Met behulp van de genenschaar CRISPR en stamcellen zijn onderzoekers van de Universiteit van Stockholm en het UK Dementia Research Institute (UK DRI) van King’s College London erin geslaagd een gemeenschappelijke noemer te vinden voor verschillende genmutaties die allemaal de neurologische ziekte ALS veroorzaken.
Vroege tekenen in de mitochondriën
Het onderzoek, dat onlangs is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications, toont aan dat ALS-gerelateerde disfunctie optreedt in de energiefabriekjes van zenuwcellen, de mitochondriën, voordat de cellen andere tekenen van ziekte vertonen, wat voorheen niet bekend was.
“We tonen aan dat de zenuwcellen, motorneuronen genaamd, die uiteindelijk zullen afsterven bij ALS, al snel na hun vorming problemen vertonen. We zagen de vroegste tekenen van problemen in de energiefabriekjes van de cel, de mitochondriën*, en ook in de manier waarop ze worden getransporteerd naar de lange uitlopers van de zenuwcellen, waar grote behoefte is aan hen en de energie die ze produceren”, zegt dr. Eva Hedlund van de Universiteit van Stockholm, hoofd van het onderzoek samen met dr. Marc-David Ruepp van het UK Dementia Research Institute aan King’s College London.
Het onderzoeksteam kon vaststellen dat deze problemen gemeenschappelijk waren voor alle door ALS veroorzaakte mutaties, wat belangrijk zal zijn voor toekomstige behandelingen van de ziekte.
“Dit betekent dat er gemeenschappelijke factoren zijn die met medicijnen kunnen worden aangepakt, ongeacht de oorzaak van de ziekte”, zegt dr. Eva Hedlund.
Geherprogrammeerde cellen
De onderzoekers gebruikten de genschaar CRISPR/Cas9 om verschillende ALS-veroorzakende mutaties in menselijke stamcellen, zogenaamde iPS-cellen*, in te brengen. Hieruit werden motorneuronen, de zenuwcellen die bij ALS verloren gaan, en interneuronen, zenuwcellen die relatief resistent zijn tegen de ziekte, geproduceerd. Deze werden vervolgens geanalyseerd met single-cell RNA-sequencing, een methode waarmee alle boodschappermoleculen (mRNA) in elke afzonderlijke cel kunnen worden geïdentificeerd en waarmee kan worden begrepen hoe een bepaalde cel werkt, hoe deze communiceert met zijn buren en of deze problemen begint te krijgen.
“In de gegevens die we hebben verkregen, hebben we een gemeenschappelijk ziektekenmerk geïdentificeerd voor alle ALS-veroorzakende mutaties, dat uniek was voor motorneuronen en dus niet voorkwam in resistente neuronen”, zegt dr. Christoph Schweingruber, eerste auteur van de studie.
Dit gebeurde al in een zeer vroeg stadium en was volledig onafhankelijk van het feit of de ziekteveroorzakende gemuteerde eiwitten (FUS of TDP-43) zich op de verkeerde plaats in de cel bevonden of niet.
“Tot nu toe werd aangenomen dat de verandering in de plaats waar de eiwitten zich in de cellen bevinden, mislokalisatie* genaamd, het eerst optreedt”, zegt dr. Marc-David Ruepp.
Een baanbrekende ontdekking
Bij ALS wordt vaak gezegd dat sommige problemen worden veroorzaakt door een functieverlies in een gemuteerd eiwit, terwijl andere problemen ontstaan door het tegenovergestelde, namelijk het ontstaan van een nieuwe toxische functie die door de mutatie is verkregen, ook wel “functiewinst” genoemd. Volgens Eva Hedlund was het echter niet altijd eenvoudig om te achterhalen hoe dit precies werkt en is er nog veel onbekend.
“Door verschillende CRISPR-mutaties aan te brengen in het ALS-veroorzakende FUS-gen*, hebben we nu voor het eerst kunnen aantonen dat de meeste fouten worden veroorzaakt door een nieuwe toxische eigenschap van het eiwit, en niet door een functieverlies”, zegt dr. Christoph Schweingruber.
Invloed op de energiefabrieken van de cellen
Een derde ontdekking was dat het transport van mitochondriën naar de axonen*, de uitlopers van de zenuwcellen waar de meeste mitochondriën in zenuwcellen nodig zijn, radicaal werd beïnvloed in de ALS-lijnen. Dit gebeurde ongeacht of de ziekteveroorzakende eiwitten zich op de verkeerde plaats in de cel bevonden of niet.
“Een feit dat een probleem vormt, omdat er een grote behoefte is aan deze energiefabrieken in de uitlopers van de zenuwcellen. Zonder deze energiecentrales hebben de zenuwcellen niet genoeg energie om goed te communiceren met andere cellen”, zegt dr. Eva Hedlund.
De nieuwe ontdekkingen openen de weg voor vroege behandelmethoden, iets waar het onderzoeksteam continu aan werkt.
“We proberen te begrijpen hoe deze vroege fouten ontstaan in de gevoelige motorneuronen bij ALS, en hoe dit het energieniveau in de cellen en hun communicatie en noodzakelijke contacten met spiervezels beïnvloedt. Wij geloven dat dit belangrijke sleutels zijn om te begrijpen waarom de synapsen tussen motorneuronen en spieren bij ALS worden verbroken en om nieuwe doelwitten voor therapieën te identificeren”, zegt dr. Eva Hedlund.
Woordenlijst voor ALS-onderzoek
* iPSC’s zijn geherprogrammeerde cellen die zijn geïsoleerd uit volwassen menselijk weefsel om in ontwikkeling te worden teruggebracht tot cellen die lijken op embryonale stamcellen.
*Mitochondriën zijn kleine structuren die in al onze cellen voorkomen. Ze worden vaak de energiecentrales van de cel genoemd; daarin worden suiker en vet verbrand tot water en kooldioxide. De energie die daarbij vrijkomt, wordt opgeslagen in een molecuul, ATP, dat wordt gebruikt in verschillende cellulaire processen.
*Axonen zijn de uitlopers die zenuwcellen uitsturen om contact te maken met andere cellen. In het geval van motorneuronen zijn het spiervezels waarmee contact moet worden gemaakt, die soms meer dan een meter verderop liggen.
*Mislokalisatie betekent dat iets op de verkeerde plaats terechtkomt. Bij ALS en andere neurodegeneratieve ziekten worden misgevouwen eiwitten aangetroffen op plaatsen waar het eiwit normaal gesproken niet zou moeten zijn.
*FUS-gen, Fused in Sarcoma; mutaties in dit gen leiden tot ALS*TARDBP-gen, TAR DNA-bindend eiwit (TDP-43); mutaties in dit gen leiden tot ALS
Vertaling: Ann Bracke
Bron: Universiteit van Stockholm