntingtine-eiwit zelf dat deze klonters vormt. Wetenschappers noemen het vaak huntingtine-aggregaten.

‘Aggregatie’ is een mooi woord dat wordt gebruikt om aan te geven dat veel kopieën van hetzelfde eiwitmolecuul aan elkaar plakken om veel grotere driedimensionale structuren te maken. Soms zijn deze aggregaten een warboel van veel eiwitmoleculen die allemaal schots en scheef zijn. Maar andere keren zijn de moleculen veel meer georganiseerd en vormen ze repetitieve structuren. Sommige van deze meer georganiseerde structuren zien eruit als vezels en worden amyloïden of fibrillen genoemd.

Je kunt deze verschillende structuren van eiwitmoleculen zien als een toren van Jengastenen. Elke steen vertegenwoordigt een enkel eiwitmolecuul. Als de stenen allemaal netjes op elkaar zijn gestapeld tot een toren, lijkt dit een beetje op eiwitamyloïden of fibrillen. Maar wanneer de stenen uiteindelijk tot een rommelige hoop uiteenvallen, lijkt dit meer op hoe we denken dat een ongeorganiseerd eiwitaggregaat eruit zou kunnen zien.

Wetenschappers zijn over het algemeen (tot onze irritatie) liefhebbers van jargon, dus je zult zien dat ze al deze woorden vaak door elkaar gebruiken. Maar voor dit artikel zullen we ons concentreren op huntingtinefibrillen; georganiseerde driedimensionale vezels die bestaan uit heel veel kopieën van een klein en kleverig fragment van het huntingtine-eiwit.

Van muizen en mensen… en bacteriën

Aggregatie van het huntingtine-eiwit wordt reeds lang gedocumenteerd als een kenmerk van de ziekte van Huntington. In hersenen van mensen die zijn overleden aan de ziekte kunnen we kleurstoffen en andere handige chemische labels gebruiken om deze aggregaten onder de microscoop te zien in verschillende soorten zenuwcellen. In huntingtondiermodellen, die genetisch gemanipuleerd zijn om het kleine kleverige fragment van het huntingtine-eiwit te maken, hebben wetenschappers aangetoond dat deze aggregaten zich in de loop van de tijd ophopen. Bij veel van deze diermodellen wordt het niveau van aggregaten in verschillende delen van de hersenen geassocieerd met de ernst van de huntingtonsymptomen.

“Bacteriën zijn door de wetenschappers ontwikkeld om huntingtine-eiwitfabrieken te zijn, die heel veel kopieën van dit molecuul kunnen maken ”

Een van de problemen bij het kijken naar de aggregaten in de hersenen is dat er veel andere moleculen zijn in de cellen waar we aggregaten vinden, dus we moeten speciale stoffen gebruiken die aan de aggregaten blijven kleven om ze te zien. Deze benadering geeft ons echter geen erg gedetailleerd inzicht in de aanwezige soorten aggregaten of hun 3D-structuren.

Om dit probleem op te lossen, kijken wetenschappers naar zeer zuivere stalen van aggregaten die ze synthetisch in het laboratorium maken. Onschadelijke bacteriën zijn door de wetenschappers ontwikkeld tot huntingtine-eiwitfabrieken, die heel veel kopieën van dit molecuul maken. De wetenschappers kunnen dan huntingtine uit de bacteriën halen en deze gebruiken om fibrillen in een reageerbuis te maken, die lijken op wat we bij mensen zien. De fibrillen kunnen worden gemaakt met normaal of mutant huntingtine-eiwit, (analoog aan huntingtine-eiwit met en zonder de huntingtonmutatie). Dit betekent dat wetenschappers de effecten van deze mutatie op de fibrillen kunnen onderzoeken.

Wat kunnen krachtige microscopen onthullen over deze aggregaten ?

Na het maken van deze synthetische huntingtine fibrilstalen, bekeek het onderzoekteam uit Zwitserland ze met behulp van een eigenaardig apparaat dat een cryogene elektronenmicroscoop wordt genoemd. Met dit type microscoop kun je echt inzoomen en de fibrillen tot in detail bekijken. De fibrillen zijn extreem klein, slechts 3-10 nanometer in doorsnee. Dit is ongeveer 100.000 keer kleiner dan de dikte van uw vingernagels - maar zijn gemakkelijk zichtbaar onder dit type microscoop.

In deze studie namen de wetenschappers veel foto’s van de fibrillen met behulp van deze microscoop en gebruikten vervolgens speciale software om gelijkaardige beelden bij elkaar te brengen. Dit proces verbetert de kwaliteit van het beeld, waardoor de kenmerken van de fibrillen gemakkelijker te zien zijn - een beetje zoals het wijzigen van het contrast of de helderheid op het scherm van uw telefoon (om het display duidelijker te zien).

Uit deze beelden van de fibrillen konden de wetenschappers hun afmetingen opmaken en uitzoeken hoe alle huntingtine-eiwitmoleculen waren georganiseerd. Ze konden zien dat ze op elkaar waren gestapeld en in platte linten waren opgedeeld, een beetje alsof je veel Jengastenen neemt en ze allemaal naast elkaar legt om een dunne, enkele laag stenen te maken. Veel linten van huntingtine liggen in de fibrillen op elkaar, alsof je steeds meer lagen Jengastenen bovenop de eerste hebt toegevoegd.

Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat de huntingtonmutatie leidde tot veranderingen in de afmetingen van de huntingtine-eiwitfibrillen, evenals tot veranderingen in het aantal linten van huntingtine dat op elkaar gestapeld was. De wetenschappers maakten ook fibrillen van een nog kleiner fragment van het huntingtine-eiwit dat een gebied aan het begin van het molecuul mist. Ze toonden aan dat deze fibrillen veel ongeorganiseerder waren en bestonden uit een mix van verschillende structuren van de huntingtine-eiwitmoleculen.

Deze bevindingen zijn belangrijk omdat ze aantonen dat de mutatie van de ziekte van Huntington en andere regio’s van het huntingtine-gen de 3D-structuur en organisatie van huntingtine-eiwitfibrillen beïnvloeden. Fibrillen die uniform of minder georganiseerd zijn, kunnen zich op verschillende manieren ophopen, dus dit is belangrijk om te begrijpen.

Hoe zal dit werk mensen helpen die getroffen zijn door de ziekte van Huntington?

Ons diepgaand begrip van de structuur van aggregaten in het huntingtonbrein staat nog enigszins in de kinderschoenen, maar we kunnen naar andere ziektegebieden kijken om te zien welke belofte dit soort onderzoek kan inhouden (behalve het genereren van echt coole beelden van de fibrillen natuurlijk).

“De mutatie van de ziekte van Huntington beïnvloedt de 3D-structuur en organisatie van huntingtine-eiwitfibrillen ”

In het onderzoek naar de ziekte van Alzheimer wordt deze benadering nu gebruikt om te kijken naar fibrillen uit de hersenen van patiënten die zijn overleden. Dit werk heeft een verbazingwekkend detailniveau van de fibrilstructuren onthuld en laat precies zien waar elk atoom zich bevindt. Door fibrillen van mensen met verschillende vormen van de ziekte van Alzheimer te vergelijken konden wetenschappers subtiele verschillen zien tussen patiënten, diermodellen van de ziekte van Alzheimer en de synthetische fibrillen die in het laboratorium worden gegenereerd. Voor andere soorten fibrillen die wetenschappers hebben onderzocht, is de variatie van patiënt tot patiënt significant, hoewel het nog niet duidelijk is hoe dit zich verhoudt tot de symptomen of ernst van de ziekte

Andere onderzoeken laten zien hoe hersenbeeldvormende moleculen, PET-liganden genaamd, zich binden aan de fibrillen. Het huntingtonveld heeft een PET-ligand dat zich bindt aan fibrillen (we schreven hier onlangs over op HDBuzz), maar we weten nog niet precies waar het zich bindt aan deze structuren. Misschien zullen wetenschappers op een dag deze benadering kunnen gebruiken om beter het PET-ligand te begrijpen.

Over het algemeen is het werk van de onderzoekers van de EPFL een straffe stap voorwaarts nu we huntingtinefibrillen beter beginnen te begrijpen. Het heeft een basis gelegd voor toekomstige studies waarin we meer informatie zouden kunnen verzamelen over dit belangrijke kenmerk van de ZvH.

Deel