Исследователи Медицинской школы Стэнфордского университета обнаружили внутриклеточный дефект, который, по их мнению, является общим для всех форм болезни Паркинсона.
Этот дефект, который предшествует гибели группы нервных клеток, потеря которых является признаком этого состояния, играет решающую роль в запуске этого отмирания.
"Мы обнаружили молекулярный биомаркер, который характеризует не только семейные случаи болезни Паркинсона, в которых предрасположенность к заболеванию явно передается по наследству, но также и гораздо более распространенные спорадические формы этого заболевания, генетический вклад которых либо отсутствует, либо еще не обнаружен," сказал Синнань Ван, доктор медицинских наук, доцент кафедры нейрохирургии.
Дефект, описанный в исследовании, которое будет опубликовано в сети в сентябре. 8 в Cell Stem Cell, делает клетки неспособными быстро демонтировать свои внутренние блоки питания, называемые митохондриями, когда они изнашиваются, перестают подавать энергию и вместо этого начинают извергать загрязняющие вещества. Это открытие может привести не только к более точным, но и гораздо более ранним диагнозам болезни Паркинсона, а также может указать на совершенно новые фармакологические подходы к ее лечению, сказал Ван, старший автор исследования. Ведущий автор – докторант Чун-Хан Се, доктор философии.
Второе по значимости нейродегенеративное расстройство после болезни Альцгеймера, болезнь Паркинсона поражает каждого 60-70 американцев в возрасте 65 лет и старше. В то время как 5-10 процентов всех случаев являются семейными, подавляющее большинство – спорадические.
Преобладающая мутация при болезни Паркинсона
Наиболее частые генетические мутации, ответственные за семейную болезнь Паркинсона, происходят в различных точках гена, кодирующего белок под названием LRRK2. Известно несколько таких мутаций, но генетические тесты показывают, что мутация, известная как LRRK2G2019S, является наиболее распространенной, обнаруживаясь в 1 из 20 семейных случаев и в 1 из каждых 50 явно спорадических случаев среди кавказцев. Любопытно, что LRRK2G2019S обнаруживается в 40 процентах семейных случаев болезни Паркинсона и 13 процентах спорадических случаев среди евреев-ашкенази; показатели для североафриканских берберов составляют 39 и 40 процентов соответственно.
До сих пор никто не мог четко объяснить связь LRRK2 с болезнью Паркинсона. В обширной серии экспериментов с клетками, выращенными у пациентов с болезнью Паркинсона и здоровых субъектов, Ван и ее коллеги раскрыли эту загадку.
Митохондрии превращают жиры и сахара в другие молекулы, которые переносят энергию туда, где она необходима клетке. Одна нервная клетка может содержать сотни или даже тысячи митохондрий. Огромный запас энергии особенно важен для группы нервных клеток среднего мозга, непрерывная активность которых регулирует наши произвольные движения: эти клетки постоянно производят и выделяют вещество, называемое дофамином (их называют "дофаминергический"), и каждый из них рассылает многочисленные дальние, вырабатывающие дофамин клеточные расширения в другие части мозга. Неспособность этих продуцирующих дофамин нервных клеток среднего мозга вызывает классические симптомы болезни Паркинсона: тремор, скованность, затруднения при инициировании и поддержании произвольных движений, а иногда и когнитивные трудности.
До сих пор вопрос о том, что вызывает гибель этих дофаминергических нервных клеток у пациентов с болезнью Паркинсона, вызывал множество весьма неопределенных догадок, подкрепленных небольшими твердыми доказательствами. Эта неопределенность ограничивает возможности практикующих врачей диагностировать болезнь Паркинсона на ранних стадиях и препятствует попыткам разработчиков лекарств найти эффективные методы лечения.
Неисправные митохондрии похожи на старые дранды: их топливная эффективность гниет, и они выбрасывают тонны токсичных выхлопов в виде коррозионных химикатов, называемых свободными радикалами. Но, как показали стэнфордские ученые, прежде чем дефектные митохондрии могут быть выведены из эксплуатации, они должны быть сначала отделены от цитоскелета, сети молекулярных нитей и канальцев, которая охватывает и формирует большую часть наших клеток. Только после отделения митохондрий клетка может их разрушить. Но этого не может произойти, как выяснили ученые, до тех пор, пока не будет разорван белок под названием Миро, который прикрепляет митохондрии к цитоскелету.
Удаление Миро
Исследователи обнаружили, что удаление Миро может произойти только после того, как LRRK2 образует комплекс с Миро. Дефектный LRRK2 нарушает формирование этого комплекса, что приводит к значительным задержкам в удалении Миро.
В ходе исследования Ван и ее сотрудники получили 20 различных линий культивированных фибробластов из кожи человека: четыре – от здоровых субъектов; пять от явно спорадических пациентов с болезнью Паркинсона; шесть от семейных пациентов с мутациями LRRK2, включая печально известный LRRK2G2019S; и пять от семейных пациентов с другими мутациями.
Через шесть часов после биохимического индуцирования митохондриального повреждения в этих клетках ученые взломали некоторые из них, чтобы увидеть признаки деградации Миро. Через 14 часов после биохимической атаки они вскрыли больше клеток, чтобы контролировать распад митохондрий. Во всех четырех линиях культивированных фибробластов здоровых людей это именно то, что они наблюдали. Но, к их удивлению, отслоение и распад митохондрий были существенно задержаны во всех 16 клеточных линиях, представляющих случаи болезни Паркинсона.
Копнув глубже, ученые использовали передовые методы для создания нервных клеток, обогащенных дофаминергической активностью, из нескольких линий кожных фибробластов.
Затем они использовали различные методы, от получения изображений в реальном времени с помощью микроскопических камер до биохимических манипуляций, чтобы показать, что поврежденные митохондрии в дофаминергических нервных клетках, образованные из фибробластов здоровых людей, быстро приводят к разрушению этих митохондрий. Но в дофаминергических нервных клетках, полученных из клеток пациентов с болезнью Паркинсона, мутантной по LRRK2G2019S, этот процесс и ключевые этапы, ведущие к нему, были существенно задержаны.
Свободные радикалы
Когда исследователи биохимически индуцировали чрезмерную выработку свободных радикалов в нервных клетках, те от каждого пациента с болезнью Паркинсона, отобранные как семейные, так и спорадические, умерли в гораздо большем количестве, чем эквивалентные клетки, полученные от здоровых пациентов.
"Здоровые клетки могут справляться с более высокими концентрациями свободных радикалов," Ван сказал. "Но клетки Паркинсона были более склонны к умиранию в этих условиях, которые могут возникать в энергоемких нервных клетках среднего мозга, продуцирующих дофамин, которые дегенерируют при болезни Паркинсона."
Примечательно, что ученые обнаружили, что они могут предотвратить задержку в разборке поврежденных митохондрий нервными клетками, вызванными болезнью Паркинсона, а также предотвратить преждевременную смерть этих клеток перед лицом натиска свободных радикалов. Они выполнили биохимический трюк, снизив уровень Миро в клетках. Сокращения было недостаточно, чтобы вытеснить здоровые митохондрии из цитоскелета, но оно уменьшило интенсивность их прикрепления ближе к точке, в которой могло произойти отслоение. Когда ученые затем химически индуцировали повреждение митохондрий, в нервных клетках, полученных от здоровых людей, не происходило увеличения митохондриального падения или деградации. Но в эквивалентных нервных клетках LRRK2G2019S ранее наблюдаемые задержки в значительной степени исчезли – и гораздо меньше этих клеток погибло. Снижение концентрации Miro в этих клетках компенсировало их нарушение Miro-измельчения.
В модели плодовой мухи LRRK2, связанной с затруднениями передвижения Паркинсона (хороших моделей грызунов для этого аспекта болезни Паркинсона не существует), снижение уровней Миро привело к восстановлению заметно сниженной способности личинок ползать и полностью устранить дефицит в лазании и прыжках. способности взрослых мух.
Команда Вана также доказала, что LRRK2 задействован в участках митохондриального стресса. Они считают, что множество различных внутриклеточных проблем может способствовать отказу даже совершенно нормального комплекса LRRK2 с Миро, и что результирующая неспособность Миро ослабить хватку может быть надежным ранним биомаркером – и, возможно, решающим причинным событием – болезни Паркинсона.
"Существующие лекарства от болезни Паркинсона в основном работают, поставляя прекурсоры, которые неработающие дофаминергические нервные клетки могут легко преобразовать в дофамин," Ван сказал. "Но это не мешает этим клеткам умирать, и как только они умерли, вы не сможете их вернуть. Измерение уровней Миро в фибробластах кожи людей с риском болезни Паркинсона может когда-нибудь оказаться полезным для получения точной и ранней диагностики. А лекарства, снижающие уровень Миро, могут оказаться полезными при лечении болезни."
Работа является примером внимания Стэнфордской медицины к точному здоровью, цель которого – предвидеть и предотвращать заболевание у здоровых, а также точно диагностировать и лечить болезнь у больных.