Wormen tot de redding: Het goede, het slechte en de klonterige huntingtine scheiden

De ziekte van Huntington (HD) is een dodelijke hersenziekte veroorzaakt door een defect in het huntingtine (HTT) gen, dat een extra lang eiwit produceert. Dit defect zorgt ervoor dat het HTT-eiwit schadelijke klonters of “aggregaten” vormt in cellen, een proces dat veel voorkomt bij andere neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer en Parkinson. Terwijl eiwitten klonteren, vormen ze verschillende vormen en structuren, sommige schadelijker dan andere.

Het is belangrijk om uit te zoeken welk specifiek type eiwitklonter het meest schadelijk is voor cellen, omdat verschillende vormen op verschillende manieren schade kunnen veroorzaken, en dit kan de ontwikkeling van HD-therapieën sturen. In nieuw werk gepubliceerd in een chemisch onderzoekstijdschrift, testte een team onderzoekers hoe schadelijk verschillende vormen van HTT-eiwitklonters zijn. Ze manipuleerden ook de eigenschappen van deze eiwitklonters om te proberen hun schadelijke effecten te verminderen. Dus wat vonden ze, en wat betekent dit voor HD?

Eiwitten als bouwstenen

Een analogie voor het uitleggen van de verschillende soorten eiwitklonters is om te denken aan stenen die gebruikt worden in de bouw. Normale eiwitten zijn zoals goed gesneden en gestapelde bouwstenen. Net als gebroken stenen kunnen beschadigde of gemuteerde eiwitten op verschillende manieren ophopen naarmate de tijd verstrijkt:

Oligomeren (de eerste die clusters vormen): kleine, ongeorganiseerde stapels van een paar misvormde of gebroken stenen, klein genoeg om gemakkelijk verplaatst te worden.

Amorfe aggregaten (ongeordende klonters): een rommelige stapel van allerlei verschillende beschadigde stenen die in een hoek gedumpt zijn, zonder gedefinieerde structuur en moeilijk te verplaatsen.

Amyloïde fibrillen (geordende vezels): een stapel stenen die is samengesteld tot delen van een muur die geen functie heeft, maar niet gemakkelijk verplaatst of gedemonteerd kan worden.

Onze cellen hebben controlesystemen die werken als een bouwopruimploeg die probeert de beschadigde stenen te sorteren, herrangschikken of verwijderen voordat ze ophopen tot problematische stapels. Echter, bij ziekten zoals HD kan dit controlesysteem overweldigd raken. Na verloop van tijd is er gewoon te veel uitgebreid HTT voor hen om bij te houden. Met andere woorden, er zijn te veel beschadigde stenen.

Scheiding door draaien

De onderzoekers wilden een belangrijke vraag beantwoorden: welk type HTT-klonter veroorzaakt de meeste schade? Om dit uit te zoeken, hadden ze eerst een manier nodig om de verschillende soorten klonters van elkaar te scheiden.

Ze gebruikten een laboratoriumcentrifuge die werkt zoals een wasmachine centrifugecyclus—het scheidt materialen op gewicht. Net zoals een wasmachine water wegslaat van kleding, scheidde draaien op verschillende snelheden de HTT-klonters op grootte. Zacht draaien scheidde de grote klonters af, terwijl sneller draaien de kleinere klonters van de grotere scheidde.

Na het scheiden van de verschillende soorten HTT-klonters, voerden de onderzoekers ze aan kleine laboratoriumwormen genaamd C. elegans (uitgesproken als “see EL-uh-ganz”) om te testen welke klonters het meest schadelijk zijn. Het klinkt misschien vreemd om wormen te gebruiken voor HD-onderzoek! Maar deze wormen zijn werkpaarden van wetenschappelijke ontdekking. Al tientallen jaren gebruiken laboratoria over de hele wereld ze om baanbrekende bevindingen te doen over veroudering, levensduur en hoe cellen zich ontwikkelen gedurende het leven.

C. elegans zijn ongeveer zo lang als een streepje (-), bijna transparant en bijna onmogelijk te zien zonder microscoop. In laboratoria leven ze in een gespecialiseerde vloeistof of gel bekend als “media”, in een gecontroleerde omgeving die alles heeft wat ze nodig hebben om te overleven.

De wormen aten de verschillende vormen van HTT-klonters en de onderzoekers maten de overleving en beweging van de wormen gedurende de volgende 2 dagen. De resultaten suggereren dat de kleine klonters (oligomeren) het meest schadelijk zijn, waardoor de overleving en beweging van wormen vermindert, terwijl de grotere fibrillen helemaal geen schade veroorzaakten. Teruggaand naar onze steenanalogieː het lijken die kleine, verplaatsbare stapels gebroken stenen te zijn die de meeste problemen veroorzaken, niet de grote stijve stapels!

Structuur beïnvloedt toxiciteit

Nu ze wisten dat de kleine klonters de giftige waren, wilden de onderzoekers begrijpen waarom. Ze testten of het veranderen van de structuur van deze klonters ze minder schadelijk kon maken.

Eerst “nietten” ze klonters chemisch aan elkaar zodat ze niet zo gemakkelijk konden bewegen. De wormen overleefden langer. Dit suggereert dat de flexibiliteit van deze kleine klonters, hun vermogen om te verschuiven en van vorm te veranderen, op zijn minst een deel is van wat ze gevaarlijk maakt.

Ze testten ook twee experimentele verbindingen (EGCG en riluzole) waarvan bekend is dat ze beïnvloeden hoe eiwitten samenklonteren. Afhankelijk van wanneer de verbindingen werden toegevoegd, veranderden ze de overleving van de wormen op verschillende manieren. Dit vertelt ons dat de timing van ingrijpen in klontervorming belangrijk is, en dat verschillende interventies klonters creëren met verschillende niveaus van toxiciteit. Het is belangrijk op te merken dat deze verbindingen onderzoeksinstrumenten zijn, geen potentiële behandelingen, maar ze helpen wetenschappers begrijpen wat er gebeurt met het HTT-eiwit.

De bevindingen toepassen op toekomstig onderzoek

Dit onderzoek levert twee belangrijke bijdragen. Ten eerste geeft het wetenschappers een eenvoudige, reproduceerbare methode om verschillende soorten HTT-klonters te scheiden en te testen, iets wat andere laboratoria nu kunnen gebruiken in hun eigen werk. Ten tweede onthult het dat de structuur en flexibiliteit van eiwitklonters bepaalt hoe giftig ze zijn. Dat is een potentieel krachtig inzicht! Als we deze klonters kunnen stabiliseren of verstijven, kunnen we misschien de schade die ze veroorzaken verminderen.

Het idee dat het “vastzetten” van giftige eiwitten cellen zou kunnen beschermen is een intrigerende nieuwe invalshoek voor HD-therapieën, en mogelijk voor andere ziekten waarbij eiwitklontering voorkomt, zoals Alzheimer en Parkinson. Natuurlijk werden deze experimenten gedaan in eenvoudige wormen, dus er is nog een lange weg te gaan voordat we weten of deze benadering zou kunnen werken bij mensen.

De volgende stappen omvatten het volgen van wat er gebeurt met deze giftige klonters nadat de wormen ze hebben ingenomen. Blijven ze klonteren in cellen? Welke organen worden beïnvloed? Onderzoekers moeten ook beter begrijpen welke vormen van kleine klonters precies het gevaarlijkst zijn, en testen of deze benadering werkt in complexere dieren, zoals muizen. Als die studies succesvol zijn, zou het uiteindelijk kunnen helpen bij het ontwikkelen van medicijnen die ontworpen zijn om HTT-klontertoxiciteit te verminderen.

Samenvatting

• De ziekte van Huntington (HD) wordt veroorzaakt door een defect in het HTT-gen dat ervoor zorgt dat het eiwit samenklontert in hersencellen. Vergelijkbare klontering gebeurt bij andere hersenziekten zoals Alzheimer. Deze klonters vormen zich op verschillende manieren, sommige zijn klein en flexibel (oligomeren) terwijl andere groot en stijf zijn (fibrillen).
• Onderzoekers ontwikkelden een eenvoudige methode met centrifugeren om verschillende soorten HTT-klonters te scheiden zodat ze elk type individueel konden testen.
• Ze voerden de gescheiden klonters aan kleine laboratoriumwormen en maten hoe de wormen het ervan afbrachten. De kleine, flexibele klonters waren zeer giftig voor de wormen, terwijl de grote, stijve klonters geen schade veroorzaakten.
• Toen onderzoekers de kleine klonters chemisch “aan elkaar nietten” om ze minder flexibel te maken, overleefden de wormen langer. Dit suggereert dat flexibiliteit de sleutel is tot waarom deze klonters gevaarlijk zijn.
• Dit werk geeft wetenschappers een nieuw instrument voor het bestuderen van HTT-klonters en suggereert een potentiële nieuwe behandelingsstrategie. Als we giftige eiwitklonters kunnen vastzetten in minder flexibele vormen, kunnen we misschien de schade die ze veroorzaken bij HD en andere eiwitklonteringsziekten verminderen.