В новом исследовании, опубликованном в Nature Genetics, исследователи и коллеги из Пенсильванского университета проникли в механизм, с помощью которого действует БАС. Работая с мощной моделью болезни у плодовых мух, они нашли способ снижения токсичности болезни, который замедляет дисфункцию нейронов и показывает, что параллельный механизм может снизить токсичность в клетках млекопитающих. Их открытия открывают возможность новой стратегии лечения БАС.
Старшим автором исследования является Нэнси М. Бонини, профессор кафедры биологии Школы искусств и наук Пенна. Среди авторов ее лаборатории — Хён-Джун Ким, Лиэнн МакГерк и Росс Вебер. В работе они работали с давними сотрудниками из Медицинской школы Перельмана Пенна, Джоном К. Трояновски и Вирджинией М-Й Ли.
Дополнительными соавторами были Аля Р. Рафаэль и Аарон Д. Гитлер из Стэнфордского университета, а также Ева С. ЛаДоу и Стивен Финкбайнер из Института неврологических заболеваний Гладстона.В последние годы наблюдался всплеск научного понимания генетических корней БАС.«За последние пять с лишним лет произошел взрывной рост в выявлении генов, которые способствуют генетически унаследованному БАС», — сказал Бонини.
Один из ключевых генов, который, как выяснилось, играет роль в заболевании, называется TDP-43, который связывается с РНК и, как было обнаружено, аномально агрегируется в цитоплазме пациентов с БАС.Предыдущие исследования, проведенные Гитлером и Бонини, работая с коллегами, включая Трояновски и Ли, показали, что TDP-43 взаимодействует с геном под названием атаксин-2.«Это стало для нас очень интересным, потому что атаксин-2 сам по себе является геном, мутации которого вызывают дегенеративное заболевание человека», — сказал Бонини.
Учитывая сильные взаимодействия между TDP-43 и атаксином-2, а также дополнительные данные о связи атаксина-2 с БАС, команда продолжила исследование этого взаимодействия. Лаборатория Бонини уже давно занимается вопросами о нейродегенеративных заболеваниях, используя плодовую муху в качестве модели на животных, и снова сделала это в этой работе.
«Эти модельные системы очень быстры и проще, чем модели млекопитающих», — сказал Бонини. «Они позволяют нам сосредоточиться на сохраненных путях и могут быть чрезвычайно мощными, давая нам представление о путях, вовлеченных в болезнь».Используя дрожжевые модели и муху, команда показала, что гены, которые модулируют клеточные структуры, известные как стрессовые гранулы, которые действуют как удерживающие клетки для РНК и белков, когда клетки находятся в состоянии стресса, изменяют токсичность TDP-43. Предыдущая работа предполагала, что пациенты с БАС могут имеют аномальные скопления компонентов стрессовых гранул, что указывает на то, что эти структуры могут быть каким-то образом связаны с заболеванием.
У мух команда Бонини обнаружила, что экспрессия генов, которые, по прогнозам, стимулируют стрессовые гранулы, увеличивает токсическую активность TDP-43 при генетическом скрининге, подчеркивая важность этих структур для патологии БАС.Изучая плодовых мушек, сконструированных так, чтобы экспрессировать человеческую версию TDP-43, они обнаружили, что у мух наблюдаются признаки накопления компонентов стрессовых гранул, о чем свидетельствует усиление мечения молекулы, называемой eIF2? с фосфатной группой. eIF2? фосфорилирование связано с образованием стрессовых гранул и снижением генерации или трансляции белков.
У этих мух также были симптомы, отражающие БАС; они не могли взбираться так же легко, как обычные мухи, и имели более короткую продолжительность жизни.Однако исследователи смогли модулировать эти симптомы, изменив экспрессию генов, связанных с eIF2? фосфорилирование и стресс-гранулы.Кроме того, используя трансгенных мух, команда определила область белка атаксина-2, критическую для усиления пагубного воздействия TDP-43. Эта область, как известно, является сайтом связывания белка, называемого поли-A-связывающим белком, или PABP, который также известен как стресс-гранулы.
«Если вы выберете этот домен, взаимодействие между TDP-43 и атаксином-2 резко снизится», — сказал Бонини. «Это, вместе с другими нашими данными, наводит на мысль о том, что болезненное состояние может быть связано с гранулами патологического стресса. Возможно, они остаются в клетке слишком долго или не разрешаются должным образом».Исследователи обнаружили, что, как и у мух, PABP может влиять на болезнь человека. Изучая ткань спинного мозга пациентов с БАС, они обнаружили плотные скопления PABP в цитоплазме, напоминающие стрессовые гранулы.
Наконец, исследователи вернулись к мухе, чтобы посмотреть, смогут ли они обратить вспять токсичность TDP-43.Они кормили мух составом, разработанным GlaxoSmithKline, который ингибирует добавление фосфатных групп к eIF2 ?. Уменьшение eIF2? Предполагается, что фосфорилирование снижает образование стрессовых гранул и состояние репрессии трансляции, связанное со стрессовыми гранулами. При кормлении мух они наблюдали резкое восстановление физической силы у мух, экспрессирующих TDP-43.
Те, кто получал соединение, сохраняли большую способность лазать по сравнению с животными без соединения.Чтобы проверить эффективность соединения GSK в клетках млекопитающих, ученые подвергли воздействию соединения нейронные клетки крысы, экспрессирующие TD-43 в культуре, и обнаружили, что оно снижает риск гибели клеток. Эти данные повышают вероятность того, что длительное стрессовое состояние, связанное со стрессовыми гранулами, и пагубное воздействие на клеточные пути, связанные с таким длительным стрессом, имеют важное значение при заболевании.Бонини предполагает, что результаты показывают многообещающую стратегию лечения БАС и еще раз подчеркивают способность мух, дрожжей и других, казалось бы, простых модельных организмов пролить свет на неврологические заболевания человека.
«Мы можем интегрировать ряд чрезвычайно мощных систем, включая дрожжи, мухи, а затем культуру клеток млекопитающих, чтобы увидеть, сможем ли мы с помощью этого единого фронта предоставить доказательства со всех сторон, что этот подход предполагает терапевтический эффект», — сказала она. сказал. «Все они являются важными частями головоломки».