Otak yang menua pada penderita Alzheimer, Parkinson, dan penyakit neurodegeneratif lainnya diliputi oleh kumpulan protein di dalam atau di sekitar neuron mereka. Bagaimana gumpalan protein ini dapat merusak neuron seringkali masih belum jelas, tetapi mereka adalah ciri khas dari kondisi tersebut - dan sampai sekarang, mereka telah dikaitkan hampir secara eksklusif dengan otak orang tua.
Tapi a Studi terbaru oleh tim peneliti Universitas Stanford menunjukkan bahwa agregasi protein mungkin merupakan fenomena universal dalam sel-sel yang menua dan dapat terlibat dalam lebih banyak penyakit penuaan daripada yang diduga. Penemuan mereka menunjukkan cara berpikir baru tentang apa yang salah dalam sel seiring bertambahnya usia dan, berpotensi, cara baru untuk mencegah beberapa konsekuensi dari proses penuaan.
“Ini tersebar luas — bukan hanya satu jaringan tertentu, tetapi banyak jaringan yang berbeda,” kata Della David, seorang peneliti penuaan di Babraham Institute di Cambridge, Inggris, yang bukan bagian dari penelitian.
Penelitian ini juga menyoroti bahwa agregasi protein terikat erat dengan mekanisme penting yang memungkinkan sel untuk mengatur fisiologi mereka dengan sangat lezat. Ahli biologi perlu menilai dengan hati-hati, mungkin berdasarkan kasus per kasus, apakah agregat protein mewakili ancaman terhadap sel atau pertahanan yang mereka ciptakan.
Karya baru, yang diposting ke server pracetak biorxiv.org pada bulan Maret, adalah upaya pertama untuk mengukur berapa banyak agregasi protein yang terjadi di seluruh tubuh selama penuaan alami hewan vertebrata — dalam hal ini, ikan yang berumur sangat pendek. . Studi menunjukkan bahwa agregasi protein mungkin berkontribusi pada kerusakan bertahap banyak jaringan dari waktu ke waktu. Temuan ini bahkan memberikan petunjuk tentang mengapa agregat ini jauh lebih jelas di otak daripada di jaringan lain: Mungkin karena otak telah berevolusi begitu cepat.
Dan Jaroszo, ahli biologi sistem Stanford yang mengawasi eksperimen dengan rekan ahli genetikanya Anne Brunet, tidak disiapkan untuk berapa banyak protein yang dikumpulkan dalam ikan yang menua — atau untuk seberapa sering protein yang sama, dalam bentuk yang bermutasi, dikaitkan dengan penyakit degeneratif. “Hal itu membuat saya bertanya-tanya apakah lebih banyak penyakit usia yang saat ini tidak kita hubungkan dengan agregasi protein mungkin, pada kenyataannya, melibatkannya,” katanya.
Petunjuk dari Ikan
Ikan pembunuh pirus Afrika hidup di kolam sementara di Afrika Timur yang terbentuk selama musim hujan. Saat ikan mendekati akhir dari 4 hingga 6 bulan hidupnya, ia mengembangkan berbagai penyakit terkait usia, termasuk katarak dan perubahan terkait otak yang menyerupai gangguan neurodegeneratif seperti Alzheimer pada manusia. Rentang hidupnya yang singkat — jauh lebih pendek daripada tikus lab, misalnya — dan penuaan alami yang cepat menjadikannya model yang ideal untuk mempelajari penuaan pada vertebrata.
“Yang mengejutkan dari ikan ini adalah bukan hanya agregasi protein atau gagal jantung atau disfungsi otak yang terjadi seiring bertambahnya usia,” kata Dario Valenzano, seorang ahli biologi evolusioner di Institut Max Planck untuk Biologi Penuaan dan Institut Leibniz untuk Penuaan, keduanya di Jerman, yang melakukan pelatihan pascadoktoralnya dengan Brunet. "Hampir semua organ dan jaringan yang kita lihat akan mengalami beberapa transformasi yang cukup dahsyat selama penuaan."
Tim Stanford melakukan analisis ekstensif terhadap protein dalam killifish pada berbagai tahap muda dan dewasa. Dalam killifish yang menua, mereka menemukan kumpulan protein di semua jaringan yang mereka lihat: tidak hanya otak tetapi juga jantung, usus, hati, otot, kulit, dan testis. Lebih dari setengah protein agregasi tampaknya menunjukkan kecenderungan intrinsik untuk beragregasi dalam eksperimen lebih lanjut.
Tetapi tepatnya protein mana yang dikumpulkan berbeda secara substansial dari satu jaringan ke jaringan lainnya. Banyak protein diekspresikan pada tingkat yang pada dasarnya setara di beberapa jaringan, namun sementara mereka berkumpul di satu jaringan, mereka tidak menggumpal sama sekali di jaringan lain.
“Tingkat spesifisitas jaringan dari proteom agregasi luar biasa,” kata David. Alasan perbedaan itu, menurut dia dan peneliti lain, mencerminkan bagaimana sel mempertahankan kualitas proteinnya. Sel memiliki mesin yang rumit untuk memastikan bahwa molekul peptida panjang seperti rantai yang menyusun protein terlipat dengan benar, dan bahkan untuk memastikan bahwa peptida pada akhirnya dipotong untuk didaur ulang. Tetapi jaringan dapat bervariasi dalam seberapa banyak mereka bergantung pada berbagai aspek dari proses kontrol kualitas protein, dan penekanan itu dapat berubah seiring bertambahnya usia, kata Jarosz.
“Itu sangat penting, karena misteri besar dalam biologi manusia adalah mengapa penyakit neurodegeneratif ini sangat spesifik pada jaringan,” kata Cynthia Kenyon, wakil presiden penelitian penuaan di perusahaan bioteknologi Calico Life Sciences, yang tidak terlibat dalam makalah Stanford. Tidak ada yang benar-benar tahu, misalnya, mengapa plak protein amiloid penyakit Alzheimer terbentuk di hipokampus otak dan agregat pada penyakit Parkinson spesifik untuk neuron dopamin. Kemungkinan bahwa berbagai sel mempertahankan kualitas proteinnya secara berbeda "setidaknya memberikan penjelasan yang mungkin mengapa jaringan yang berbeda harus berperilaku sangat berbeda," katanya.
Pentingnya Kontrol Kualitas
Ada bukti bagus dari penelitian tentang cacing dan lalat bahwa jika mesin yang menjaga stabilitas protein terganggu, hewan akan menua lebih cepat. Jika jalur kontrol kualitas protein ditingkatkan secara genetik, hewan cenderung hidup lebih lama. Semua ini tidak berarti bahwa agregasi protein menyebabkan penuaan, tetapi ini sangat menyiratkan bahwa keduanya berkorelasi erat.
Untuk menyelidiki lebih lanjut hubungan antara agregasi protein dan penuaan, para peneliti Stanford melihat lebih dekat pada protein dalam berbagai mutan killifish yang menua dengan sangat cepat. Ikan ini memiliki mutasi pada gen mereka untuk enzim telomerase, yang mempertahankan panjang kromosom yang membelah; hewan dengan mutasi telomerase biasanya menua dengan cepat.
Jarosz mengatakan bahwa dia dan rekan-rekannya berharap untuk menemukan bahwa di usus dan jaringan lain yang tumbuh atau menggantikan diri mereka sendiri dengan cepat, akan ada lebih sedikit agregat: Pembelahan sel ekstra akan memberi jaringan yang tumbuh cepat lebih banyak kesempatan untuk membersihkan agregat dan mengatur ulang diri mereka sendiri. Tetapi yang terjadi adalah kebalikannya: Jaringan yang tumbuh cepat memiliki lebih banyak protein yang salah lipatan dan teragregasi, dan mereka menua lebih cepat daripada jaringan yang tumbuh lambat.
Sekali lagi, masalah dengan kontrol sel terhadap kualitas proteinnya mungkin menjadi penjelasannya. Jika sel kehilangan kendali atas proses yang mempertahankan kualitas proteinnya, lebih banyak kerusakan dari agregat dapat terbentuk dengan setiap pembelahan sel. Jaringan yang tumbuh dengan cepat dapat menua lebih cepat karena mereka memiliki lebih banyak peluang untuk menumpuk kerusakan itu.
Kondensasi, Agregasi, dan Prion
Mengapa protein terkadang agregat rumit. Anehnya, sebagian dari jawabannya ternyata sangat terkait dengan mekanisme penting yang disebut kondensasi yang digunakan sel untuk mengontrol protein mereka.
Bentuk 3-D kompleks yang peptida lipat menjadi secara historis dilihat sebagai mendikte aktivitas dan fungsi protein yang mereka buat. Tetapi dalam dekade terakhir ini, ditemukan bahwa daftar protein yang terus bertambah memiliki wilayah yang "tidak teratur secara intrinsik" yang tidak terlipat menjadi bentuk yang stabil. Di bawah kondisi yang tepat, banyak protein ini berkumpul menjadi tetesan, atau kondensat - proses reversibel yang mirip dengan "pemisahan fase" yang membuat minyak membentuk tetesan dalam air. Ini dapat meningkatkan aktivitas enzim dengan memusatkan enzim bersama dengan substratnya atau menekan aktivitas dengan memisahkan enzim dari substratnya. Dengan mengubah konsentrasi lokal substrat dan enzim dalam dirinya sendiri, sel dapat menggunakan kondensat untuk menyempurnakan aktivitas proteinnya.
Tetapi daerah protein yang tidak teratur juga dapat menyebabkan mereka saling menempel lebih permanen sebagai agregat, mengikat sel dan mendatangkan malapetaka. Lebih buruk lagi, beberapa protein yang rusak tidak hanya salah melipat dan mengagregasi dirinya sendiri tetapi juga menyebabkan protein lain dari jenis yang sama salah melipat, yang menyebabkan reaksi berantai dari agregasi. Ini secara konseptual mirip dengan apa yang terjadi pada "penyakit sapi gila" dan varian sindrom Creutzfeldt-Jakob, di mana protein yang terlipat secara abnormal yang disebut prion mengkatalisis gelombang agregasi protein abnormal di otak.
Oleh karena itu, kondensasi merupakan mekanisme kontrol yang disertai dengan risiko. Tetapi dalam istilah evolusi, keuntungannya tampaknya sangat besar sehingga biayanya – kerentanan terhadap banyak penyakit terkait penuaan – tampaknya layak dibayar, kata Jarosz.
Sebuah ilustrasi yang jelas tentang hal ini muncul dalam pracetak kedua yang diposting pada bulan Maret, di mana tim Stanford bertempat tinggal di pada protein yang disebut DDX5 yang berkumpul di otak killifish yang menua. DDX5, yang paling aktif dalam keadaan kondensatnya, melayani berbagai fungsi penting dalam tubuh, seringkali membantu memastikan bahwa protein lain dibuat dengan benar. Dari urutan asam aminonya, para peneliti memperkirakan bahwa DDX5 cenderung berperilaku seperti prion, dan penelitian mereka selanjutnya mengkonfirmasi bahwa hal itu terjadi: Satu protein DDX5 yang salah lipat mendorong kesalahan lipatan dan agregasi molekul DDX5 lainnya.
Tetapi agregasi tidak berhenti di situ: Para peneliti Stanford juga menemukan berbagai protein lain dalam rumpun DDX5. Agregat terkadang dapat bertindak sebagai "gumpalan lengket" yang menjebak protein lain, tanpa pandang bulu mengganggu fungsi seluler, dijelaskan John Labbadia, yang laboratoriumnya di University College London mempelajari kontrol kualitas protein dan penuaan.
"Ini menunjukkan bahwa kita memiliki ... protein yang menyatu dengan usia dan yang benar-benar dapat mengkatalisis agregasi lebih lanjut dari protein dengan cara seperti prion, yang tidak ditunjukkan sebelumnya," katanya.
Tim Stanford dengan hati-hati menetapkan wilayah protein DDX5 mana yang memungkinkan kondensasi untuk mengontrol aktivitasnya — dan ternyata wilayah yang sama juga membuatnya rentan terhadap agregasi. Kontrol atas fungsi alami protein dan kecenderungannya untuk beragregasi saling terkait erat. "Ini Catch-22," kata Labbadia.
“Salah satu perubahan pola pikir yang menarik bagi saya adalah bahwa domain yang tidak teratur tidak diperlukan untuk aktivitas seperti yang didefinisikan secara sangat sempit,” kata Jarosz. “Tetapi dalam hal bagaimana aktivitas itu benar-benar diterapkan dalam sistem kehidupan, itu sebenarnya sangat penting.”
Patologis atau Protektif?
Persisnya apa yang memicu terbentuknya agregat, dan seberapa banyak masalah yang ditimbulkannya pada sel, tetap menjadi “kontroversi besar, fantastis, besar di lapangan,” kata Kenyon. Di satu sisi, mengagregasi DDX5 dan protein lainnya, yang secara efektif menghilangkan fungsi seluler yang penting. Tapi agregat mungkin juga memiliki efek perlindungan pada kelangsungan hidup sel.
Sebuah contoh yang baik dari efek perlindungan muncul dari studi tentang protein huntingtin, yang paling melimpah di otak. Huntingtin sangat penting untuk perkembangan sistem saraf yang sehat, tetapi pada orang dengan penyakit Huntington, mutasi menyebabkan protein huntingtin menjadi panjang secara tidak normal. Protein panjang itu kemudian dipotong-potong menjadi segmen-segmen beracun yang lebih kecil yang merusak sistem saraf.
Dalam 2004, Steve Finkbeiner, seorang peneliti penuaan di Gladstone Institutes dan University of California, San Francisco, sedang mempelajari agregasi protein huntingtin dalam neuron yang dikultur. Timnya menunjukkan bahwa meskipun semua neuron yang mengekspresikan protein huntingtin abnormal mati seiring waktu, neuron yang memiliki agregat huntingtin bertahan lebih lama daripada yang tidak.
"Itu adalah bukti pertama bahwa pembentukan [agregat] adalah respons koping terhadap bentuk submikroskopik lain dari protein yang salah melipat yang menyebabkan masalah," Finkbeiner menjelaskan dalam email kepada Quanta.
Dia dan yang lainnya telah menunjukkan sejak saat itu bahwa respons agregasi protektif ini juga terjadi pada penyakit neurodegeneratif lainnya. Ini mungkin menjelaskan kegagalan berulang percobaan eksperimental untuk mengobati penyakit Alzheimer dengan menargetkan plak, katanya: Jika plak amiloid yang khas dari bentuk penyakit untuk secara protektif mengikat protein yang rusak, maka memecah plak mungkin lebih berbahaya daripada kebaikan.
"Ini adalah konsep yang sulit dipahami manusia, karena tampaknya intuitif bahwa hal-hal yang terlihat tidak normal seharusnya 'buruk' dan patogen," tulis Finkbeiner. “Tetapi biologi itu kompleks, penuh dengan banyak putaran umpan balik, jadi penting agar orang tidak tertipu dengan melompat ke kesimpulan.”
Tantangan Universal Dengan Banyak Solusi
Gambaran yang muncul dengan jelas sekarang adalah bahwa agregasi protein bukanlah fenomena yang terbatas pada penyakit neurodegeneratif: Ini adalah bagian dari setiap sel yang hidup cukup lama hingga menua. Banyak protein normal yang penting untuk perkembangan seperti DDX5 memiliki kecenderungan untuk beragregasi, dan mengatasi penggumpalan ini merupakan tantangan universal yang harus dihadapi setiap sel.
Karena sel telah menangani masalah ini untuk waktu yang sangat lama, mencegah agregasi mungkin menjadi kekuatan utama dalam evolusi urutan protein. Karena protein yang melimpah rentan terhadap agregasi, dan mutasi meningkatkan kecenderungan itu, seleksi alam terhadap mutasi pada protein yang melimpah kemungkinan akan sangat kuat. (Kesimpulan itu didukung oleh pengamatan bahwa pada hewan muda, protein yang lebih berlimpah cenderung memiliki tingkat mutasi yang lebih rendah.) Jadi protein yang langka dapat berevolusi lebih cepat daripada protein yang berlimpah, dan tingkat evolusi yang lebih cepat seharusnya berkorelasi dengan kecenderungan untuk beragregasi.
Brunet dan Jarosz mengamati bahwa efek ini paling menonjol di otak killifish. Para peneliti berspekulasi bahwa protein yang terkumpul itu mungkin menjadi kunci inovasi dalam organ. Jika demikian, perubahan evolusioner di otak yang menjadikannya organ penting pada vertebrata mungkin juga membuat organ tersebut lebih rentan terhadap penyakit degeneratif yang disebabkan oleh agregasi.
Memang, kemungkinan setiap jaringan dan organ harus menemukan keseimbangan atau pertukaran yang berbeda antara melakukan tugasnya dan mengelola agregasi protein, kata Jarosz. Setiap jaringan memiliki persyaratan dan batasan fungsional yang unik untuk dipatuhi: Sel-sel usus berputar terus-menerus; sel endokrin membuat dan mengeluarkan hormon; sel-sel kekebalan mulai beraksi ketika mereka mendeteksi penyerbu; otak memproses informasi. Pekerjaan yang berbeda menuntut protein yang berbeda, yang berarti strategi yang dikembangkan untuk mengatasi agregasi protein akan bervariasi dari jaringan ke jaringan dan dari hewan ke hewan. Karena otak vertebrata di masa lalu yang relatif baru berkembang jauh lebih luas dan cepat daripada, katakanlah, otot, mesin pengontrol kualitas proteinnya mungkin belum memiliki cukup waktu untuk mengembangkan perlindungan yang memadai terhadap agregasi protein yang relatif baru.
Namun, masalah mendasar dari agregasi protein ada untuk semua organisme setiap hari, tidak hanya selama selingan penyakit atau stres besar. DDX5 seperti prion dan protein serupa “memiliki kecenderungan intrinsik untuk beragregasi, dan organisme berusaha untuk melindungi dirinya dari agregasi,” kata David. “Ini adalah sesuatu yang fisiologis yang harus kita hadapi.”
Dan fakta bahwa agregasi protein di seluruh tubuh merupakan faktor dalam penuaan organisme yang berbeda seperti ragi, cacing, lalat, ikan, tikus, dan manusia, tambahnya, “berarti bahwa kita, sebagai ladang, harus membayar lebih banyak perhatian ini.”
