Wie ein instabiles Protein zu Neurodegeneration führen kann

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Credit: EPFL / Galina Limorenko. Das Zellmodell zeigt, dass die Fibrillen nur da
Credit: EPFL / Galina Limorenko. Das Zellmodell zeigt, dass die Fibrillen nur dann Amyloid aussäen, wenn der Zellkern freigelegt ist.
Wissenschaftler der EPFL haben die Eigenschaften von abnormalen Proteinaggregaten nachgebildet, die im Gehirn von Menschen mit bestimmten neurologischen Erkrankungen wie der Charcot-Krankheit festgestellt wurden. Dieser Durchbruch ermöglicht ein besseres Verständnis des zugrunde liegenden Mechanismus und ebnet den Weg für neue Therapien.

Mehrere neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und die Charcot-Krankheit, auch amyotrophe Lateralsklerose (ALS) oder Lou-Gehrig-Krankheit genannt, werden durch Proteine verursacht, die sich verirren, bevor sie zu Fibrillen aggregieren, die sich in bestimmten Hirnarealen ansammeln. Wissenschaftler der EPFL haben einen neuen Mechanismus entdeckt, der erklärt, wie die Aggregate pathologisch werden und sich in verschiedenen Hirnarealen ausbreiten. Es wird vermutet, dass ein sehr instabiles Protein namens TDP-43 dafür hauptverantwortlich ist. Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass die TDP-43-Aggregate, die sich im Gehirn bilden, nicht implizit pathogen sind, bis sie behandelt werden, um ihren "klebrigen" Kern zu enthüllen. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Neuroscience veröffentlicht.

Die Aggregation des Proteins TDP-43 ist ein Hauptmerkmal von ALS und anderen neurodegenerativen Erkrankungen. Einmal gebildet, können sich die TDP-43-Aggregate in verschiedene Hirnareale ausbreiten, wo sie das normale und funktionelle TDP-43 beeinträchtigen. Aber was löst die Aggregation von TDP-43 aus? Welche Mechanismen sind für die Freisetzung seiner pathogenen Effekte verantwortlich? Dieser Mangel an Wissen verhindert die Entwicklung wirksamer Medikamente, die die Aggregation von TDP-43 blockieren oder seine toxischen Eigenschaften neutralisieren.

Pathogene Effekte von TDP-43 durch Spaltung f reisetzen In dieser jüngsten Studie der EPFL, die in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Pennsylvania durchgeführt wurde, entdeckten Senthil T.Kumar und Hilal Lashuel einen neuen Mechanismus, der für die Freisetzung der pathogenen Effekte von TDP-43-Aggregaten verantwortlich ist, die im Reagenzglas hergestellt oder aus dem Gehirn von postmortalen Patientinnen und Patienten isoliert wurden. Die Oberflächen dieser TDP-43-Aggregate müssen zunächst durch Enzyme gespalten werden, um verborgene klebrige Oberflächen freizulegen, die normale TDP-43-Proteine anziehen und die Bildung neuer Aggregate bewirken.

"Diese Entdeckung wurde durch unsere Fähigkeit erleichtert, eine neue Methode zur Herstellung von Fibrillen im Labor zu entwickeln, die morphologische und strukturelle Merkmale mit denen teilen, die im Gehirn von ALS-Patientinnen und -Patienten gefunden wurden", sagte Senthil T. Kumar, Hauptautor des Artikels.

Mithilfe der Kryo-Elektronenmikroskopie, bei der die Proben vor der Betrachtung unter dem Elektronenmikroskop kryogenisiert werden, zeigten die Forscherinnen und Forscher, dass die TDP-43-Filamente innerhalb eines größeren Filaments vergraben und unzugänglich sind, d. h. sie sind noch nicht pathologisch, da sie von den globulären Teilen des Proteins bedeckt werden. Solange diese Filamente vergraben sind, sind sie unsichtbar und für andere Moleküle oder Proteine nicht zugänglich. Mit anderen Worten: TDP-43 wird pathologisch, wenn seine Außenhülle gespalten wird, um seine "klebrigen" inneren Filamente freizulegen, bleibt aber unsichtbar, wenn seine Außenhülle intakt ist.


"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Hemmung der Enzyme, die für die Spaltung des TDP-43-Fadens verantwortlich sind, eine praktikable therapeutische Strategie darstellt, um die Bildung von TDP-43-Aggregaten zu verlangsamen und ihre Ausbreitung im Gehirn zu verhindern und so das Fortschreiten der Krankheit zu bremsen. In einem zweiten Schritt planen wir, diese Enzyme zu identifizieren und zu bestimmen, ob die Hemmung ihrer Aktivität die Aggregation von TDP-43 und die Neurodegeneration in Zell- und Tiermodellen der ALS verhindern könnte", erklärt Hilal Lashuel, Professorin an der EPFL und Leiterin des Labors, das die Studie durchführte.

Diese jüngsten Ergebnisse haben auch Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Werkzeuge und Methoden zur Frühdiagnose von ALS und anderen neurodegenerativen Erkrankungen. Die schützende Globulaschicht könnte erklären, warum TDP-43-Fibrillen so schwer zu erkennen sind. Häufig konnten TDP-43-Fibrillen mit den Standardmethoden und gängigen Farbstoffen, die zum Nachweis und zur Überwachung der Fibrillenbildung durch andere verdächtige Proteine im Gehirn verwendet werden, nicht nachgewiesen werden. "Dies erklärt auch, warum es sehr schwierig war, bildgebende Mittel zu entwickeln, die intakte TDP-43-Fibrillen verwenden. Diese bildgebenden Mittel sind unerlässlich, um eine frühe Diagnose zu ermöglichen, das Fortschreiten der Krankheit zu verfolgen und die Wirksamkeit neuer Therapien zu bewerten", fährt Senthil T. Kumar fort.

Bedeutung der Untersuchung des gesamten Prote ins TDP-43 ist ein sehr instabiles Protein, das schnell zu verschiedenen Strukturen aggregiert, was die reproduzierbare Herstellung von TDP-43-Aggregaten, die wie Krankheitsbilder aussehen, erschwert. Viele Wissenschaftler waren daher gezwungen, mit kleinen Fragmenten des Proteins zu arbeiten, insbesondere mit Fragmenten der Region, die für seine Aggregation verantwortlich ist. "Als wir die Struktur des Proteinfragments bestimmten, das den Kern der im Labor hergestellten TDP-43-Fibrillen bildet, erhielten wir eine andere Struktur als bei den TDP-43-Fibrillen, die aus den Gehirnen der Patientinnen und Patienten isoliert wurden, obwohl die Aminosäuresequenz dieser Fragmente praktisch identisch ist", sagt Senthil T. Kumar.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Proteinsequenzen, die diesen aggregationsanfälligen Bereich umgeben, eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der endgültigen Struktur spielen und dass die Reproduktion der Eigenschaften der TDP-43-Aggregate im Gehirn die Arbeit mit dem vollständigen Protein erfordert", sagt Hilal Lashuel. "Das ist entscheidend, damit die Medikamente, Antikörper und bildgebenden Mittel, die wir im Labor entwickeln, eine größere Chance haben, die krankheitsrelevanten TDP-43-Aggregate im Gehirn der Patientinnen und Patienten zu erreichen."

Die Forscherinnen und Forscher zeigten, dass sie TDP-43-Fibrillen mit der gleichen Kernsequenz wie die Fibrillen aus den Gehirnen der Patientinnen und Patienten herstellen konnten. "Wir müssen aber noch feststellen, ob der unmaskierte Fibrillenkern die gleiche Struktur aufweist", sagt Hilal Lashuel. "Wenn uns das gelingt, dann werden wir das einzige System haben, mit dem wir die tatsächliche Pathologie im Reagenzglas erzeugen können. Dies wird wichtige Auswirkungen auf das Verständnis des Einflusses von krankheitsbedingten Mutationen und Proteinveränderungen auf die TDP-43-Aggregation haben und die Entwicklung neuer Medikamente erleichtern, die die TDP-43-Aggregation blockieren, ihre Pathogenität neutralisieren oder sich an TDP-43-Aggregate binden und deren Nachweis im Gehirn erleichtern.