Drie nieuwe Packard-onderzoeken tonen hoe meest gangbare genetische oorzaak van ALS leidt tot ziekte

Uit het werk, dat werd gepubliceerd in Nature en Nature Neuroscience, komt naar voren dat de C9orf72-mutatie  ̶ de meest gangbare genetische oorzaak van ALS en frontotemporale dementie (FTD)  ̶ leidt tot ziekte door de verplaatsing van eiwitten en andere moleculen tussen de kern en het cytoplasma te verstoren.

Drie nieuwe onderzoeken geleid door verschillende Packard-onderzoekers, waaronder Packard-directeur Jeff Rothstein en Tom Lloyd (Johns Hopkins), Fen-Biao Gao (University of Massachusetts Medical School), J. Paul Taylor (St. Jude Children’s Research Hospital) en Aaron Gitler (Stanford University), hebben een eenduidig beeld geschetst van de manier waarop een aan ALS gelinkte mutatie kan leiden tot de ziekte. Uit het werk, dat werd gepubliceerd in Nature en Nature Neuroscience, komt naar voren dat de C9orf72-mutatie  ̶ de meest gangbare genetische oorzaak van ALS en frontotemporale dementie (FTD)  ̶ leidt tot ziekte door de verplaatsing van eiwitten en andere moleculen tussen de kern en het cytoplasma te verstoren.

Nadat de C9orf72-mutatie werd ontdekt door een internationaal onderzoeksteam, waar Packard-wetenschapper Bryan Traynor (neuroloog bij het National Institute on Aging) deel van uitmaakte, werkten wetenschappers over de hele wereld non-stop om uit te dokteren hoe die mutatie nu precies kan leiden tot ziekte. Werk gepubliceerd in de laatste 18 maanden toonde aan dat de mutatie, die bestaat uit een opeenvolging van zes nucleotiden die honderden tot zelfs duizenden keren worden herhaald, verhindert dat de cel een normale kopie van het C9orf72-eiwit maakt. Het grote aantal herhalingen verstoort het transcriptie- en vertaalsysteem, wat resulteert in afwijkende RNA-moleculen en kleine, abnormale eiwitten die we dipeptideherhalingen (dipeptide repeat (DPR) proteins) noemen. Hoewel onderzoekers ervan uitgingen dat afwijkend RNA of DPR-eiwitten neuronen konden vernietigen, wist niemand op dat moment hoe dat precies in zijn werk ging.

Met het gevoel dat dit de sleutel was om te begrijpen hoe de C9orf72-herhalingsuitbreiding leidt tot ALS, gingen verschillende onderzoeksteams van Packard aan de slag. Ze gebruikten allerlei methodes, gaande van gisten, over fruitvliegjes, tot gekweekte menselijke neuronen. Eerder onderzoek verricht door het lab van Rothstein leverde een paar van de eerste echte aanwijzingen op over welke eiwitten werden verstoord door de afwijkende nucleotide-uitbreiding, waaronder een kernporie-eiwit: RanGAP. De resultaten van de samenwerking tussen het lab van Rothstein en Lloyd, onlangs gepubliceerd in Nature, tonen aan dat de afwijkende RNA-moleculen zich binden aan het RanGAP1-eiwit, dat essentiële energie moet leveren om eiwitten te transporteren van de cytosol naar de kern. In een model van C9orf72-ALS bij een fruitvlieg toonden Lloyd and Rothstein aan dat deze bindingen het transport tussen de kern en het cytoplasma beïnvloeden, in het bijzonder bij het importeren van eiwitten in de kern. Het experiment, dat binnen een alomvattende aanpak gebruik maakte van vliegen, een uitgebreide collectie van menselijke iPS-neuronen/gliacellen en menselijk hersenweefsel, toonde aan dat deze fout ook leidt tot de samenvoeging van kernporie-eiwitten. In hersenweefsel van ALS-patiënten werd het bewijs gevonden dat de kernporiefout ook daadwerkelijk plaatsvindt en niet louter een artefact van de modelsystemen blijkt te zijn. Andere experimenten brachten aan het licht dat het verstoren van dit proces leidde tot de degeneratie van neuronen. Toen de onderzoekers de vorming van afwijkend RNA en DPR-eiwitten verhinderden in gekweekte neuronen (afkomstig van menselijke iPS-cellen), werd het transport tussen de kern en het cytoplasma hersteld en de degeneratie van neuronen gereduceerd. Uit hun werk komt sterk naar voren dat de fout wordt veroorzaakt door het afwijkend RNA, getranscribeerd van de sensestreng, maar dipeptiden zouden er ook toe kunnen bijdragen.

Onafhankelijk van elkaar, gebruikten ook Gao en Taylor fruitvliegjes om de gevolgen van de C9orf72-herhalingsuitbreiding vast te leggen in een genetisch handelbaar systeem. Door samen te werken kwamen de twee onderzoekers tot een brede, objectieve filter die 18 genetische wijzigingen in kaart bracht die deel uitmaken van de kernporie (die de toegang tot de kern reguleert), alsook eiwitten die zorgen voor eiwitimport in de kern en export van RNA-moleculen naar het cytoplasma. Het team van Taylor en Gao ontdekte fysieke veranderingen in het kernomhulsel bij vliegen met een groot aantal herhalingen van het C9orf72-gen en toonde aan dat ze niet in staat waren om het RNA correct te exporteren. Zo was de verhouding tussen RNA in de kern en RNA in het cytoplasma hoger dan verwacht in deze cellen. Wanneer deze experimenten werden herhaald met gekweekte menselijke cellen en neuronen (afkomstig van iPS-cellen van personen met de C9orf72-mutatie), bekwamen Taylor en zijn collega’s gelijkaardige resultaten. Hun werk werd gepubliceerd in Nature.

“De combinatie van een simpel fruitvliegmodel en experimenten in menselijke neuronen, afkomstig uit geïnduceerde pluripotente stamcellen van ALS- en FTD-patiënten, was essentieel om het onderliggende ziektemechanisme van C9orf72-mutaties te achterhalen”, aldus Gao.

De derde studie, gepubliceerd in Nature Neuroscience door Gitler en zijn collega’s, maakte daarentegen gebruik van een systeem met kunstmatige gisten om te bestuderen welke eiwitten de toxiciteit van het DPR (geproduceerd door de C9orf72-herhalingsuitbreiding) zouden kunnen wijzigen. Zijn labo stelde vast dat karyoferinen (eiwitten die betrokken zijn bij het eiwittransport naar de kern, via het kernporiecomplex) en andere eiwitten die met RanGAP zorgen voor de energieverplaatsing van lading van en naar de kern, ertoe bijdragen dat de DPR-toxiciteit verandert. In het bijzonder zorgde de overexpressie van karyoferinen voor een verminderde DPR-toxiciteit, wat doet vermoeden dat het verhogen van de productie van deze eiwitten mogelijk een therapeutische functie vervult. Het infecteren van primaire corticale neuronen (zenuwcellen in de hersenschors) van ratten met grote hoeveelheden DPR en een extra kopie van een karyoferinegen, verminderde de toxiciteit met 50 procent in vergelijking met het infecteren met enkel DPR. De resultaten van Gitler doen sterk vermoeden dat de fout (in een gistmodel) voortvloeit uit afwijkende dipeptiden, maar RNA getranscribeerd van de sense- en antisensestreng zou er ook toe kunnen bijdragen.

De resultaten gaan verder dan het beter begrijpen van louter C9orf72-ALS en -FTD. Één van de cruciale kenmerken in bijna alle gevallen van ALS is de mislokalisatie van het kerneiwit TDP-43 naar het cytoplasma. Het bijkomende werk van Rothstein en Lloyd toont dat dit verstoord transport tussen de kern en het cytoplasma de uiteindelijke oorzaak van TDP-43-mislokalisatie zou kunnen zijn.

“Wat er zo boeiend is aan dit werk is dat we tot hetzelfde resultaat kwamen met erg uiteenlopende benaderingen”, vertelt Gitler. “We hebben het pad kunnen bepalen dat ons op weg helpt naar een antwoord op de vraag hoe de C9orf72-mutatie ALS zou kunnen veroorzaken. En we hebben ook nieuwe denkpistes kunnen aanbrengen voor een mogelijke behandeling.”

“Dit is een fantastisch voorbeeld van echte samenwerking, waar Packard steeds naar streeft. Door samen te werken en met een mix van verschillende benaderingen kwamen de labo’s tot dezelfde conclusies. Dit maakt dat de resultaten stevig onderbouwd, uiterst informatief en boeiend zijn; een solide basis voor de volgende stappen in de zoektocht naar therapeutische benaderingen voor C9orf72-ALS”, zegt Piera Pasinelli, wetenschappelijk directeur bij het Packard Center.

Andere Packard-wetenschappers die hebben bijgedragen aan deze studies zijn:
Leonard Petrucelli (Mayo Clinic)
Wim Robberecht (KU Leuven)
Jiou Wang (Johns Hopkins University)
Rita Sattler (Barrow Neurological Institute)
Phil Wong (Johns Hopkins University)

Vertaling: Barbara Bastiaansen

Bron: The Packard Center