De verouderende hersenen van mensen met de ziekte van Alzheimer, Parkinson en andere neurodegeneratieve ziekten zijn overgoten met veelbetekenende opeenhopingen van eiwitten in of rond hun neuronen. Hoe deze eiwitklontjes de neuronen kunnen beschadigen, is vaak nog onduidelijk, maar ze zijn kenmerkend voor de aandoeningen - en tot nu toe werden ze bijna uitsluitend in verband gebracht met oudere hersenen.

Maar a recente studie door een team van onderzoekers van Stanford University suggereert dat eiwitaggregatie een universeel fenomeen kan zijn in verouderende cellen en betrokken zou kunnen zijn bij veel meer verouderingsziekten dan werd vermoed. Hun ontdekking wijst op een nieuwe manier van denken over wat er misgaat in cellen naarmate ze ouder worden en, mogelijk, op nieuwe manieren om sommige gevolgen van het verouderingsproces af te wenden.

"Dit is wijdverbreid - het is niet slechts één specifiek weefsel, het zijn veel verschillende weefsels," zei Della David, een onderzoeker naar veroudering aan het Babraham Institute in Cambridge, Engeland, die geen deel uitmaakte van het onderzoek.

Het onderzoek benadrukt ook dat eiwitaggregatie nauw verbonden is met essentiële mechanismen die cellen in staat stellen hun fysiologie met voortreffelijke delicatesse te reguleren. Biologen zullen zorgvuldig moeten beoordelen, mogelijk per geval, of eiwitaggregaten een bedreiging vormen voor cellen of een verdediging die ze hebben gecreëerd.

Het nieuwe werk, dat in maart op de preprintserver van biorxiv.org werd geplaatst, is de eerste poging om te kwantificeren hoeveel eiwitaggregatie door het lichaam plaatsvindt tijdens de natuurlijke veroudering van een gewerveld dier - in dit geval een zeer kortlevende vis. . De studie toonde aan dat eiwitaggregatie waarschijnlijk bijdraagt ​​aan de geleidelijke verslechtering van veel weefsels in de loop van de tijd. De bevindingen bieden zelfs een hint over waarom deze aggregaten zo veel duidelijker zijn in de hersenen dan in andere weefsels: het kan zijn omdat de hersenen zo snel evolueren.

Dan Jarosz, de systeembioloog van Stanford die samen met zijn collega geneticus toezicht hield op de experimenten Anna Brunet, was niet voorbereid op hoeveel eiwitten zich ophoopten in de verouderende vissen - of op hoe vaak diezelfde eiwitten, in gemuteerde vormen, in verband worden gebracht met degeneratieve ziekten. "Ik vraag me af of er nog veel meer ouderdomsziekten zijn die we momenteel niet in verband brengen met eiwitaggregatie", zei hij.

Aanwijzingen van een vis

De Afrikaanse turkooizen killivis leeft in tijdelijke vijvers in Oost-Afrika die zich tijdens het regenseizoen vormen. Naarmate de vis het einde van zijn leven van 4 tot 6 maanden nadert, ontwikkelt hij een reeks leeftijdsgerelateerde ziekten, waaronder staar en hersengerelateerde veranderingen die lijken op neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer bij mensen. Zijn korte levensduur - veel korter dan die van bijvoorbeeld een laboratoriummuis - en snelle natuurlijke veroudering maken het een ideaal model voor het bestuderen van veroudering bij gewervelde dieren.

"Wat opvalt aan deze vis is dat het niet alleen eiwitaggregatie of hartfalen of hersendisfunctie is die optreedt bij het ouder worden," zei hij. Dario Valenzano, een evolutiebioloog aan het Max Planck Instituut voor de Biologie van Veroudering en het Leibniz Instituut voor Veroudering, beide in Duitsland, die zijn postdoctorale opleiding volgde bij Brunet. "Vrijwel elk orgaan en weefsel waar we naar kijken, zal tijdens het ouder worden een behoorlijk catastrofale transformatie ondergaan."

Het Stanford-team voerde een uitgebreide analyse uit van de eiwitten in killivissen in verschillende stadia van jeugd en volwassenheid. In de verouderde killivis ontdekten ze eiwitophopingen in alle weefsels die ze bekeken: niet alleen de hersenen, maar ook het hart, de darmen, de lever, de spieren, de huid en de testis. Meer dan de helft van de aggregerende eiwitten leek in verdere experimenten een intrinsieke neiging tot aggregatie te vertonen.

Maar precies welke eiwitten geaggregeerd waren, verschilde aanzienlijk van weefsel tot weefsel. Veel van de eiwitten kwamen tot expressie op in wezen gelijkwaardige niveaus in meerdere weefsels, maar terwijl ze in één weefsel aggregeerden, klonterden ze helemaal niet in andere.

"De mate van weefselspecificiteit van het aggregerende proteoom is verbazingwekkend," zei David. De redenen voor die verschillen, denken zij en andere onderzoekers, weerspiegelen hoe cellen de kwaliteit van hun eiwitten behouden. Cellen hebben uitgebreide machines om ervoor te zorgen dat de lange, ketenachtige peptidemoleculen waaruit eiwitten bestaan, goed worden gevouwen, en zelfs om ervoor te zorgen dat de peptiden uiteindelijk worden versneden voor recycling. Maar weefsels kunnen variëren in de mate waarin ze afhankelijk zijn van verschillende aspecten van het eiwitkwaliteitscontroleproces, en die accenten kunnen met de leeftijd veranderen, zei Jarosz.

"Dat is echt belangrijk, want een enorm mysterie in de menselijke biologie is waarom deze neurodegeneratieve ziekten zo weefselspecifiek zijn," zei hij. Cynthia Kenjon, vice-president verouderingsonderzoek bij het biotechnologiebedrijf Calico Life Sciences, die niet betrokken was bij de Stanford-paper. Niemand weet bijvoorbeeld echt waarom de amyloïde-eiwitplaques van de ziekte van Alzheimer zich vormen in de hippocampus van de hersenen en de aggregaten bij de ziekte van Parkinson specifiek zijn voor dopamineneuronen. De mogelijkheid dat verschillende cellen hun eiwitkwaliteit anders behouden "geeft in ieder geval een mogelijke verklaring waarom verschillende weefsels zich zo verschillend zouden gedragen", zei ze.

Het belang van kwaliteitscontrole

Er is goed bewijs uit studies van wormen en vliegen dat dieren sneller verouderen als de machinerie die de stabiliteit van eiwitten in stand houdt wordt verstoord. Als de routes voor de controle van de eiwitkwaliteit genetisch zijn verbeterd, leven de dieren meestal langer. Dit alles betekent niet dat eiwitaggregatie veroudering veroorzaakt, maar het impliceert sterk dat de twee nauw met elkaar verbonden zijn.

Om de relatie tussen eiwitaggregatie en veroudering verder te onderzoeken, hebben de Stanford-onderzoekers de eiwitten nader bekeken in een gemuteerde variëteit van killifish die ongewoon snel veroudert. Deze vissen hebben een mutatie in hun gen voor het enzym telomerase, dat de lengte van delende chromosomen behoudt; dieren met telomerasemutaties verouderen meestal snel.

Jarosz zei dat hij en zijn collega's verwachtten dat er in de darmen en andere weefsels die snel groeiden of zichzelf vervangen, minder aggregaten zouden zijn: extra celdelingen zouden snelgroeiende weefsels meer kansen geven om aggregaten op te ruimen en zichzelf te resetten. Maar het tegenovergestelde was waar: snelgroeiende weefsels hadden meer verkeerd gevouwen en geaggregeerde eiwitten, en ze verouderen sneller dan weefsels die langzaam groeien.

Nogmaals, problemen met de controle van de cel over de kwaliteit van zijn eiwitten kunnen de verklaring zijn. Als cellen de controle verliezen over de processen die de kwaliteit van hun eiwitten behouden, kan er bij elke celdeling meer schade door aggregaten ontstaan. Weefsels die snel groeien, kunnen sneller verouderen omdat ze meer kans hebben om die schade op te stapelen.

Condensatie, aggregatie en prionen

Waarom eiwitten soms aggregeren is ingewikkeld. Verrassend genoeg blijkt een deel van het antwoord diep verbonden te zijn met een essentieel mechanisme genaamd condensatie dat cellen gebruiken om hun eiwitten te controleren.

De complexe 3D-vormen waarin peptiden zich vouwen, werden historisch gezien gezien als dicterend voor de activiteiten en functies van de eiwitten die ze vormden. Maar in de afgelopen tien jaar werd ontdekt dat een groeiende lijst van eiwitten een "intrinsiek ongeordend" gebied heeft dat niet in een stabiele vorm kan worden gevouwen. Onder de juiste omstandigheden verzamelen massa's van deze eiwitten zich tot druppeltjes of condensaten - een omkeerbaar proces dat lijkt op de "fasescheiding" waarbij olie druppeltjes in water vormt. Het kan de enzymactiviteit versterken door enzymen samen met hun substraten te concentreren of de activiteit onderdrukken door enzymen weg te sekwestreren van hun substraten. Door de lokale concentratie van substraten en enzymen in zichzelf te veranderen, kunnen cellen condensaten gebruiken om hun eiwitactiviteit fijn af te stemmen.

Maar de ongeordende regio's van eiwitten kunnen er ook voor zorgen dat ze meer permanent aan elkaar blijven kleven als aggregaten, cellen ophopen en grote schade aanrichten. Erger nog, sommige defecte eiwitten vouwen zich niet alleen verkeerd en aggregeren zichzelf, maar zorgen er ook voor dat andere eiwitten van hetzelfde type verkeerd vouwen, wat leidt tot een kettingreactie van aggregatie. Dit is conceptueel vergelijkbaar met wat er gebeurt bij de "gekkekoeienziekte" en het variante Creutzfeldt-Jakob-syndroom, waarbij abnormaal gevouwen eiwitten, prionen genaamd, een golf van abnormale eiwitaggregatie in de hersenen katalyseren.

Condensatie is dus een controlemechanisme dat risico's met zich meebrengt. Maar in evolutionaire termen zijn de voordelen blijkbaar zo groot dat de kosten - een kwetsbaarheid voor veel ouderdomsgerelateerde ziekten - de moeite waard lijken om te betalen, zei Jarosz.

Een duidelijke illustratie hiervan kwam naar voren in een tweede voordruk die in maart werd geplaatst, waarin het Stanford-team thuisgekomen op een eiwit genaamd DDX5 dat aggregeert in ouder wordende killifish-hersenen. DDX5, dat het meest actief is in zijn gecondenseerde toestand, vervult verschillende belangrijke functies in het lichaam en helpt er vaak voor te zorgen dat andere eiwitten op de juiste manier worden gemaakt. Op basis van de aminozuursequentie voorspelden de onderzoekers dat DDX5 zich waarschijnlijk zou gedragen als een prion, en hun latere werk bevestigde dat dit het geval is: een verkeerd gevouwen DDX5-eiwit bevordert het verkeerd vouwen en aggregeren van andere DDX5-moleculen.

Maar daar stopt de aggregatie niet: de Stanford-onderzoekers vonden ook een verscheidenheid aan andere eiwitten in de klonten van DDX5. Aggregaten kunnen soms fungeren als "kleverige klodders" die andere eiwitten in de val lokken en lukraak cellulaire functies verstoren, legde uit John Labadia, wiens laboratorium aan het University College London eiwitkwaliteitscontrole en veroudering bestudeert.

"Het suggereert dat we deze ... eiwitten hebben die aggregeren met de leeftijd en die daadwerkelijk verdere aggregatie van eiwitten op een prionachtige manier kunnen katalyseren, wat niet eerder werd getoond, " zei hij.

Het Stanford-team heeft zorgvuldig vastgesteld welk gebied van het DDX5-eiwit het mogelijk maakt voor condensatie om zijn activiteit te beheersen - en het bleek hetzelfde gebied te zijn dat het ook vatbaar maakt voor aggregatie. Controle over de natuurlijke functie van het eiwit en zijn neiging tot aggregatie zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden. 'Het is een Catch-22,' zei Labbadia.

"Een van de fascinerende verschuivingen in de manier van denken voor mij is dat het ongeordende domein niet vereist is voor activiteiten zoals zeer eng gedefinieerd," zei Jarosz. "Maar in termen van hoe die activiteit echt wordt ingezet in het levende systeem, is het eigenlijk buitengewoon belangrijk."

Pathologisch of beschermend?

Precies wat de vorming van aggregaten veroorzaakt en hoeveel problemen ze veroorzaken voor cellen, blijft "een enorme, fantastische, grote controverse in het veld", zei Kenyon. Aan de ene kant sequestreren aggregaten DDX5 en andere eiwitten, waardoor belangrijke cellulaire functies effectief worden geëlimineerd. Maar aggregaten kunnen ook een beschermend effect hebben op de celoverleving.

Een goed voorbeeld van het beschermende effect kwam naar voren uit studies van het huntingtine-eiwit, dat het meest voorkomt in de hersenen. Huntingtine is essentieel voor de gezonde ontwikkeling van het zenuwstelsel, maar bij mensen met de ziekte van Huntington zorgt een mutatie ervoor dat het huntingtine-eiwit abnormaal lang wordt. Het lange eiwit wordt vervolgens in kleinere, giftige segmenten gehakt die het zenuwstelsel beschadigen.

In 2004, Steve Finkbeiner, een onderzoeker naar veroudering aan de Gladstone Institutes en de University of California, San Francisco, bestudeerde aggregatie van huntingtine-eiwit in gekweekte neuronen. Zijn team toonde aan dat, hoewel alle neuronen die het abnormale huntingtine-eiwit tot expressie brachten, na verloop van tijd stierven, de neuronen die aggregaten van huntingtine hadden langer overleefd dan degenen die dat niet deden.

"Het was het eerste bewijs dat [geaggregeerde] vorming een coping-reactie was op andere submicroscopische vormen van het verkeerd gevouwen eiwit die de problemen veroorzaakten", legt Finkbeiner uit in een e-mail aan Quanta.

Hij en anderen hebben sindsdien aangetoond dat deze beschermende aggregatiereactie ook bij andere neurodegeneratieve ziekten voorkomt. Het kan het herhaalde falen van experimentele proeven voor de behandeling van de ziekte van Alzheimer verklaren door zich op plaques te richten.

"Het is een moeilijk concept voor mensen om te begrijpen, omdat het intuïtief lijkt dat dingen die er abnormaal uitzien 'slecht' en pathogeen zijn," schreef Finkbeiner. "Maar biologie is complex, vol met vele feedback loops, dus het is belangrijk dat mensen niet voor de gek worden gehouden door conclusies te trekken."

Een universele uitdaging met vele oplossingen

Het beeld dat nu duidelijk naar voren komt, is dat eiwitaggregatie niet een fenomeen is dat beperkt is tot neurodegeneratieve ziekten: het maakt deel uit van elke cel die lang genoeg leeft om te verouderen. Veel normale, voor de ontwikkeling belangrijke eiwitten zoals DDX5 hebben de neiging om te aggregeren, en het omgaan met deze klontering is een universele uitdaging die elke cel moet aanpakken.

Aangezien cellen al heel lang met dit probleem te maken hebben, kan het voorkomen van aggregatie een belangrijke factor zijn geweest in de evolutie van eiwitsequenties. Omdat overvloedige eiwitten vatbaar zijn voor aggregatie, en mutaties die neiging vergroten, is de natuurlijke selectie tegen mutaties in overvloedige eiwitten waarschijnlijk erg sterk. (Die conclusie wordt ondersteund door de observatie dat meer overvloedige eiwitten bij jonge dieren doorgaans lagere mutatiesnelheden hebben.) Dus schaarse eiwitten kunnen sneller evolueren dan overvloedige eiwitten, en een snellere evolutiesnelheid zou moeten correleren met een neiging tot aggregatie.

Brunet en Jarosz merkten op dat dit effect het meest uitgesproken was in de hersenen van de killivis. De onderzoekers speculeerden dat die aggregerende eiwitten mogelijk de sleutel waren tot innovaties in het orgaan. Als dat zo is, kunnen de evolutionaire veranderingen in de hersenen die het zo'n belangrijk orgaan bij gewervelde dieren hebben gemaakt, het orgaan ook kwetsbaarder hebben gemaakt voor degeneratieve ziekten veroorzaakt door aggregatie.

Het is inderdaad waarschijnlijk dat elk weefsel en orgaan een andere balans of afweging moet vinden tussen zijn werk doen en het beheersen van eiwitaggregatie, zei Jarosz. Elk weefsel heeft unieke functionele vereisten en beperkingen waaraan moet worden voldaan: Darmcellen veranderen voortdurend; endocriene cellen maken en scheiden hormonen af; immuuncellen komen in actie wanneer ze indringers detecteren; de hersenen verwerken informatie. Verschillende banen vereisen verschillende eiwitten, wat betekent dat de ontwikkelde strategieën voor het omgaan met eiwitaggregatie van weefsel tot weefsel en van dier tot dier zullen verschillen. Omdat de hersenen van gewervelde dieren in het relatief recente verleden zoveel uitgebreider en sneller zijn geëvolueerd dan bijvoorbeeld de spieren, heeft de machine voor de controle van de eiwitkwaliteit misschien nog niet genoeg tijd gehad om adequate bescherming te ontwikkelen tegen de aggregatie van relatief nieuwe eiwitten.

Toch is het fundamentele probleem van eiwitaggregatie er elke dag voor alle organismen, niet alleen tijdens intermezzo's van ziekte of enorme stress. De prionachtige DDX5 en vergelijkbare eiwitten "hebben een intrinsieke neiging tot aggregatie en het organisme streeft ernaar zichzelf tegen de aggregatie te beschermen", zei David. "Het is iets fysiologisch waar we allemaal mee te maken hebben."

En het feit dat eiwitaggregatie door het hele lichaam een ​​factor is bij de veroudering van organismen die zo uiteenlopend zijn als gist, wormen, vliegen, vissen, muizen en mensen, voegde ze eraan toe, "betekent dat we als veld veel meer zouden moeten betalen aandacht hiervoor.”