Robaki na ratunek: oddzielanie dobrej, złej i grudkowatej huntingtyny

Choroba Huntingtona (HD) to śmiertelne schorzenie mózgu spowodowane defektem w genie huntingtyny (HTT), który produkuje zbyt długie białko. Ten defekt powoduje, że białko HTT tworzy szkodliwe skupiska, czyli „agregaty” wewnątrz komórek, co jest procesem wspólnym dla innych chorób neurodegeneracyjnych, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona. Gdy białka się zlepiają, tworzą różne kształty i struktury, z których niektóre są bardziej szkodliwe niż inne.

Ważne jest, żeby ustalić, który konkretny typ grudki białkowej jest najbardziej szkodliwy dla komórek, ponieważ różne kształty mogą powodować uszkodzenia na różne sposoby, a to może kierunkować rozwój terapii HD. W nowej pracy opublikowanej w czasopiśmie badań chemicznych zespół badaczy przetestował, jak szkodliwe są różne formy grudek białka HTT. Manipulowali także właściwościami tych grudek białkowych, próbując zmniejszyć ich szkodliwe działanie. Co więc odkryli i co to oznacza dla HD?

Białka jako cegły budowlane

Analogią do wyjaśnienia różnych typów grudek białkowych jest myślenie o cegłach używanych w budownictwie. Normalne białka są jak właściwie pocięte i ułożone cegły budowlane. Jak połamane cegły, uszkodzone lub zmutowane białka mogą gromadzić się na różne sposoby z upływem czasu:

Oligomery (pierwsze tworzące skupiska): małe, niezorganizowane kupki kilku zniekształconych lub połamanych cegieł, wystarczająco małe, żeby można je było łatwo przemieszczać.

Agregaty amorficzne (nieuporządkowane grudki): bałaganiasta kupa różnych uszkodzonych cegieł zrzuconych w rogu, która nie ma określonej struktury i trudno ją przemieścić.

Fibryle amyloidowe (uporządkowane włókna): stos cegieł, który został złożony w części ściany bez funkcji, ale nie można go łatwo przemieścić ani rozebrać.

Nasze komórki mają systemy kontrolne, które działają jak ekipa sprzątająca na budowie i próbują sortować, przestawiać lub usuwać uszkodzone cegły, zanim nagromadzą się w problematyczne kupki. Jednak w chorobach takich jak HD ten system kontrolny może zostać przytłoczony. Z czasem jest po prostu za dużo rozszerzonej HTT, żeby nadążyć. Innymi słowy, jest za dużo uszkodzonych cegieł.

Separacja przez wirowanie

Badacze chcieli odpowiedzieć na kluczowe pytanie: który typ grudki HTT powoduje największe szkody? Żeby się tego dowiedzieć, najpierw potrzebowali sposobu na oddzielenie różnych typów grudek od siebie.

Użyli laboratoryjnej wirówki, która działa jak cykl wirowania w pralce — oddziela materiały według wagi. Tak jak pralka odrzuca wodę od ubrań, wirowanie z różnymi prędkościami oddzieliło grudki HTT według rozmiaru. Delikatne wirowanie oddzieliło duże grudki, podczas gdy szybsze wirowanie oddzieliło mniejsze grudki od większych.

Po oddzieleniu różnych typów skupisk HTT, naukowcy nakarmili nimi maleńkie laboratoryjne robaki zwane C. elegans (wymawiane jako „si EL-e-gans”), aby sprawdzić, które skupiska są najbardziej szkodliwe. Może się wydawać dziwne używanie robaków do badań nad HD! Ale te robaki są prawdziwymi końmi roboczymi naukowych odkryć. Od dziesięcioleci laboratoria na całym świecie wykorzystują je do dokonywania przełomowych odkryć dotyczących starzenia się, długowieczności i rozwoju komórek w ciągu życia.

C. elegans są długie mniej więcej jak myślnik (-), prawie przezroczyste i prawie niemożliwe do zobaczenia bez mikroskopu. W laboratoriach żyją w specjalnym płynie lub żelu zwanym „medium”, umieszczonym w kontrolowanym środowisku, które zapewnia im wszystko, czego potrzebują do przeżycia.

Robaki zjadły różne formy grudek HTT, a badacze mierzyli przeżywalność i ruch robaków przez następne 2 dni. Wyniki sugerują, że małe grudki (oligomery) są najbardziej szkodliwe, zmniejszając przeżywalność i ruch robaków, podczas gdy większe fibryle nie powodowały żadnych szkód. Wracając do naszej analogii z cegłami, wydaje się, że to te małe, ruchome kupki połamanych cegieł powodują najwięcej problemów, a nie duże sztywne stosy!

Struktura wpływa na toksyczność

Teraz, gdy wiedzieli, że małe grudki były toksyczne, badacze chcieli zrozumieć dlaczego. Przetestowali, czy zmiana struktury tych grudek może uczynić je mniej szkodliwymi.

Najpierw chemicznie „zszyli” skupiska razem, żeby nie mogły się tak łatwo poruszać. Robaki przeżyły dłużej. Sugeruje to, że elastyczność tych małych skupisk, ich zdolność do zmiany kształtu, jest przynajmniej częściowo tym, co czyni je niebezpiecznymi.

Przetestowali także dwa eksperymentalne związki (EGCG i riluzol), które są znane z wpływu na to, jak białka się grudkują. W zależności od tego, kiedy dodano związki, zmieniały przeżywalność robaków na różne sposoby. To mówi nam, że czas ingerowania w tworzenie grudek ma znaczenie i że różne interwencje tworzą grudki o różnych poziomach toksyczności. Ważne jest, żeby zauważyć, że te związki to narzędzia badawcze, a nie potencjalne leczenie, ale pomagają naukowcom zrozumieć, co dzieje się z białkiem HTT.

Zastosowanie odkryć w przyszłych badaniach

Te badania wnoszą dwa ważne wkłady. Po pierwsze, dają naukowcom prostą, powtarzalną metodę oddzielania i testowania różnych typów grudek HTT, coś, czego inne laboratoria mogą teraz używać w swojej pracy. Po drugie, ujawniają, że struktura i elastyczność grudek białkowych określa, jak toksyczne są. To potencjalnie potężny wgląd! Jeśli możemy ustabilizować lub usztywniać te grudki, możemy być w stanie zmniejszyć szkody, które powodują.

Pomysł, że „unieruchomienie” toksycznych białek mogłoby chronić komórki, to intrygujące nowe podejście do terapii HD, a potencjalnie także innych chorób związanych ze zlepianiem się białek, takich jak choroba Alzheimera i Parkinsona. Oczywiście, te eksperymenty przeprowadzono na prostych robakach, więc przed nami długa droga, zanim dowiemy się, czy to podejście mogłoby zadziałać u ludzi.

Następne kroki obejmują śledzenie tego, co dzieje się z tymi toksycznymi grudkami po tym, jak robaki je połkną. Czy nadal się grudkują wewnątrz komórek? Które narządy są dotknięte? Badacze muszą także lepiej zrozumieć dokładnie, które formy małych grudek są najbardziej niebezpieczne, i przetestować, czy to podejście działa u bardziej złożonych zwierząt, takich jak myszy. Jeśli te badania będą udane, może to ostatecznie pomóc w opracowaniu leków zaprojektowanych do zmniejszenia toksyczności grudek HTT.

Podsumowanie

• Choroba Huntingtona (HD) jest spowodowana defektem w genie HTT, który sprawia, że białko grudkuje się w komórkach mózgowych. Podobne grudkowanie występuje w innych chorobach mózgu, takich jak choroba Alzheimera. Te grudki tworzą się na różne sposoby — niektóre są małe i elastyczne (oligomery), podczas gdy inne są duże i sztywne (fibryle).
• Badacze opracowali prostą metodę używającą wirowania do oddzielania różnych typów grudek HTT, żeby mogli testować każdy typ indywidualnie.
• Nakarmili oddzielonymi grudkami maleńkie laboratoryjne robaki i mierzyli, jak robaki sobie radziły. Małe, elastyczne grudki były bardzo toksyczne dla robaków, podczas gdy duże, sztywne grudki nie powodowały szkód.
• Kiedy naukowcy chemicznie „zszyli” małe skupiska razem, aby uczynić je mniej elastycznymi, robaki przeżyły dłużej. Sugeruje to, że elastyczność jest kluczowa dla tego, dlaczego te skupiska są niebezpieczne.
• Ta praca daje naukowcom nowe narzędzie do badania grudek HTT i sugeruje potencjalną nową strategię leczenia. Jeśli możemy zablokować toksyczne grudki białkowe w mniej elastycznych formach, możemy zmniejszyć szkody, które powodują w HD i innych chorobach związanych z grudkowaniem białek.