Den aldrende hjernen til mennesker med Alzheimers, Parkinsons og andre nevrodegenerative sykdommer er overfylt med tydelige aggregater av proteiner i eller rundt nevronene deres. Hvordan disse proteinklumpene kan skade nevronene er ofte fortsatt uklart, men de er kjennetegn på forholdene - og til nå har de nesten utelukkende vært assosiert med eldre hjerner.

Men a fersk undersøkelse av et team av forskere fra Stanford University antyder at proteinaggregering kan være et universelt fenomen i aldrende celler og kan være involvert i mange flere aldringssykdommer enn det som ble mistenkt. Oppdagelsen deres peker på en ny måte å tenke på hva som går galt i cellene når de eldes, og potensielt nye måter å avverge noen konsekvenser av aldringsprosessen.

"Dette er utbredt - det er ikke bare ett spesifikt vev, det er mange forskjellige vev," sa Della David, en forsker på aldring ved Babraham Institute i Cambridge, England, som ikke var en del av studien.

Forskningen fremhever også at proteinaggregering er tett knyttet til essensielle mekanismer som lar celler regulere fysiologiene sine med utsøkt delikatesse. Biologer må vurdere nøye, muligens fra sak til sak, om proteinaggregater representerer en trussel mot celler eller et forsvar de har skapt.

Det nye verket, som ble lagt ut på biorxiv.org preprint-serveren i mars, er det første forsøket på å kvantifisere hvor mye proteinaggregering som skjer i hele kroppen under den naturlige aldring av et virveldyr - i dette tilfellet en svært kortvarig fisk . Studien viste at proteinaggregering sannsynligvis bidrar til gradvis forringelse av mange vev over tid. Funnene gir til og med et hint om hvorfor disse aggregatene er så mye mer tydelige i hjernen enn i andre vev: Det kan være fordi hjernen har utviklet seg så raskt.

Dan Jarosz, Stanford-systembiologen som hadde tilsyn med eksperimentene sammen med sin genetikerkollega Anne Brunet, var ikke forberedt på hvor mange proteiner som samlet seg i den aldrende fisken - eller for hvor ofte de samme proteinene, i muterte former, er knyttet til degenerative sykdommer. "Det har fått meg til å lure på om mange flere alderssykdommer som vi for tiden ikke kobler til proteinaggregering faktisk kan involvere det," sa han.

Ledetråder fra en fisk

Den afrikanske turkise killifishen lever i forbigående dammer i Øst-Afrika som dannes i regntiden. Når fisken nærmer seg slutten av sitt 4-6-måneders liv, utvikler den en rekke aldersrelaterte sykdommer, inkludert grå stær og hjernerelaterte endringer som ligner nevrodegenerative lidelser som Alzheimers hos mennesker. Dens korte levetid - mye kortere enn for en laboratoriemus, for eksempel - og rask naturlig aldring gjør den til en ideell modell for å studere aldring hos virveldyr.

"Det som er slående med denne fisken er at det ikke bare er proteinaggregering eller hjertesvikt eller hjernedysfunksjon som oppstår med aldring," sa Dario Valenzano, en evolusjonsbiolog ved Max Planck Institute for Biology of Aging og Leibniz Institute on Aging, begge i Tyskland, som tok sin postdoktorutdanning hos Brunet. "Ganske mye alle organer og vev vi ser på vil gjennomgå en ganske katastrofal transformasjon under aldring."

Stanford-teamet gjennomførte en omfattende analyse av proteinene i killifish på ulike stadier av ungdom og modenhet. Hos den aldrende drepefisken oppdaget de proteinaggregater i alt vevet de så på: ikke bare hjernen, men også hjertet, tarmen, leveren, muskelen, huden og testiklene. Mer enn halvparten av de aggregerende proteinene så ut til å vise en iboende tendens til å aggregere i ytterligere eksperimenter.

Men nøyaktig hvilke proteiner som aggregerte var vesentlig forskjellig fra ett vev til et annet. Mange av proteinene ble uttrykt på i det vesentlige ekvivalente nivåer i flere vev, men mens de samlet seg i ett, klumpet de seg ikke i det hele tatt i andre.

"Omfanget av vevsspesifisitet til det aggregerende proteomet er fantastisk," sa David. Årsakene til disse forskjellene, mener hun og andre forskere, reflekterer hvordan cellene opprettholder kvaliteten på proteinene sine. Celler har forseggjort maskineri for å sikre at de lange, kjedelignende peptidmolekylene som utgjør proteiner, blir foldet ordentlig, og til og med for å sørge for at peptidene til slutt kuttes opp for resirkulering. Men vev kan variere i hvor mye de er avhengige av ulike aspekter av proteinkvalitetskontrollprosessen, og disse vektleggingene kan endre seg med alderen, sa Jarosz.

"Det er veldig viktig, fordi et stort mysterium i menneskelig biologi er hvorfor disse nevrodegenerative sykdommene er så vevsspesifikke," sa Cynthia Kenyon, visepresident for aldringsforskning i bioteknologiselskapet Calico Life Sciences, som ikke var involvert i Stanford-artikkelen. Ingen vet egentlig, for eksempel, hvorfor amyloidproteinplakkene ved Alzheimers sykdom dannes i hippocampus i hjernen og aggregatene ved Parkinsons sykdom er spesifikke for dopaminnevroner. Muligheten for at forskjellige celler opprettholder proteinkvaliteten forskjellig "gir i det minste en mulig forklaring på hvorfor forskjellige vev bør oppføre seg så forskjellig," sa hun.

Viktigheten av kvalitetskontroll

Det er gode bevis fra studier av ormer og fluer på at hvis maskineriet som bevarer stabiliteten til proteiner blir forstyrret, eldes dyrene raskere. Hvis proteinkvalitetskontrollveiene er genetisk forbedret, har dyrene en tendens til å leve lenger. Ingenting av dette betyr at proteinaggregering forårsaker aldring, men det innebærer sterkt at de to er tett korrelert.

For ytterligere å undersøke forholdet mellom proteinaggregering og aldring, så Stanford-forskerne nærmere på proteinene i en mutant variant av killifish som eldes uvanlig raskt. Disse fiskene har en mutasjon i genet for enzymet telomerase, som bevarer lengden på delende kromosomer; dyr med telomerasemutasjoner eldes vanligvis raskt.

Jarosz sa at han og kollegene hans forventet å finne at i tarmen og andre vev som vokste eller erstattet seg selv raskt, ville det være færre aggregater: Ekstra celledelinger ville gi raskt voksende vev flere muligheter til å rydde vekk aggregater og tilbakestille seg selv. Men det motsatte var sant: Hurtigvoksende vev hadde flere feilfoldede og aggregerte proteiner, og de eldes raskere enn vev som vokste sakte.

Nok en gang kan problemer med cellens kontroll over kvaliteten på proteinene være forklaringen. Hvis cellene mister kontrollen over prosessene som opprettholder kvaliteten på proteinene deres, kan det bygge seg opp mer skade fra aggregater med hver celledeling. Vev som vokser raskt kan eldes raskere fordi de har flere sjanser til å akkumulere den skaden.

Kondensering, aggregasjon og prioner

Hvorfor proteiner noen ganger aggregerer er komplisert. Overraskende nok viser en del av svaret seg å være dypt knyttet til en essensiell mekanisme kalt kondensering som cellene bruker for å kontrollere proteinene sine.

De komplekse 3D-formene som peptider foldes inn i, ble historisk sett på som å diktere aktivitetene og funksjonene til proteinene de utgjorde. Men i løpet av det siste tiåret eller så ble det oppdaget at en voksende liste over proteiner har en "egenforstyrret" region som ikke foldes til en stabil form. Under de rette forholdene samles mengder av disse proteinene til dråper, eller kondensater - en reversibel prosess som ligner på "faseseparasjonen" som får olje til å danne dråper i vann. Det kan forbedre enzymaktiviteten ved å konsentrere enzymer sammen med deres substrater eller undertrykke aktiviteten ved å sekvestrere enzymer bort fra deres substrater. Ved å endre den lokale konsentrasjonen av substrater og enzymer i seg selv, kan cellene bruke kondensater for å finjustere proteinaktiviteten.

Men de uordnede områdene av proteiner kan også føre til at de holder seg sammen mer permanent som aggregater, og ødelegger celler og skaper kaos. Enda verre, noen defekte proteiner ikke bare feilfolder og aggregerer seg selv, men får også andre proteiner av samme type til å feilfolde seg, noe som fører til en kjedereaksjon av aggregering. Dette er konseptuelt likt det som skjer ved "kugalskap" og variant Creutzfeldt-Jakob syndrom, der unormalt foldede proteiner kalt prioner katalyserer en bølge av unormal proteinaggregering i hjernen.

Kondens er derfor en kontrollmekanisme som følger med risiko. Men i evolusjonære termer er fordelene tilsynelatende så betydelige at kostnadene - en sårbarhet for mange aldringsassosierte sykdommer - ser ut til å være verdt å betale, sa Jarosz.

En tydelig illustrasjon av dette dukket opp i et andre preprint publisert i mars, der Stanford-teamet hjemme på et protein kalt DDX5 som samler seg i aldrende killifish-hjerner. DDX5, som er mest aktiv i sin kondensattilstand, tjener en rekke viktige funksjoner i kroppen, og hjelper ofte til å sørge for at andre proteiner lages riktig. Ut fra aminosyresekvensen spådde forskerne at DDX5 sannsynligvis ville oppføre seg som en prion, og deres påfølgende arbeid bekreftet at det gjør det: Ett feilfoldet DDX5-protein fremmer feilfolding og aggregering av andre DDX5-molekyler.

Men aggregeringen stopper ikke der: Stanford-forskerne fant også en rekke andre proteiner i klumpene til DDX5. Aggregater kan noen ganger fungere som "klebrige klatter" som fanger andre proteiner, og forstyrrer cellulære funksjoner tilfeldig, forklart John Labbadia, hvis laboratorium ved University College London studerer proteinkvalitetskontroll og aldring.

"Det tyder på at vi har disse … proteiner som aggregerer med alderen og som faktisk kan katalysere ytterligere aggregering av proteiner på en prionlignende måte, som ikke ble vist før," sa han.

Stanford-teamet etablerte nøye hvilken region av DDX5-proteinet som gjør det mulig for kondensering å kontrollere aktiviteten - og det viste seg å være den samme regionen som også gjør det utsatt for aggregering. Kontroll over proteinets naturlige funksjon og dets tendens til å aggregere er uløselig knyttet. "Det er en Catch-22," sa Labbadia.

"En av de fascinerende endringene i tankesett for meg er at det uordnede domenet ikke er nødvendig for aktivitet som veldig snevert definert," sa Jarosz. "Men i forhold til hvordan den aktiviteten virkelig blir distribuert i det levende systemet, er det faktisk ekstremt viktig."

Patologisk eller beskyttende?

Nøyaktig hva som trigger aggregater til å dannes, og hvor mye trøbbel de forårsaker for cellene, er fortsatt "en stor, fantastisk, stor kontrovers i feltet," sa Kenyon. På den ene siden samler aggregater DDX5 og andre proteiner, og eliminerer effektivt viktige cellulære funksjoner. Men aggregater kan også ha en beskyttende effekt på celleoverlevelse.

Et godt eksempel på den beskyttende effekten kom fra studier av huntingtin-proteinet, som finnes mest i hjernen. Huntingtin er essensielt for sunn utvikling av nervesystemet, men hos personer med Huntingtons sykdom fører en mutasjon til at huntingtinproteinet blir unormalt langt. Det lange proteinet blir deretter kuttet opp i mindre, giftige segmenter som skader nervesystemet.

I 2004, Steve Finkbeiner, en forsker på aldring ved Gladstone Institutes og University of California, San Francisco, studerte aggregering av huntingtin-protein i dyrkede nevroner. Teamet hans viste at selv om alle nevronene som uttrykker det unormale huntingtin-proteinet døde over tid, døde nevronene som hadde aggregater av huntingtin overlevde lenger enn de som ikke gjorde det.

"Det var det første beviset på at [aggregert] dannelse var en mestringsrespons på andre submikroskopiske former av det feilfoldede proteinet som forårsaket problemer," forklarte Finkbeiner i en e-post til Quanta.

Han og andre har vist siden den gang at denne beskyttende aggregeringsresponsen også forekommer i andre nevrodegenerative sykdommer. Det kan forklare den gjentatte svikten i eksperimentelle forsøk for behandling av Alzheimers sykdom ved å målrette plakk, sa han: Hvis amyloidplakkene som er karakteristiske for sykdommen dannes for å beskyttende binde opp det defekte proteinet, kan det gjøre mer skade enn nytte å bryte opp plakkene.

"Det er et vanskelig konsept for mennesker å forstå, siden det virker intuitivt at ting som ser unormale ut skal være "dårlige" og patogene," skrev Finkbeiner. "Men biologi er kompleks, full av mange tilbakemeldingssløyfer, så det er viktig at folk ikke lar seg lure til å trekke konklusjoner."

En universell utfordring med mange løsninger

Bildet som dukker opp nå er at proteinaggregering ikke er et fenomen begrenset til nevrodegenerative sykdommer: Det er en del av hver celle som lever lenge nok til å eldes. Mange normale, utviklingsmessig viktige proteiner som DDX5 har en tendens til å aggregere, og å takle denne klumpingen er en universell utfordring som hver celle må håndtere.

Siden celler har jobbet med dette problemet i svært lang tid, kan det å forhindre aggregering ha vært en viktig kraft i utviklingen av proteinsekvenser. Fordi rikelig med proteiner er utsatt for aggregering, og mutasjoner øker denne tendensen, vil naturlig seleksjon mot mutasjoner i rikelig med proteiner sannsynligvis være veldig sterk. (Denne konklusjonen støttes av observasjonen at hos unge dyr har mer rikelige proteiner en tendens til å ha lavere mutasjonshastigheter.) Så knappe proteiner kan utvikle seg raskere enn rikelig med proteiner, og en raskere evolusjonshastighet bør korrelere med en tilbøyelighet til å aggregere.

Brunet og Jarosz observerte at denne effekten var mest uttalt i hjernen til killifishen. Forskerne spekulerte i at de aggregerte proteinene kan ha vært nøkkelen til innovasjoner i organet. I så fall kan de evolusjonære endringene i hjernen som gjorde den til et så viktig organ hos virveldyr også ha gjort organet mer sårbart for degenerative sykdommer forårsaket av aggregering.

Det er faktisk sannsynlig at hvert vev og organ må finne en annen balanse eller avveining mellom å gjøre jobben sin og å administrere proteinaggregering, sa Jarosz. Hvert vev har unike funksjonelle krav og begrensninger å adlyde: Tarmceller snur seg konstant; endokrine celler lager og skiller ut hormoner; immunceller springer til handling når de oppdager inntrengere; hjernen behandler informasjon. Ulike jobber krever forskjellige proteiner, noe som betyr at de utviklede strategiene for å takle proteinaggregering vil variere fra vev til vev og fra dyr til dyr. Fordi virveldyrhjernen i den relativt nylige fortiden har utviklet seg så mye mer omfattende og raskere enn for eksempel musklene, kan det hende at dens proteinkvalitetskontrollmaskineri ennå ikke har hatt nok tid til å utvikle tilstrekkelig beskyttelse mot aggregering av relativt nye proteiner.

Likevel er det grunnleggende problemet med proteinaggregering der for alle organismer hver dag, ikke bare under sykdommer eller massivt stress. De prionlignende DDX5 og lignende proteiner "har en iboende tilbøyelighet til å aggregere, og organismen streber etter å beskytte seg mot aggregering," sa David. "Det er noe fysiologisk som vi alle må forholde oss til."

Og det faktum at proteinaggregering i hele kroppen er en faktor i aldring av organismer så forskjellige som gjær, ormer, fluer, fisk, mus og mennesker, la hun til, "betyr at vi som åker burde betale mye mer oppmerksomhet på dette."