Een shirt met armen van 4 meter vouwen: inzicht in eiwitvouwing bij de ziekte van Huntington

Stel je een drukke kledingfabriek voor. Eiwitten zijn als pas genaaide shirts die van de machines komen. Ze zijn slap, gekreukt en kunnen een enorme puinhoop veroorzaken als ze niet worden opgevouwen. Normaal gesproken heeft de cellulaire kledingfabriek ‘chaperonne-eiwitten’ in dienst die als ervaren strijkers fungeren. Ze pakken elk shirt, gebruiken energie van een heet strijkijzer en vouwen het zorgvuldig in de juiste vorm zodat alles netjes en ordelijk blijft.

Maar de ziekte van Huntington (HD) creëert abnormaal gevormde kleding die de chaperonne-vouwers in de war kan brengen. Als dat gebeurt, worden eiwitten, net als onregelmatige shirts, vaak verkeerd gevouwen, raken ze verstrikt en ontstaat er een enorme puinhoop. In nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Communications, onderzocht een team van wetenschappers hoe ze het eiwitvouwingsproces bij HD konden verbeteren door extra chaperonne-vouwers te ontwikkelen. Wat ontdekten ze en wat betekent dit voor HD?

Een shirt vouwen met armen van 4 meter

HD wordt veroorzaakt door een verlengde reeks genetische letters in het huntingtine-gen die een extra lang eiwit produceren, het verlengde huntingtine. Dat extra lange eiwit vormt schadelijke klonters die zich in cellen ophopen. Als de cel een drukke kledingfabriek is, is verlengd huntingtine als een shirt met armen van 4 meter – moeilijk om goed te vouwen en op te bergen, wat een grote puinhoop veroorzaakt.

Normaal gesproken zijn er hulpeiwitten, ‘chaperonnes’ genoemd, die door de hele cel werken om ervoor te zorgen dat andere eiwitten correct vouwen en niet samenklonteren. Bij ziekten zoals HD kan dit chaperonne-systeem echter overbelast raken. Er is gewoon te veel verlengd huntingtine om bij te kunnen houden.

PEX19: zelfstandige vouwmachine

Chaperonnes hebben een constante energietoevoer nodig in de vorm van een molecuul genaamd ATP, en een team van andere hulpeiwitten, om hun werk goed te doen. Omdat ze afhankelijk zijn van dit ondersteuningssysteem, zijn chaperonnes moeilijk om te zetten in medicijnen – ze hebben te veel energie en teamwerk nodig. Het is als proberen een hele fabriek te gebruiken in plaats van één machine om een klus te klaren. Deze studie richt zich op een specifiek type chaperonne genaamd PEX19, die uniek is omdat het werkt zonder energie (ATP) of hulpeiwitten nodig te hebben.

PEX19 helpt normaal gesproken bepaalde eiwitten om bij een deel van de cel te komen dat het peroxisoom wordt genoemd. Peroxisomen zijn kleine recycling- en ontgiftingsfabriekjes in je cellen, die afval en schadelijke stoffen afbreken, zoals vetten en gifstoffen, om de cel gezond te houden door ze om te zetten in onschadelijk water en zuurstof. Omdat PEX19 zelfstandig werkt en geen ATP nodig heeft, zou het mogelijk kunnen worden ingezet om eiwitklontering aan te pakken zonder dat er een behandeling nodig is die partnereiwitten bevat.

Klonters opruimen in verschillende HD-modellen

Het hoofddoel van dit onderzoek was om een manier te vinden om de klontering van het verlengde gemuteerde huntingtine-eiwit te voorkomen dat bijdraagt aan het ontstaan van HD-symptomen. De onderzoekers dachten dat ze, gezien de unieke eigenschappen, PEX19 op moleculair niveau konden aanpassen om schadelijke huntingtine-klonters aan te pakken en te verwijderen. Hiervoor produceerden ze verschillende aangepaste versies van de PEX19-chaperonne en testten welke versie de vorming van eiwitklonters voorkwam in verschillende organismen die HD modelleren.

Eerst ontwikkelden ze kleine gistcellen die het huntingtine-eiwit produceren. Als ze onbehandeld blijven, vormen er eiwitklonters die de gist ziek maken. De onderzoekers voegden twee speciaal ontworpen versies van PEX19 toe aan de gistcellen en zagen dat deze behandeling voorkwam dat huntingtine-klonters de gist ziek maakten.

Vervolgens voegden ze deze twee versies van PEX19 toe aan menselijke HD-cellen die in een laboratoriumschaaltje groeiden, en zagen dat huntingtine-eiwitklonters veel langzamer werden gevormd. Ten slotte behandelden ze HD-fruitvliegjes met hun meest effectieve versie van PEX19 en zagen dat deze zieke vliegjes langer leefden en beter konden klimmen, een vaardigheid die achteruitgaat bij vliegjes met het gen voor HD. Ze denken dat dit kwam doordat de kleverige klonters in hun hersenen waren verminderd.

De puinhoop stoppen voordat die begint

Deze interessante waarnemingen suggereren dat een energie-onafhankelijke chaperonne, PEX19, kan worden aangepast om de vorming van huntingtine-eiwitklonters in gist, menselijke cellen en fruitvliegenhersenen te voorkomen. Dit suggereert dat de twee speciale versies van PEX19 mogelijk therapeutisch potentieel hebben tegen HD bij mensen.

Naast deze bevindingen identificeerden de onderzoekers het specifieke mechanisme waarmee deze twee PEX19-versies eiwitklonters remmen, een inzicht dat cruciaal is voor de ontwikkeling van medicijnen die de werking van PEX19 nabootsen. Het team zag dat kunstmatige varianten van PEX19 de eerste vorming van eiwitklonters kunnen voorkomen, maar ze kunnen klonters die al gevormd zijn niet uit elkaar halen, omdat dit aanzienlijke energie vereist.

Het is het verschil tussen netjes vouwen van elk onhandelbaar, slap-mouwige shirt direct nadat het is genaaid, versus het aanpakken van een enorme, rommelige berg ervan. Hoewel dit een beperking is van aangepaste PEX19, maakt het feit dat de chaperonne energie-onafhankelijk is en geen hulpeiwitten nodig heeft het nog steeds een aantrekkelijke kandidaat voor therapeutische ontwikkeling.

De vouwen aanpassen voor een betere pasvorm

Dit onderzoek levert een belangrijke bijdrage door een nieuwe strategie te introduceren voor het ontwikkelen van therapieën voor de ziekte van Huntington en mogelijk andere eiwitaggregatiestoornissen. Het toont de haalbaarheid aan van het ontwikkelen van een ATP-onafhankelijke chaperonne om de klontering van een ziekteveroorzakend eiwit aan te pakken en te verminderen. Deze aanpak biedt een alternatief voor traditionele chaperonnes die afhankelijk zijn van complexe cellulaire machines en energie, wat hun effectiviteit in zieke cellen kan beperken.

Toekomstig werk zou zich moeten richten op het verder optimaliseren van de aangepaste PEX19-varianten om hun specificiteit en werkzaamheid te verbeteren door de PEX19-architectuur aan te passen voor betere binding aan het huntingtine-eiwit. Daarnaast zou het testen van deze varianten in complexere zoogdiermodellen en uiteindelijk in klinische trials cruciaal zijn voor hun ontwikkeling als therapeutisch middel voor de ziekte van Huntington.

Samenvatting

• De klontering van een verlengd huntingtine-eiwit in cellen draagt bij aan de ziekte van Huntington (HD).
• Traditionele eiwitchaperonnes die de vorming van eiwitklonters zouden kunnen voorkomen, hebben veel energie (ATP) en hulpeiwitten nodig, waardoor ze ongeschikt zijn als eenvoudige behandelingen.
• Deze studie analyseerde veel verschillende versies van PEX19, een unieke chaperonne die onafhankelijk functioneert en geen ATP gebruikt, op hun vermogen om de vorming van huntingtine-eiwitklonters in menselijke en dierlijke cellen te remmen.
• Het onderzoeksteam identificeerde twee aangepaste versies van PEX19 die huntingtine-eiwitklonters kunnen voorkomen in gist, menselijke cellen en fruitvliegen.
• De aangepaste PEX19-varianten kunnen nieuwe klonters voorkomen maar kunnen bestaande niet afbreken.
• De resultaten bieden een vereenvoudigde aanpak voor mogelijke HD-therapieën en kunnen toekomstig onderzoek inspireren om deze varianten te optimaliseren en te testen in zoogdiermodellen en klinische trials.

Lees meerOrigineel onderzoeksartikel, “Engineering a membrane protein chaperone to ameliorate the proteotoxicity of mutant huntingtin” (open access).