Wormen geven een manier aan om ALS te begrijpen

Een recent model verwijst naar een verbondenheid met veroudering.

Sinds 2007 hebben neurowetenschappers ontdekt dat er duidelijk iets mis was met het gemeenschappelijk eiwit TDP-43 bij de meerderheid van de ALS patiënten, dat eiwit en het gen dat voor de codering hiervan zorgt, hebben in extreme mate het onderzoek in de schijnwerpers geplaatst. We denken hierbij dat dit een belangrijk gemeenschappelijk mechanisme is voor de meeste vormen van ALS, namelijk de sporadische en familiale vorm. Hier bevindt zich een onaangeboorde schat van nieuwe doelen voor mogelijke therapieën.

Het was ook niet verwonderlijk dat de eerste reactie van de wetenschappelijke gemeenschap erin bestond om zo snel mogelijk nieuwe ALS diermodellen te creëren, speciaal die soort die gebruik maakt van een ingekort TDP-43 gen en die voorkwam bij patiënten. Dit was zeker het geval bij Packard, waar in opdracht nieuwe muis, zebravis en fruitvlieg modellen werden ontworpen en geleverd.

Nu hebben Packard onderzoeker Jiou Wang en zijn collega’s TDP-43 wormmodellen ontworpen. Dit zijn de laatste van drie die men ontdekte in verschillende labo’s gedurende de laatste paar maanden. In het nummer, Human Molecular Genetics van deze maand, rapporteerde de groep van Wang hoe het bezitten van zowel het menselijk TDP-43 genfragment als de gemuteerde menselijke full-length TDP-43 genen de Caenorhabditis elegans (C. elegans voor kort) kunnen beïnvloeden, een kleine nematode worm die een standaard creatie is in de labo’s die zich bezighouden met genetische en moleculaire biologie.

Deze bevindingen bevestigen de toxiciteit en de op ALS-gelijkende effecten in het zenuwstelsel van de wormen die de andere TDP-43 modellen aantonen. Dit is een nuttig stuk informatie die een meerwaarde geeft aan de modellen.

Maar ze hebben ook een ongewone aanwijzing gevonden, een duidelijk bewijs dat voorzichtig aangeeft wat er gebeurt bij het verouderingsproces van zowel wormen als mensen.

Verandering van de worm

C. elegans is een transparant organisme, ongeveer even lang als een spaghettisliert, groot en opmerkelijk gesofisticeerd: het is meercellig, heeft chromosomen, organen en 302 neuronen, waarvan de synapsen allen zijn uitgezet. Het is dus een klein genoom, waarvan ongeveer 35 procent van de wormgenen overbrengers zijn van hun menselijke tegenhangers. Verschillende eigenschappen van het model zijn vooral nuttig voor onderzoekers: C. elegans heeft minder dan drie dagen nodig om te volgroeien. Het leeft ongeveer drie weken, lang genoeg om veranderingen vast te stellen. Zijn genen zijn gemakkelijk te manipuleren. Je kan één van hen uitschakelen, bijvoorbeeld door het wassen van de worm in dubbel-gestrand RNA dat complementair is aan dat gen.

Het is ook handig dat de bewegingen van de worm een snelle manier aangeven om de gezondheid van de motorneuronen vast te stellen. Je kan ze observeren en zien kronkelen op een bord, je kan ze ook in vloeistof leggen waar ze verder hun gang gaan. Wang zegt, “Ze zijn eenvoudig, efficiënt, en maken een goed aanvulling op muis- en andere modellen.  

Wat ze vonden - de basis

Vroeger maakten Wang en zijn collega’s reeds een C. elegans model voor ALS met het menselijk mutant SOD1 gen - één van een aantal dierlijke modellen die de SOD1 familiale vorm van de ziekte nabootst - en ze dachten dat een vergelijking met nieuwere TDP-43 wormen wel leerzaam zou kunnen zijn. Zo was het ook: “Onder dezelfde omstandigheden leek TDP-43 veel meer toxisch te zijn dan SOD1”, zei Wang.

Zowel het TDP-43 genfragment als het full-length gemuteerde TDP-43 gen brachten achteruitgang in het zenuwstelsel. Het was eenvoudig om het vertraagd kruipen en de abnormale bewegingen van de wormen vast te stellen. Deze resultaten van abnormale bewegingen en spierkracht weerspiegelen zich naar hogere diermodellen.

Omdat neuronen vrij gemakkelijk waarneembaar en afleidbaar zijn in de transparante wormen, hebben onderzoekers van de studie duidelijke aanwijzingen van vroege schade of verlies gevonden, wat toch een beetje een verrassing bleek. Testen die uitgevoerd werden suggereerden waar de problemen uit voortkwamen, namelijk door slechtwerkende synapsen tussen zenuw en spier.

Op een fijner niveau bevestigde het team dat TDP-43 eiwitten van wormen verkeerd gevouwen waren en samenklonterden, ongeacht of het gen dat hen leidde kort, lang of gemuteerd was. Het lijkt erop dat bij dit eiwit zelf een en ander kan misgaan, meer dan het geval is bij het SOD1 eiwit. Nu zijn onstabiele of kwetsbare eiwitten niet onbekend bij cellen. Toch functioneren ze gewoonlijk goed, mede dankzij het maatsysteem van moleculaire stabilisatoren - Chaperones worden die meestal genoemd - die een soort van kwaliteitscontrole aanbieden.

Doch verdere werkzaamheden in het labo van Wang geven aan dat die kwaliteitscontrole van bedenkelijke aard is.

Een aanwijzing bij veroudering

C. elegans is een instrument geweest voor verregaande biologische studie, van basis celprocessen zoals meiosis en geprogrammeerde celdood tot paargedrag en nicotineverslaving. “Maar de worm is ook een befaamd organisme om veroudering te bestuderen”, zei Wang. Deels omdat ALS ontstaat op latere leeftijd, onderzocht hij twee moleculaire paden die veroudering beïnvloeden. Men stelde vast dat beiden nuttig waren.

De ene betreft de verhitte shockreactie, een stabiliseersysteem - inclusief chaperones - die de celchemie beschermt tegen stresssituaties zoals extreme hitte of blootstelling aan toxines en ontstekingen. Het systeem wordt snel geactiveerd bij tekenen van stress. Het lijkt ook minder krachtig met de leeftijd.De wormen die TDP-43 bevatten deden het niet zo goed bij temperaturen die vijf graden hoger waren, vergeleken bij controles in dezelfde leeftijd. Ze produceerden meer verkeerd gevouwen TDP-43 eiwitten. Hun toch al gereduceerde beweging verslechterde nog. Toen gingen de onderzoekers nog een stap verder, door het experimenteel uitschakelen van de verhitte shockreactie stopten de wormen effectief met bewegen. Het lijkt dat deze wormmodellen bijzonder kwetsbaar zijn.

Een tweede pad dat invloed heeft op veroudering, zowel bij mensen als bij wormen, houdt zich bezig met de celreceptor die zowel reageert op insuline als op een specifieke groeifactor. Onderzoekers kunnen het leven van een gezonde worm verdubbelen door deze receptor te blokkeren of te elimineren. Door dit te doen zullen ze aanzienlijk het leven verlengen van wormmodellen met neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer of de ziekte van Huntington.

De Packard onderzoekers ontdekten de goede effecten ook reeds bij wormmodellen met ALS. Het uitschakelen van de receptor beschermd de wormen tegen zowel neurotoxiciteit als tegen klontering van eiwitten. Belangrijker is het dat hun vermogen om te bewegen aanzienlijk verbeterd is, ondanks het bezit van defecte TDP-43 genen.

Wang zei: “Het lijkt wel dat vertraagde veroudering bescherming biedt aan het TDP-43 model”.

“Eén van de grote vragen die men kan stellen bij ALS is: Waarom is het geassocieerd met leeftijd? Hierop is geen antwoord en dat heeft belangrijke gevolgen”, voegt hij eraan toe. “We hopen dat ons werk een link aantoont die in verband staat met veroudering, één die we verder kunnen onderzoeken met vooruitgang, zodat we een strategie kunnen ontwikkelen die gebaseerd is op het beheersen van het verouderingspad als een weg om de duidelijke toxiciteit van TDP-43 te verminderen”.

“Een duidelijke uitzondering is er bij ALS patiënten waarbij een abnormale TDP-43 voorkomt bij  personen met het gemuteerde SOD1 gen, de meest voorkomende familiale vorm van de ziekte“. Hele gezonde menselijke TDP-43 genen zijn ook giftig als ze geïntroduceerd worden bij wormen.

- Marjorie Centofanti

De boodschap voor thuis

C. elegans is een bruikbaar model voor ALS op basis van het TDP-43 gen dat defect is bij de meerderheid van de ALS patiënten. Dit nieuwe werk toont aan dat een “slecht” menselijk gen kan leiden tot een abnormaal gevouwen eiwit en tegelijkertijd tot een abnormaal functioneren van het zenuwstelsel in de worm waarbij de mogelijkheid om te bewegen sterk verminderd wordt.

Dit suggereert ook dat de activiteit van de moleculaire paden die actief zijn bij de veroudering van wormen of mensen een rol zou kunnen spelen in het proces. Verder verfijnen van die paden zou een rol kunnen spelen bij therapieën.

Vertaling: Jan Van der Veken 

Bron: Packard Center