Nová zjištění ukazují, že nedostatek ATP (adenosintrifosfátu) narušuje zpracování dopaminu v nervových spojeních, což vede k hromadění škodlivých proteinových forem charakteristických pro Parkinsonovu nemoc. Předběžné výsledky naznačují, že dodání ATP může být prospěšné, avšak cesta k aplikaci těchto poznatků v klinické praxi zůstává dlouhá.
Parkinsonova nemoc a dopamin
Parkinsonova nemoc je charakterizována dvěma hlavními znaky: odumíráním neuronů produkujících dopamin v oblasti středního mozku zvané substantia nigra a akumulací proteinu α-synukleinu do shluků známých jako Lewyho tělíska. Dopamin je neurotransmiter, chemický posel, který neurony využívají ke vzájemné komunikaci. Jeho úbytek je spojován se symptomy Parkinsonovy nemoci, jako jsou třes, ztuhlost a potíže s pohybem.
Uvnitř neuronů je chemicky nestabilní dopamin rychle balen do membránou obalených váčků zvaných synaptické vezikuly, aby se zabránilo jeho oxidaci. Oxidovaná forma dopaminu může poškozovat proteiny a organely. Klíčovou molekulou zodpovědnou za vkládání dopaminu do vezikul je vezikulární monoaminový transportér 2 (VMAT2), který funguje jako pumpa zabudovaná v membráně vezikuly a aktivně vtlačuje dopamin dovnitř. Tato pumpa vyžaduje energii ve formě ATP, univerzální energetické měny buňky, dodávané mitochondriemi.
Role proteinu DJ-1 a metodika studie
DJ-1 je malý protein zapojený do kontroly kvality mitochondrií a buněčné antioxidační obrany. Mutace v genu PARK7, který kóduje DJ-1, způsobují vzácnou, časnou formu familiární Parkinsonovy nemoci. Předchozí studie naznačovaly, že DJ-1 může přímo stimulovat VMAT2, nicméně tato souvislost nebyla nikdy zkoumána v lidských dopaminergních neuronech. V nové studii, publikované v časopise Science Advances, se vědci z Ludwig Maximilian University of Munich zaměřili na vyplnění této mezery ve znalostech. Stejný tým již dříve ukázal, že tento mechanismus je pravděpodobně relevantní i pro sporadickou Parkinsonovu nemoc, která tvoří většinu případů.
Pro výzkum autoři využili neurony odvozené z lidských indukovaných pluripotentních kmenových buněk (iPSCs). Tento model je považován za vhodnější pro studium dané problematiky, neboť myší modely Parkinsonovy nemoci v minulosti selhaly v reprodukci oxidace dopaminu a odumírání neuronů, které jsou charakteristické pro lidské onemocnění.
Hlavní zjištění studie
Po diferenciaci iPSCs ze dvou linií s vyřazeným genem DJ-1 (DJ-1 knockout) a jejich odpovídajících zdravých kontrol do zralých dopaminergních neuronů středního mozku provedli výzkumníci proteomickou analýzu. Zjistili, že VMAT2 patřil mezi nejvíce potlačené proteiny v DJ-1-KO liniích. Analýza genové ontologie potlačených proteinů poukázala na dráhy související se synaptickými vezikulami, transmembránovou transportní aktivitou a chemickým synaptickým přenosem.
Konfokální mikroskopie ukázala sníženou hustotu dopaminergních VMAT2-pozitivních synapsí v DJ-1 KO neuronech. S využitím pokročilé zobrazovací technologie MINFLUX-DNA PAINT, metody ultra-vysokého rozlišení pro zobrazení jednotlivých molekul, vědci pozorovali individuální dopaminergní synapse. Bylo zjištěno snížení celkového počtu VMAT2-pozitivních vezikul na synapse a zároveň i počtu molekul VMAT2 na vezikulu; druhý uvedený faktor přímo určuje, kolik dopaminu může být do každé vezikuly naloženo.
Následně vědci do studie zahrnuli třetí model: neurony odvozené od pacienta s Parkinsonovou nemocí spojenou s DJ-1. Hladiny proteinu VMAT2, hladiny ATP a membránové potenciály mitochondrií byly významně sníženy ve všech třech DJ-1-deficientních liniích. Tato pozorování naznačují, že defekt v ukládání do vezikul není pouze anatomický, ale také funkční: neurony nejenže mají méně VMAT2, ale také méně efektivně sekvestrují svůj náklad, a deficit ATP je přímo relevantní pro tento efekt.
Vezikuly také vykazovaly morfologické abnormality. Výzkumníci to spojili s recyklací vezikul zprostředkovanou klatrinem: klatrin je protein, který pokrývá nově endocytované vezikuly a musí být odstraněn v procesu, který stejně jako nakládání dopaminu spotřebovává ATP. Pokud je hladina ATP nízká, odizolování vezikul se může zadrhnout, což vede k tvorbě malformovaných vezikul. V souladu s tím byly hladiny klatrinu přibližně zdvojnásobeny v DJ-1-deficientních neuronech.
V následujícím experimentu tým potvrdil, že DJ-1-deficientní neurony měly zvýšené množství oxidovaného dopaminu a více celkového α-synukleinu i jeho patologických forem. To uzavřelo jasný řetězec událostí: narušení manipulace s vezikulárním dopaminem vede k oxidaci dopaminu a následnému vzestupu patologického α-synukleinu.
Potenciál ATP suplementace
Tým provedl experiment s pokusem o záchranu, kdy DJ-1-deficientní neurony po dobu 72 hodin jednoduše ošetřoval ATP, přičemž jako kontrolu použil „rozbitý“ ATP analog. Výsledkem bylo zvýšení vezikulárního nakládání a snížení hladin klatrinu, oxidovaného dopaminu a celkového i patologického α-synukleinu.
Profesorka metabolické biochemie na LMU a vedoucí autorka studie Lena Burbulla k tomu uvedla: „Dopamin oxiduje za vzniku toxických látek a způsobuje trvalé poškození neuronů, pokud není řádně zabalen do vezikul – příčina tohoto dysfunkčního balení dopaminu však byla dosud nejasná.“ Dále dodala: „Nedostatek DJ-1 způsobuje energetické problémy, které se vyskytují u mnoha variant Parkinsonovy nemoci. Tento objev propojuje energetický deficit s balením dopaminu a zranitelností neuronů – jde o nový mechanismus Parkinsonovy nemoci.“
Srovnání s myšími modely a klinické implikace
Je zajímavé, že tým provedl také soubor experimentů s dopaminergními neurony odvozenými z iPSCs myší s vyřazeným genem DJ-1. Tyto neurony rovněž vykazovaly snížený protein VMAT2, ale neakumulovaly oxidovaný dopamin. Autoři studie se domnívají, že hlodavci mohou mít kompenzační mechanismy pro manipulaci s dopaminem, které lidem chybí nebo je využívají méně efektivně. Tento poznatek poukazuje na omezení myších modelů Parkinsonovy nemoci a zároveň naznačuje potenciál pro studium těchto rodent-specifických mechanismů a jejich případné využití u lidí.
Ačkoliv tato in vitro studie, demonstrující princip, naznačuje možnou cestu záchrany pro pacienty s Parkinsonovou nemocí, cesta k její klinické aplikaci může být zdlouhavá a složitá. Účinné dodání ATP, zejména do mozku, je v současné době obtížně dosažitelné. Bylo by vhodné zaměřit se na mitochondriální dysfunkci obecně, avšak několik klinických studií mitochondriálních léčebných postupů pro Parkinsonovu nemoc již selhalo.