Výzkum odhaluje mechanismy odolnosti neuronů vůči tau proteinu
Hromadění tau proteinových fibril v neuronech představuje charakteristický rys Alzheimerovy choroby a některých dalších onemocnění. Dlouhodobě je známo, že i v mozcích osob postižených Alzheimerovou chorobou vykazují některé neurony výrazně lepší zdravotní stav než jiné. Toto pozorování naznačuje, že mezi neurony existují rozdíly ve způsobu, jakým zpracovávají tau, a tyto rozdíly mohou vysvětlovat selektivní zranitelnost v rámci takzvaných tauopatií. Nedávný výzkum přináší nová zjištění, která osvětlují tyto mechanismy.
V nedávné studii, publikované v časopise Cell, vědci z University of California San Francisco (UCSF) vyvinuli screeningovou platformu CRISPR interference (CRISPRi) využívající lidské neurony. Jejím cílem bylo celogenomově prozkoumat, které geny ovlivňují akumulaci tau oligomerů. Tau oligomery, tvořené řetězci několika molekul tau, jsou považovány za klíčový krok při tvorbě tau fibril. Tým porovnal isogenní neurony odvozené z iPSC (indukovaných pluripotentních kmenových buněk), a to jak s familiární mutací V337M v genu MAPT, tak bez ní. Pomocí protilátky T22, selektivní pro oligomery, bylo zjištěno zvýšené množství tau oligomerů v mutovaných neuronech. Signál se snížil po potlačení genu MAPT, což potvrdilo závislost testu na expresi tau a schopnost detekovat geneticky podmíněné změny. Výzkumníci následně využili celogenomový CRISPR „turn-down“ screening v lidských neuronech k identifikaci genů, které regulují tau oligomery. Tato metoda umožňuje testovat tisíce genů současně. Neurony byly obarveny protilátkou T22, která rozpoznává tau oligomery, a poté roztříděny průtokovou cytometrií na buňky s nízkým a vysokým obsahem oligomerů. Sekvenováním CRISPR guide RNA přítomných v každé skupině bylo možné identifikovat geny, jejichž exprese byla snížena.
Role proteinu CUL5 v degradaci tau
Tento postup vedl k seřazenému seznamu kandidátních genů. Jeden gen, CUL5, který je součástí ubiquitin-proteazomového aparátu označujícího proteiny k degradaci, se ukázal jako jeden z nejvýznamnějších napříč různými následnými screeningy, a stal se tak hlavním předmětem hlubší mechanistické analýzy. Jelikož CUL5 je klíčovou složkou E3 ubiquitin ligázy, která je součástí buněčného mechanismu označujícího specifické proteiny pro proteazomální destrukci, autoři studie předpokládali, že změny v CUL5 ovlivní účinnost neuronů při odstraňování tau. Pro ověření této hypotézy použili individuální CRISPRi guide RNA k potlačení CUL5 a jeho klíčového partnera RNF7 a poté přímo měřili hladiny tau. Tým zjistil, že hladiny tau stouply, když byl tento ligázový aparát narušen. Následně bylo prokázáno, že tento efekt byl post-translační, což znamená, že po potlačení CUL5 se tau stával stabilnějším, nikoli pouze více exprimovaným. Blokování proteazomu eliminovalo rozdíl související s CUL5, což potvrdilo vazbu dráhy na proteazomální clearance. Nakonec byla identifikována specifická oblast tau (kolem reziduí 80-130), kterou ligázový komplex využívá k jeho zacílení pro likvidaci. V několika souborech dat lidských jednotlivých buněk byla vyšší exprese CUL5 a klíčových členů komplexu spojena s neuronální odolností u Alzheimerovy choroby a dalších tauopatií. Toto zjištění naznačuje, že silnější kapacita ubiquitin-proteazomového systému založeného na CUL5 může pomoci některým neuronálním populacím lépe odolávat tau stresu. Martin Kampmann, Ph.D., profesor biochemie a biofyziky na UCSF, uvedl, že CUL5 je specificky uzpůsoben k odstraňování tau. Tato zjištění mohou naznačovat cestu pro budoucí terapie, které by posilovaly přirozený mechanismus těla pro prevenci neurodegenerace. Dále dodal, že se jedná o první případ, kdy bylo možné prověřit lidské neurony na geny, které určují jejich odolnost vůči tau, a vědci doufají, že CUL5 může být prvním z mnoha nových cílů pro objev léků proti demencím.
Vliv mitochondriální funkce a oxidačního stresu
Oddělený signál ze stejných CRISPRi screeningů upozornil také na roli mitochondrií. Kromě dráhy CUL5 pro „clearance tau“ nejsilnější hity na úrovni dráhy poukazovaly na geny mitochondriální oxidativní fosforylace/ETC (elektronového transportního řetězce) jako na významné modifikátory zátěže tau oligomerů. Autoři studie se dále zaměřili na to, jak mitochondriální dysfunkce ovlivňuje tau. Použitím léků, které inhibují ETC (zejména rotenon a antimycin A), způsobili zvýšení hladin tau. Navíc neurony začaly produkovat formu tau, která se podobá té, kterou detekují testy biomarkerů Alzheimerovy choroby. Tento efekt byl přičítán oxidačnímu stresu (ROS) spíše než obecnému selhání energie: ROS se zvýšil souběžně s tvorbou fragmentů, přidání peroxidu vodíku k produkci ROS mohlo efekt reprodukovat a antioxidanty jej tlumily. Zatímco role mitochondriální dysfunkce u demencí je známa, tato studie poskytuje podrobnější informace, které mohou být relevantní pro budoucí terapie.
Identifikace specifických mechanismů, jako je role proteinu CUL5 v degradaci tau a vliv mitochondriální funkce a oxidačního stresu, rozšiřuje naše porozumění faktorům ovlivňujícím odolnost neuronů vůči tauopatiím. Tato zjištění poskytují základ pro další výzkum a potenciální rozvoj terapeutických strategií zaměřených na prevenci neurodegenerativních onemocnění.