Új célpont a neurodegeneratív betegségek gyógyításában

A Developmental Cell folyóiratban április 25-én jelent meg a University of California Santa Barbara kutatóinak cikke, amelyben egy olyan gyógyszercélpontot írnak le, amely áttörést hozhat több neurodegeneratív betegség (köztük az Alzheimer-kór és a Parkinson-kór) terápiájában. Ezeknek a betegségeknek közös jellemzője, hogy mindegyiknél felbukkan valamilyen hibás (nem megfelelő térszerkezetű, összecsomósodásra hajlamos, akkumulálódó) fehérje. A proteinek a szervezetek igen fontos építőelemei, receptorai, jelátvivő és katalizátor molekulái, és térszerkezetük döntő fontosságú funkcionalitásuk szempontjából. A rosszul formálódó, nem megfelelő térszerkezetű fehérjék ráadásul nemcsak, hogy nem képesek ellátni feladatukat, de felhalmozódhatnak, és végül súlyosan veszélyeztethetik a sejtek belső működését. Ennek eredményeképpen a hibás térszerkezetű (misfolded) fehérjék számos degeneratív betegséget okoznak, az Alzheimer- és Parkinson-kórtól kezdve a retinitis pigmentosáig, és ezek a betegségek jelenleg gyógyíthatatlanok.

A mostani tanulmányban a kaliforniai kutatók egy újfajta kapcsolatot mutattak be egy iontranszport fehérje és a sejt azon “szemétgyűjtő”, hulladékeltávolító mechanizmusa között, amelynek fő feladata, hogy az összecsomósodott fehérjéket felaprítsa - pontosan annak érdekében, hogy megakadályozza azok toxikus hatású felhalmozódását.

“A gyümölcslegyek (Drosophila) petefészkeiben végzett sejtbiológiai vizsgálatok révén rábukkantunk a neurodegeneráció megelőzésének egyik módjára, és úgy gondoljuk, hogy ez a módszer alkalmazható lehet több humán betegség kezelésében is” - nyilatkozta a cikk első szerzője, Denise Montell.

Montell laboratóriuma 35 éve kezdte el tanulmányozni a sejtek mozgását a gyümölcslegyek petefészkeiben. Ez laikus fülnek első hallásra elég furcsának tűnhet, valójában azonban a Drosophila kiváló modellszervezet, és különösen a petefészek fantasztikus modellt nyújt a sejtek mobilitásának vizsgálatára. “A sejtek mozgása pedig egyrészt az embrionális fejlődés hátterét biztosítja, másrészt a sebgyógyulás folyamatában fontos, harmadrészt pedig a tumorok áttétképződésében is nagy szerephez jut. Ebből is látszik, hogy ez egy igencsak alapvető mechanizmus, amelyet célszerű mélységeiben feltárni, megismerni” - fejtette ki Montell.

A mostani tanulmány főszereplője a ZIP7 nevű gén, amely egy azonos nevű fehérjét kódol. Korábbi munkájuk során Montell és csapata egy olyan mutációra bukkant ebben a génben, amely csökkentette a sejtek mobilitását, ez pedig felkeltette a kutatócsoport érdeklődését. A ZIP7 fehérje cink ionokat szállít a sejten belül. Ezek az ionok rendkívül ritkák a citoplazmán belül, de bőségesen előfordulnak a fehérjékben, ahol gyakran a térszerkezeti struktúra részét képezik és kémiai reakciókat katalizálnak. Montell szerint az igazán érdekes azonban az, hogy a ZIP7 konzerválódott az evolúció során a növényektől az élesztőkön át a legyeken keresztül egészen az emberi szervezetig. Ebből az következik, hogy valami igazán fundamentális, alapvető szerepe lehet, valami nagyon fontos tevékenységet végezhet.

A ZIP7 az egyetlen cink transzporter, amely az endoplazmatikus retikulumban (ER) található - ez pedig pontosan az a membránszerű struktúra, ahol a sejt a külső membránba vagy a sejtből történő kiválasztásra szánt proteineket állítja elő - fehérjéink körülbelül egyharmada itt készül. A fehérjék esetében pedig a funkciót a forma határozza meg. Nem elég, ha rendelkezésre állnak a megfelelő összetevők, egy fehérjének helyesen kell összecsukódnia, hajtogatódnia, tekerednie ahhoz, hogy megfelelően működjön. A rosszul tekeredő (misfolded) fehérjék számos betegségért és rendellenességért felelősek, ám ez a hibás térbeli hajtogatás, tekeredés egészséges sejtekben is előfordul. Szerencsére a sejtek rendelkeznek egy minőségellenőrző rendszerrel, amely ezt az eshetőséget kezeli. Ha a hiba nem túlságosan nagy, a sejt újra meg tudja próbálni a hajtogatást. Ellenkező esetben a hibás térszerkezetű molekulát egy ubikvitin nevű kis fehérjével jelöli meg, és az endoplazmatikus retikulumból újrahasznosításra küldi a citoplazmában található, proteaszómáknak nevezett struktúrákhoz. Ezek a sejt „szemétlerakói”, amelyek szó szerint apró darabokra vagdossák a fehérjét, és ezek a kisebb részek később újrahasznosíthatók.

“Ám, ha a szemétgyűjtő túlterhelődik, a sejt ER stresszt tapasztal. Erre egy egészséges sejt igen logikus választ ad: lelassítja a fehérjeszintézist (nehogy még több hulladék keletkezzen), és több proteaszómát termel, hogy a rendszer eltakaríthassa a felhalmozódott hulladékot. Ha viszont mindez nem sikerül, beindul a programozott sejthalál.

Itt jön képbe egy zseniális megfigyelés: a mostani cikk társszerzője Xiaoran Guo, Montell korábbi doktorandusza felfedezte, hogy a ZIP7 elvesztése ER stresszt okoz a gyümölcslégy petefészkében. Ezért nekilátott, hogy megállapítsa, vajon valóban ez a típusú stressz volt-e az oka annak, hogy a sejtek elvesztették a mobilitásukat. Sikerült egy másik “misfolded”, hibás térszerkezetű fehérje alkalmazásával igazolnia hipotézisét: az ER-stressz kiváltása valóban csökkentette a sejtek migrációs képességét.

Amikor Guo ezekben a sejtekben a ZIP7 felülexpresszióját idézte elő, a rosszul összecsomósodott fehérjék maradéka is eltűnt, az ER stressz megszűnt, és a sejtek visszanyerték mobilitásukat. “Annyira meglepődtem ezen az eredményen, hogy komolyan meg kellett kérdőjeleznem, vajon mindent helyesen csináltam-e a vizsgálat során” - emlékezett Guo. “Ugyanis, ha minden igaz, amit láttam, az azt jelenti, hogy a ZIP7 önmagában is nagyon potens eszköz az ER stressz megszüntetésére.”

Ráadásul volt még egy szerencsés furcsaság: a Guo által a hipotézis validálása során használt “misfolded” fehérje, a rodopszin nem tartalmazott cinket. Ez Guót arra engedte következtetni, hogy a ZIP7-nek valahol máshol kell részt vennie a lebomlási útvonalban. A mostani cikk egyik társszerzője, Morgan Mutch ezért egy gyógyszerrel blokkolta a proteaszómát a misfolded rodopszin lebontásában, és megfigyelte, hogy ez a beavatkozás meggátolta a ZIP7 jótékony hatását. Arra a következtetésre jutott, hogy a ZIP7-nek még az előtt kell hatnia valahol, valamilyen módon, még mielőtt a proteaszóma szétmarcangolná a rossz térszerkezetű fehérjét.

A kutatók ezért génszerkesztéssel négy módosított ZIP7 gént hoztak létre. Ezek közül két mutáció a fehérje cinkszállító képességét zavarta meg, míg a másik kettő ezt változatlanul hagyta. A vizsgálat során sikerült megfigyelni, hogy a cinktranszport kritikus szerepet játszik az ER stressz csökkentésében.

Ezen a ponton egy új szereplő lép be a történetbe: az Rpn11 enzim, amely a proteaszóma részét képezi. Feladata pedig, hogy mivel az ubikvitin címkével ellátott, hibás térszerkezetű fehérjék nem férnek be a proteaszómába, megkezdje azok darabolását. Az Rpn11 tehát először levágja ezeket a címkéket, majd lehetővé teszi, hogy a misfolded fehérje a proteaszóma magjába csússzon, ahol szétbontásra kerül. Az Rpn11 számára viszont a cink elengedhetetlen ahhoz, hogy katalizálni tudja az ubikvitin eltávolítását. Mutch megállapította, hogy a ZIP7 kritikus szerepet játszik az Rpn11 cinkkel való ellátásában, és ellenpróbaként blokkolta az Rpn11 enzimet - ez a vizsgálat igazolta hipotézisét.

A kutatás eredményei arra utalnak, hogy a ZIP7 felülexpresszálása számos betegség kezelésének alapját képezheti. Például a hibás térszerkezetű rodopszin okozza a retinitis pigmentosát, egy veleszületett, vakságot okozó betegséget, amely jelenleg gyógyíthatatlan. Mivel már létezik olyan gyümölcslégy törzs, amely hasonló betegséget okozó mutációval rendelkezik, ezért ezekben a legyekben a kutatók elvégezték a ZIP7 felülexpresszálását, hogy megnézzék, mi fog történni.

“Azt láttuk, hogy a beavatkozás megakadályozta a retina degenerációját és a vakságot” - összegzett Montell. A mutáns rodopszinnal rendelkező legyek mindegyikénél általában retinitis pigmentosa alakul ki, de a túlműködő ZIP7 génnel rendelkező legyek 65%-ánál a fényre normálisan reagáló szemek képződtek.

Montell laboratóriuma a ZIP7 hatását most emberi retina organoidokon teszteli - ezek a szövettenyészetek olyan mutációt hordoznak, amely retinitis pigmentosát okoz.

A mostani felfedezés azonban a retinitis pigmentosa gyógyításán is túlmutat. Ennek oka, hogy a proteaszómák kapacitása az öregedéssel csökken, ami hozzájárul az öregedés számos klasszikus jellemzőjéhez, tünetéhez, és jelentősen megnöveli az életkorral összefüggő degeneratív betegségek kialakulásának kockázatát. A ZIP7-tel kapcsolatos terápiák potenciálisan lassíthatják ezeknek a betegségeknek a kialakulását vagy progresszióját.

Írásunk az alábbi közlemények alapján készült:

Researchers reveal a new approach for treating degenerative diseases

The Zn2+ transporter ZIP7 enhances endoplasmic-reticulum-associated protein degradation and prevents neurodegeneration in Drosophila

Irodalmi hivatkozás:

Xiaoran Guo et al, The Zn2+ transporter ZIP7 enhances endoplasmic-reticulum-associated protein degradation and prevents neurodegeneration in Drosophila, Developmental Cell (2024). DOI: 10.1016/j.devcel.2024.04.003