Den åldrande hjärnan hos personer med Alzheimers, Parkinsons och andra neurodegenerativa sjukdomar är fyllda med tydliga aggregat av proteiner i eller runt deras nervceller. Hur dessa proteinklumpar kan skada neuronerna är ofta fortfarande oklart, men de är kännetecken för tillstånden - och fram till nu har de nästan uteslutande förknippats med äldre hjärnor.

Men a färsk studie av ett team av forskare vid Stanford University antyder att proteinaggregation kan vara ett universellt fenomen i åldrande celler och kan vara involverat i många fler åldrandesjukdomar än man misstänkte. Deras upptäckt pekar på ett nytt sätt att tänka på vad som går fel i cellerna när de åldras och, potentiellt, på nya sätt att avvärja vissa konsekvenser av åldringsprocessen.

"Detta är utbrett - det är inte bara en specifik vävnad, det är massor av olika vävnader," sa Della David, en forskare om åldrande vid Babraham Institute i Cambridge, England, som inte var en del av studien.

Forskningen visar också att proteinaggregation är hårt förknippat med viktiga mekanismer som gör att celler kan reglera sin fysiologi med utsökt delikatess. Biologer kommer att behöva bedöma noggrant, eventuellt från fall till fall, om proteinaggregat utgör ett hot mot celler eller ett försvar de har skapat.

Det nya verket, som publicerades på biorxiv.org preprint-servern i mars, är det första försöket att kvantifiera hur mycket proteinaggregation som sker i hela kroppen under det naturliga åldrandet av ett ryggradsdjur - i det här fallet en mycket kortlivad fisk . Studien visade att proteinaggregation sannolikt bidrar till en gradvis försämring av många vävnader över tid. Fynden ger till och med en antydan om varför dessa aggregat är så mycket mer uppenbara i hjärnan än i andra vävnader: Det kan bero på att hjärnor har utvecklats så snabbt.

Dan Jarosz, Stanfords systembiolog som övervakade experimenten med sin genetikerkollega Anne Brunet, var inte förberedd för hur många proteiner som aggregeras i den åldrande fisken - eller för hur ofta samma proteiner, i muterade former, är kopplade till degenerativa sjukdomar. "Det har fått mig att undra om många fler ålderssjukdomar som vi för närvarande inte kopplar till proteinaggregation faktiskt kan involvera det," sa han.

Ledtrådar från en fisk

Den afrikanska turkosa köldfisken lever i övergående dammar i Östafrika som bildas under regnperioden. När fisken närmar sig slutet av sitt 4 till 6 månader långa liv, utvecklar den en rad åldersrelaterade sjukdomar, inklusive grå starr och hjärnrelaterade förändringar som liknar neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers hos människor. Dess korta livslängd - mycket kortare än för en labbmus, till exempel - och det snabba naturliga åldrandet gör den till en idealisk modell för att studera åldrande hos ryggradsdjur.

"Vad som är slående med den här fisken är att det inte bara är proteinaggregation eller hjärtsvikt eller hjärndysfunktion som uppstår med åldrande," sa Dario Valenzano, en evolutionär biolog vid Max Planck Institute for Biology of Aging och Leibniz Institute on Aging, båda i Tyskland, som gjorde sin postdoktorala utbildning med Brunet. "Ganska mycket alla organ och vävnader som vi tittar på kommer att genomgå en ganska katastrofal transformation under åldrandet."

Stanford-teamet genomförde en omfattande analys av proteinerna i killifish i olika skeden av ungdom och mognad. Hos den åldrande killifishen upptäckte de proteinaggregat i alla vävnader som de tittade på: inte bara hjärnan utan också hjärtat, tarmen, levern, musklerna, huden och testiklarna. Mer än hälften av de aggregerande proteinerna verkade visa en inneboende tendens att aggregera i ytterligare experiment.

Men exakt vilka proteiner som aggregerades skilde sig väsentligt från en vävnad till en annan. Många av proteinerna uttrycktes i väsentligen ekvivalenta nivåer i flera vävnader, men medan de aggregerade i en klumpade de sig inte alls i andra.

"Omfattningen av vävnadsspecificiteten för det aggregerande proteomet är fantastiskt," sa David. Orsakerna till dessa skillnader, tror hon och andra forskare, återspeglar hur celler upprätthåller kvaliteten på sina proteiner. Celler har ett utarbetat maskineri för att säkerställa att de långa, kedjeliknande peptidmolekylerna som utgör proteiner vikas ordentligt, och till och med för att se till att peptiderna så småningom hackas upp för återvinning. Men vävnader kan variera i hur mycket de förlitar sig på olika aspekter av proteinkvalitetskontrollprocessen, och dessa betoningar kan förändras med åldern, sa Jarosz.

"Det är verkligen viktigt, eftersom ett stort mysterium i mänsklig biologi är varför dessa neurodegenerativa sjukdomar är så vävnadsspecifika," sa Cynthia Kenyon, vice VD för åldrande forskning vid bioteknikföretaget Calico Life Sciences, som inte var involverad i Stanford-tidningen. Ingen vet riktigt, till exempel, varför amyloidproteinplack av Alzheimers sjukdom bildas i hippocampus i hjärnan och aggregaten vid Parkinsons sjukdom är specifika för dopaminneuroner. Möjligheten att olika celler bibehåller sin proteinkvalitet olika "ger åtminstone en möjlig förklaring till varför olika vävnader borde bete sig så olika", sa hon.

Vikten av kvalitetskontroll

Det finns goda bevis från studier av maskar och flugor att om maskineriet som bevarar proteinernas stabilitet störs, åldras djuren snabbare. Om proteinkvalitetskontrollvägarna är genetiskt förbättrade, tenderar djuren att leva längre. Inget av detta betyder att proteinaggregation orsakar åldrande, men det antyder starkt att de två är nära korrelerade.

För att ytterligare undersöka förhållandet mellan proteinaggregation och åldrande tittade Stanford-forskarna närmare på proteinerna i en mutant variant av killifish som åldras ovanligt snabbt. Dessa fiskar har en mutation i sin gen för enzymet telomeras, som bevarar längden på delande kromosomerna; djur med telomerasmutationer åldras vanligtvis snabbt.

Jarosz sa att han och hans kollegor förväntade sig att finna att i tarmen och andra vävnader som växte eller ersatte sig snabbt skulle det finnas färre aggregat: Extra celldelningar skulle ge snabbt växande vävnader fler möjligheter att rensa bort aggregat och återställa sig själva. Men det motsatta var sant: snabbväxande vävnader hade fler felveckade och aggregerade proteiner, och de åldrades snabbare än vävnader som växte långsamt.

Återigen kan problem med cellens kontroll över kvaliteten på dess proteiner vara förklaringen. Om celler tappar kontrollen över de processer som upprätthåller kvaliteten på deras proteiner, kan mer skada från aggregat byggas upp med varje celldelning. Vävnader som växer snabbt kan åldras snabbare eftersom de har större chans att ackumulera den skadan.

Kondensering, aggregation och prioner

Varför proteiner ibland aggregerar är komplicerat. Överraskande nog visar sig en del av svaret vara djupt kopplat till en viktig mekanism som kallas kondensering som celler använder för att kontrollera sina proteiner.

De komplexa 3D-formerna som peptider vikas in i har historiskt sett setts som att de dikterar aktiviteterna och funktionerna hos de proteiner de utgör. Men under det senaste decenniet eller så upptäcktes det att en växande lista av proteiner har en "inneboende oordnad" region som inte viker sig till en stabil form. Under rätt förhållanden samlas mängder av dessa proteiner till droppar eller kondensat - en reversibel process som liknar "fasseparationen" som gör att olja bildar droppar i vatten. Det kan öka enzymaktiviteten genom att koncentrera enzymer tillsammans med deras substrat eller undertrycka aktiviteten genom att binda enzymer bort från deras substrat. Genom att ändra den lokala koncentrationen av substrat och enzymer inom sig själva kan celler använda kondensat för att finjustera sin proteinaktivitet.

Men de oordnade regionerna av proteiner kan också få dem att hålla ihop mer permanent som aggregat, skumma upp celler och orsaka förödelse. Ännu värre är att vissa defekta proteiner inte bara felveckas och aggregerar sig själva utan orsakar också andra proteiner av samma typ att felveckas, vilket leder till en kedjereaktion av aggregering. Detta liknar konceptuellt det som händer i "galna ko-sjukan" och variant Creutzfeldt-Jakob syndrom, där onormalt veckade proteiner som kallas prioner katalyserar en våg av onormal proteinaggregation i hjärnan.

Kondens är därför en kontrollmekanism som kommer med risker. Men i evolutionära termer är dess fördelar tydligen så betydande att kostnaden - en sårbarhet för många åldranderelaterade sjukdomar - verkar vara värd att betala, sa Jarosz.

En tydlig illustration av detta framkom i ett andra förtryck som publicerades i mars, där Stanford-teamet hemvist på ett protein som heter DDX5 som aggregeras i åldrande killifishhjärnor. DDX5, som är mest aktiv i sitt kondensattillstånd, fyller en mängd viktiga funktioner i kroppen och hjälper ofta till att se till att andra proteiner tillverkas på rätt sätt. Utifrån dess aminosyrasekvens förutspådde forskarna att DDX5 sannolikt skulle bete sig som en prion, och deras efterföljande arbete bekräftade att det gör det: Ett felveckat DDX5-protein främjar felveckning och aggregering av andra DDX5-molekyler.

Men aggregeringen slutar inte där: Stanford-forskarna hittade en mängd andra proteiner i DDX5-klumparna också. Aggregat kan ibland fungera som "klibbiga klumpar" som fångar andra proteiner, vilket urskillningslöst stör cellulära funktioner, förklaras John Labbadia, vars laboratorium vid University College London studerar proteinkvalitetskontroll och åldrande.

"Det tyder på att vi har dessa … proteiner som aggregeras med åldern och som faktiskt kan katalysera ytterligare aggregering av proteiner på ett prionliknande sätt, vilket inte visades tidigare," sa han.

Stanford-teamet fastställde noggrant vilken region av DDX5-proteinet som gör det möjligt för kondensering att kontrollera dess aktivitet - och det visade sig vara samma region som också gör det benäget att aggregeras. Kontroll över proteinets naturliga funktion och dess tendens att aggregera är oupplösligt kopplade. "Det är en Catch-22," sa Labbadia.

"En av de fascinerande förändringarna i tankesättet för mig är att den oordnade domänen inte krävs för aktivitet som är väldigt snävt definierad," sa Jarosz. "Men när det gäller hur den aktiviteten verkligen distribueras i det levande systemet är det faktiskt extremt viktigt."

Patologiskt eller skyddande?

Exakt vad som utlöser aggregat att bildas, och hur mycket problem de orsakar för celler, förblir "en enorm, fantastisk, stor kontrovers på området", sa Kenyon. Å ena sidan samlar aggregat DDX5 och andra proteiner, vilket effektivt eliminerar viktiga cellulära funktioner. Men aggregat kan också ha en skyddande effekt på cellöverlevnad.

Ett bra exempel på den skyddande effekten framkom från studier av huntingtinproteinet, som är vanligast i hjärnan. Huntingtin är avgörande för en sund utveckling av nervsystemet, men hos personer med Huntingtons sjukdom gör en mutation att huntingtinproteinet blir onormalt långt. Det långa proteinet hackas sedan upp i mindre, giftiga segment som skadar nervsystemet.

2004, Steve Finkbeiner, en forskare om åldrande vid Gladstone Institutes och University of California, San Francisco, studerade aggregering av huntingtinprotein i odlade neuroner. Hans team visade att även om alla neuroner som uttryckte det onormala huntingtinproteinet dog med tiden, så dog nervcellerna som hade aggregat av huntingtin överlevde längre än de som inte gjorde det.

"Det var det första beviset på att bildning av [aggregat] var ett hanteringssvar på andra submikroskopiska former av det felveckade proteinet som orsakade problemet," förklarade Finkbeiner i ett mejl till Quanta.

Han och andra har sedan dess visat att detta skyddande aggregeringssvar även förekommer i andra neurodegenerativa sjukdomar. Det kan förklara det upprepade misslyckandet i experimentella prövningar för att behandla Alzheimers sjukdom genom att rikta in sig på plack, sa han: Om amyloidplack som är karakteristiska för sjukdomen bildas för att skydda det defekta proteinet, kan det göra mer skada än nytta att bryta upp placken.

"Det är ett svårt koncept för människor att förstå, eftersom det verkar intuitivt att saker som ser onormala ut ska vara "dåliga" och patogena", skrev Finkbeiner. "Men biologi är komplex, full av många återkopplingsslingor, så det är viktigt att folk inte låter sig luras och drar förhastade slutsatser."

En universell utmaning med många lösningar

Den bild som tydligt framträder nu är att proteinaggregation inte är ett fenomen som är begränsat till neurodegenerativa sjukdomar: det är en del av varje cell som lever tillräckligt länge för att åldras. Många normala, utvecklingsmässigt viktiga proteiner som DDX5 har en tendens att aggregera, och att klara av denna klumpning är en universell utmaning som varje cell måste ta itu med.

Eftersom celler har hanterat detta problem under mycket lång tid, kan förhindrande av aggregation ha varit en stor kraft i utvecklingen av proteinsekvenser. Eftersom rikliga proteiner är benägna att aggregeras, och mutationer ökar den tendensen, är det naturliga urvalet mot mutationer i rikligt med proteiner sannolikt mycket starkt. (Den slutsatsen stöds av observationen att hos unga djur tenderar rikligare proteiner att ha lägre mutationshastigheter.) Så knappa proteiner kan utvecklas snabbare än rikliga proteiner, och en snabbare evolutionär hastighet bör korrelera med en benägenhet att aggregera.

Brunet och Jarosz observerade att denna effekt var mest uttalad i hjärnan på killifishen. Forskarna spekulerade i att dessa aggregerade proteiner kan ha varit nycklarna till innovationer i organet. Om så är fallet kan de evolutionära förändringarna i hjärnan som gjorde det till ett så viktigt organ hos ryggradsdjur också ha gjort organet mer sårbart för degenerativa sjukdomar orsakade av aggregering.

Det är faktiskt troligt att varje vävnad och organ måste hitta en annan balans eller avvägning mellan att göra sitt jobb och att hantera proteinaggregation, sa Jarosz. Varje vävnad har unika funktionella krav och begränsningar att följa: Tarmceller vänder sig konstant; endokrina celler gör och utsöndrar hormoner; immunceller springer igång när de upptäcker inkräktare; hjärnan bearbetar information. Olika jobb kräver olika proteiner, vilket innebär att de utvecklade strategierna för att hantera proteinaggregation kommer att variera från vävnad till vävnad och från djur till djur. Eftersom ryggradsdjurens hjärna har utvecklats så mycket mer omfattande och snabbare under det relativt korta förflutna än, säg, musklerna, kan dess proteinkvalitetskontrollmaskineri ännu inte ha haft tillräckligt med tid för att utveckla adekvata skydd mot aggregering av relativt nya proteiner.

Ändå är det grundläggande problemet med proteinaggregation där för alla organismer varje dag, inte bara under mellanspel av sjukdom eller massiv stress. Den prionliknande DDX5 och liknande proteiner "har en inneboende benägenhet att aggregera, och organismen strävar efter att skydda sig mot aggregering," sa David. "Det är något fysiologiskt som vi alla måste ta itu med."

Och det faktum att proteinaggregation i hela kroppen är en faktor i åldrandet av organismer så olika som jäst, maskar, flugor, fiskar, möss och människor, tillade hon, "betyder att vi som fält borde betala mycket mer uppmärksamma detta."