Теперь исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета и их сотрудники определили ключевой ген, стоящий за формированием одного типа этих повреждающих нейроны агрегатов. Они также показали, как подавление функции гена снижает выработку вредного белка.
«Мы знаем, что эти богатые белком агрегаты являются явным признаком БАС», – сказал Аарон Гитлер, доктор философии, профессор генетики. "Но это открытие позволяет нам глубже изучить, как создаются эти агрегаты, и, возможно, как мы можем помешать этому процессу."
Ген, RPS25, кодирует часть клеточного механизма, необходимого для создания белкового мусора, который накапливается при некоторых формах БАС и повреждает здоровые нейроны. Когда активность гена была экспериментально истощена – в дрожжах, в нейронах, полученных от пациентов с БАС и у плодовых мушек – Гитлер и его команда увидели, что уровни летального белка упали примерно на 50 процентов по всем направлениям.
Команда также проверила функцию RPS25 в человеческих клетках, моделируя болезнь Хантингтона и спиноцеребеллярную атаксию, два других нейродегенеративных заболевания, которые имеют «отличительные черты» белковых агрегатов, аналогичные БАС, сказала Шизука Ямада, аспирант лаборатории Гитлера. И там ингибирование гена помогло снизить уровень плохого белка.
По словам Ямады, это все еще рано, но препятствование гену RPS25 кажется многообещающей целью для уменьшения деструктивных белков, наблюдаемых при БАС, и даже для увеличения продолжительности жизни, как это было видно на модели БАС у плодовых мух с низким уровнем активности гена.
Документ с подробным описанием результатов исследования будет опубликован 29 июля в журнале Nature Neuroscience.
Гитлер, получивший степень профессора фундаментальной медицины Стэнфордского университета, является старшим автором. Ямада – ведущий автор.
Альтернативный маршрут
БАС, также известная как болезнь Лу Герига, – это состояние, при котором убиваются двигательные нейроны, которые имеют решающее значение для всех физических задач, от расчесывания волос до дыхания.
Основная причина каждого случая не всегда одинакова; есть множество генетических факторов, которые влияют на начало БАС. Тем не менее, один ген часто является виновником.
При БАС он содержит цепочку ДНК, которая ошибочно повторяется.
Именно эти повторы ДНК превращаются во вредные белки, которые накапливаются в головном мозге. Когда белки накапливаются, они мешают здоровым нейронам, блокируя способность клеток нормально функционировать.
Помимо токсичных свойств, белковые агрегаты примечательны тем, что они не созданы, как другие белки, обнаруженные в организме, – сказал Ямада. «Эти повторы на самом деле вообще не должны превращаться в белки», – сказала она. "Они происходят из ДНК, которая не должна ничего кодировать, но каким-то образом белки все равно."
Во время обычного формирования белка рибосома, своего рода молекулярная машина, которая находится в клетке, обрабатывает РНК-мессенджер, которая содержит генетический код, основанный на ДНК, и превращает ее в сырье для белка. Этот процесс называется трансляцией, и он инициируется кодом в мРНК, который показывает рибосоме, с чего начать трансляцию.
Повторы ДНК, ассоциированные с БАС, не имеют этого стартового кода, в отличие от нормальной мРНК.
«Так что обычный перевод не работает с повторами», – сказал Ямада. Но оказывается, есть молекулярный обходной путь: нетрадиционный процесс трансляции, называемый трансляцией, связанной с повторами, не-AUG, или трансляцией RAN, которая превращает повторы ALS в деструктивные белковые тела.
Тормоза на RPS25
Точный механизм трансляции RAN и его роль в биологии человека не ясны, но ученые знают, что он все еще зависит от рибосомы. Чтобы лучше понять процесс, Гитлер и Ямада обратились к дрожжам, простому организму, в котором все еще есть основные белки и метаболические пути человеческих клеток. Один за другим исследователи снижали функцию отдельных генов дрожжей и отслеживали функцию RAN гриба.
При подавлении несколько генов влияли на функцию RAN, но один, в частности, RPS25, выделялся. Из-за того, что ген был заблокирован, производство токсичного белка упало на 50 процентов.
Исследователи также увидели 50-процентное снижение токсичного белка, когда они протестировали, как нейроны, полученные от пациентов с БАС, живут без RPS25.
«Мы были очень взволнованы, увидев уменьшение количества повторяющихся белков, переносимых в человеческие клетки», – сказал Ямада. "Всегда здорово, когда биология дрожжей может напрямую влиять на биологию человека.«Поскольку эти клетки были получены от пациентов, страдающих БАС, исследование дало надежное представление о том, как нейроны людей с БАС будут реагировать на более низкие уровни RPS25», – сказала она.
«С помощью геномного анализа мы смогли увидеть, что повторы, связанные с БАС, все еще присутствовали; последовательности не изменились», – сказал Ямада. "Изменялся выход рибосомы; повторы не так часто превращались в токсичные белки."
Разрезание части машины, производящей белок клетки, может показаться рискованным, но оказывается, что несуществующий ген RPS25 не нарушает нормальное производство белка.
Тем не менее, исследователи также показали, что неактивный ген RPS25 влияет не только на повторы БАС; дисфункциональный ген аналогично задерживал ошибочную продукцию белка в клеточных моделях болезни Хантингтона и спиноцеребеллярной атаксии, двух нейродегенеративных заболеваний, которые имеют характерные белковые агрегаты, сходные с БАС.
Двигаясь к большей сложности
Наконец, исследователи обратились к моделям БАС у плодовых мух, чтобы изучить, как истощение RPS25 влияет на насекомых в целом. Они увидели не только аналогичное снижение уровня токсичного белка, но и увеличение продолжительности жизни у мух, у которых отсутствовал полностью функциональный RPS25.
Мухи, у которых была мутация БАС и работающий ген RPS25, умирали в среднем к 29-му дню, в то время как мухи, у которых была мутация БАС и меньшее количество RPS25, жили в среднем в течение 38 дней. Здоровая плодовая муха живет в среднем около 50 дней.
Результаты интригуют, сказал Ямада, но прежде чем ученые смогут начать преследовать RPS25 в качестве мишени для наркотиков, у команды есть пара флажков, которые нужно отметить.
В настоящее время команда исследует, как более сложная модель животного – например, мышь – справится без RPS25.
«Что касается плодовых мушек, мы изменили ген; мы не удалили его полностью», – сказал Ямада. "Способно ли животное выжить без этого гена – важная часть нашего следующего шага."
Кроме того, сказал Ямада, она и Гитлер все еще ищут более четкую картину трансляции RAN у людей в целом. "Это происходит только при нейрогенеративных условиях?? Или есть более широкая роль у здоровых людей??" она сказала. "Мы пока не знаем ответа на эти вопросы, и будет важно выяснить, прежде чем использовать RPS25 в качестве терапевтической цели."
Другими соавторами исследования Стэнфордского университета являются аспиранты Наоми Генут и Николас Крамер; докторант Росслин Гросли, PhD; техник-исследователь Лиза Накаяма; старшеклассница Ширлин Фанг; научный сотрудник Тай Динджер; Мария Барна, кандидат медицинских наук, доцент кафедры генетики и биологии развития; и Джозеф Пуглиси, доктор философии, профессор структурной биологии.
Исследователи из клиники Майо, Университетского колледжа Лондона и Университета Южной Калифорнии также внесли свой вклад в исследование.
Работа финансировалась Национальными институтами здравоохранения (гранты R35NS097263, AI099506, AG064690, R35NS097273, P01NS099114, 2T32HG000044 и R01NS097850), U.S. Министерство обороны, Ассоциация мышечной дистрофии, Европейский исследовательский совет и агентство Alzheimer’s Research UK.