Onderzoekers aan het CNIO ontdekken oorzaak van neuronale dood bij groot deel van familiale ALS-patiënten

Centro Nacional De Investigaciones Oncológicas (CNIO, Spaans nationaal centrum voor kankeronderzoek)

Onderschrift
Muismotorneuronen, gegenereerd uit embryonale stamcellen van muizen, blootgesteld (rechts) of niet blootgesteld (links) aan ALS-geassocieerde peptiden (rechts). Net als bij ALS-patiënten zijn deze peptiden toxisch en veroorzaken ze neuronale dood.

Bij amyotrofische laterale sclerose (ALS) sterven de neuronen die de bewegingen van het lichaam aansturen progressief af. Dit leidt tot verlamming van de spieren in de ledematen en geleidelijk van het hele lichaam, waardoor het uiteindelijk onmogelijk wordt om te ademen. Er bestaat momenteel geen behandeling voor ALS en de oorzaak is onbekend.

Wel is bekend dat bij 10 % van de getroffen personen sprake is van een sterke genetische component, waardoor de ziekte bij meerdere leden van één familie voorkomt. Bij ongeveer de helft van deze gevallen van familiale ALS ligt de oorzaak in een gen dat C9ORF72 wordt genoemd. De vraag is waarom mutaties in dit gen de motorneuronen doden.

Wellicht heeft de Genomic Instability Group onder leiding van Óscar Fernández-Capetillo van het Spaanse nationale centrum voor kankeronderzoek (CNIO) het antwoord gevonden: zij hebben een mechanisme ontdekt dat de toxiciteit van mutaties in C9ORF72 verklaart. Het nieuwe mechanisme koppelt deze mutaties aan een algemeen probleem dat alle nucleïnezuren, DNA en RNA, blokkeert en zo een groot aantal processen verstoort die essentieel zijn voor de werking van cellen.

Het artikel is deze week gepubliceerd in The EMBO Journal, met als eerste auteurs de CNIO-onderzoekers Vanesa Lafarga en Oleksandra Sirozh.

Waarom neuronen afsterven bij ALS-patiënten

ALS-onderzoekers hadden al eerder vastgesteld dat veel basale cellulaire processen die nucleïnezuren nodig hebben, niet functioneren in de neuronen van getroffen patiënten. De CNIO-groep stelt nu een model voor dat al deze processen met elkaar verbindt en zo de wijdverspreide problemen verklaart.

“Ik ben ervan overtuigd dat we een behoorlijk toereikend model hebben dat inzicht geeft in wat er aan de hand is met de motorneuronen van ALS-patiënten, en wat hen aantast,” aldus Fernández-Capetillo. “We zijn enthousiast, want om een ziekte te kunnen genezen moet je eerst begrijpen wat er niet werkt. Pas dan kan je op zoek gaan naar een behandeling.”

Hoewel het recent ontdekte toxische mechanisme verband houdt met mutaties in een specifiek gen, C9ORF72, is de CNIO-groep van mening dat andere mutaties die aan ALS gerelateerd zijn waarschijnlijk op vergelijkbare manier werken, namelijk door het DNA en RNA van motorneuronen te blokkeren.

Te veel arginine
Volgens de CNIO-onderzoekers zijn mutaties in het C9ORF72-gen toxisch, omdat zij de cel ertoe aanzetten kleine eiwitten of peptiden te produceren die zeer rijk zijn aan arginine, een aminozuur dat zich, door zijn positieve lading en chemische aard, sterk bindt aan nucleïnezuren, DNA en RNA.

Uit het CNIO-onderzoek blijkt dat deze argininerijke eiwitten zich met een dermate hoge affiniteit binden aan nucleïnezuren dat zij alle cellulaire eiwitten die een uitgebreide interactie hebben met DNA en RNA, verdringen. Daardoor blokkeren zij iedere cellulaire reactie waarbij DNA of RNA betrokken is. Bijgevolg sterft de cel, omdat zijn nucleïnezuren geblokkeerd worden.

DNA geeft de cel instructies om de eiwitten aan te maken die nodig zijn voor een goede werking. Honderden eiwitten moeten zich aan het DNA en RNA verankeren om hun instructies te kunnen lezen en uiteindelijk nieuwe celcomponenten te kunnen aanmaken. Maar “de aanwezigheid van argininerijke peptiden verhindert alle reacties waarbij nucleïnezuren betrokken zijn,” voegen de auteurs van het nieuwe onderzoek eraan toe.

Aldus Fernández-Capetillo: “Wij hebben kunnen vaststellen dat peptiden die arginine bevatten zich als een soort teer aan nucleïnezuren vasthechten en ze versieren. Op die manier verdringen zij de eiwitten die zich gewoonlijk aan de nucleïnezuren binden, zodat alles wat met DNA of RNA te maken heeft, niet werkt.”

Eureka-moment
“Decennialang hebben neurowetenschappers in hun onderzoek naar ALS allerlei problemen gepubliceerd over reacties met nucleïnezuren: translatie, replicatie, enz. Niets werkt! Wij zijn van mening dat ons model een eenvoudig antwoord geeft op al deze observaties,” vervolgt Fernández-Capetillo.

Het onderzoek van Fernández-Capetillo richt zich over het algemeen op kanker, maar hij streeft ernaar om “zijn ogen open te houden” voor elk probleem waarop zijn kennis kan worden toegepast. In 2014 begon hij te werken rond ALS, in de overtuiging dat een techniek die onlangs in zijn groep was ontwikkeld, hen kon helpen de toxiciteit van mutaties in het C9ORF72-gen te begrijpen. Het was een flits van inzicht, een idee dat ontstond na een koffiepauze bij het CNIO met Nobelprijswinnaar Jack Szostak, die hem op het spoor zette van arginine.

“Szostak bestudeert de chemie van de oorsprong van het leven, en hij vertelde me dat ze in hun experimenten uitgerekend synthetische peptiden met veel arginine gebruikten om reacties met nucleïnezuren te stoppen, vanwege hun hoge affiniteit voor nucleïnezuren,” vertelt Fernández-Capetillo. “Toen dacht ik, wat als dit is wat er aan de hand is, wat als de argininerijke eiwitten bij ALS-patiënten DNA en RNA blokkeren op een veralgemeende manier?”

De proteïne die de spermakern verdicht werkt op dezelfde manier
Deze initiële hypothese werd onderbouwd toen de groep besloot te testen of vergelijkbare problemen ook optraden wanneer cellen zouden worden blootgesteld aan een natuurlijk eiwit dat veel arginine bevat. Dit eiwit bestaat, maar treedt slechts kortstondig op tijdens de ontwikkeling van zaadcellen: protamine.

Aansluitend bij het model dat nu in The EMBO Journal is gepubliceerd, heeft protamine als biologische functie de histonen van het DNA te verdringen. Histonen zijn eiwitten die de DNA-verdichting bevorderen. “Door de histonen te vervangen door protamine, dat kleiner is, kan het DNA van sperma compacter worden,” verklaart Fernández-Capetillo.

Protamine is echter giftig voor alle cellen die geen spermacel zijn. “Wij denken dat bij ALS-patiënten hetzelfde gebeurt als wanneer hun motorneuronen per ongeluk protamine zouden gaan produceren.”

Het artikel in The EMBO Journal stelt inderdaad dat de cellulaire effecten van protamine identiek zijn aan die van de argininerijke peptiden die bij ALS-patiënten worden aangetroffen.

Het overwinnen van toxiciteit
Nu we begrijpen waarom argininerijke peptiden toxisch zijn, moeten we manieren vinden om deze toxiciteit te overwinnen. De groep is reeds begonnen met onderzoek in die zin. Zo wordt er ook gewerkt aan diermodellen waarin het probleem, namelijk de aanmaak van toxische peptiden, wordt gereproduceerd, om een platform te bieden voor het testen van potentiële behandelingen.

Als we erachter komen hoe we de toxiciteit van deze peptiden kunnen verminderen, kan dat ook van pas komen bij de aanpak van ALS die niet met C9ORF72 geassocieerd is. Daarmee bedoelen we de ziekte in haar geheel. De auteurs van het artikel zijn van mening dat het wijdverspreide mechanisme waarbij nucleïnezuren worden geblokkeerd, vermoedelijk geldt voor ALS in het algemeen.

Volgens Vanesa Lafarga “bevinden de meeste mutaties die bij ALS-patiënten worden aangetroffen zich in eiwitten die RNA binden, en deze mutaties verhinderen doorgaans de binding van deze eiwitten aan RNA. Bovendien hebben de cellen van deze patiënten ook zeer algemene problemen met hun nucleïnezuren. Daarom denken wij dat, hoewel mutaties in C9ORF72 slechts bij een fractie van de ALS-patiënten voorkomen, het mechanisme achter de toxiciteit van de neuronen wellicht niet fundamenteel verschilt van wat er bij de rest van de ALS-patiënten gebeurt. We proberen nu aan te tonen of dit het geval is.”

Vertaling: Emilie Poissonnier

Bron: EurekAlert