Исследователи из Университета Брауна обнаружили новые ключи к разгадке прогрессирования бокового амиотрофического склероза (БАС), удивительно распространенного заболевания, которое вызывает смерть моторных нейронов, контролирующих произвольные мышцы, такие как те, которые участвуют в ходьбе, разговоре, жевании или дыхании.
Команда под руководством Энн Харт, профессора нейробиологии из Брауна, обнаружила, что два разных типа моторных нейронов, которые умирают у пациентов, могут умирать по-разному, что является важным моментом для понимания болезни и, в конечном итоге, для поиска лекарства. Их работа была опубликована в понедельник, октябрь. 8, в журнале PLOS Genetics.
БАС характеризуется дегенерацией двигательных нейронов в позвоночнике, которые непосредственно контролируют движение мышц. Но у некоторых людей с БАС нейроны в головном мозге, которые выдают команды этим моторным нейронам спинного мозга, также умирают. Непонятно, почему у одних людей с БАС поражаются оба типа нейронов, а у других нет.
"Наши результаты повышают вероятность того, что глутаматергические нейроны в головном мозге некоторых пациентов с БАС умирают способами, которые чем-то отличаются от того, как умирают нейроны спинного мозга," сказал Харт, исследователь из Института Брауна Карни мозговых наук. "Раньше мы все предполагали, что оба типа нейронов умирают одинаково."
И последствия могут быть значительными, сказал Харт, – это первый ключ к тому, что будущие методы лечения нейронов спинного мозга могут не вылечить всех людей с БАС, потому что они не помогут затронутым нейронам в головном мозге.
Хотя во многих случаях БАС нет явного генетического компонента, около 1% людей с БАС имеют мутации в SOD1, белке, участвующем в расщеплении естественных свободных радикалов в результате окислительного стресса. Исследовательская группа Харта точно и выборочно разработала C. elegans – прозрачные черви размером с булавочную головку – так что ген SOD1 червя будет содержать мутации, подобные тем, которые обнаруживаются у этих людей с БАС.
Результаты могут объяснить, почему у одних людей поражаются только спинномозговые нейроны, а у других нейроны как в позвоночнике, так и в головном мозге умирают.
Необходимо провести дополнительные исследования, чтобы увидеть, сохранятся ли результаты, полученные на червях, в мозгу млекопитающих и приведут ли к лучшему пониманию того, почему нейроны дегенерируют у людей с БАС.
"Мы точно не можем доказать это на червях," Харт сказал, "но это открывает совершенно новый взгляд на БАС."
Специфическая гибель нейронов
Работа в лаборатории Харта по разработке новой модели БАС была долгой. Семь лет назад постдокторский исследователь Джилл Йерсак начала разработку различных мутаций БАС в червях. По словам Харта, у червей есть нейроны, очень похожие на нейроны человека, они дешевле и дают результаты быстрее, чем мыши или другие млекопитающие.
Проект выполнил аспирант Саба Баскойлу. Затем исследовательская группа Брауна провела многочисленные тесты, чтобы увидеть, как различные варианты белка SOD1 у пациентов влияют на функцию нейронов, гибель двигательных нейронов и поведение червя.
Команда Харта обнаружила, что четыре мутации гена пациента вызвали нейродегенерацию после окислительного стресса в типе нейронов, аналогичных нейронам в позвоночнике человека, вероятно, из-за повышенного накопления токсичного белка, чего не происходит с нормальным белком. Однако две мутации гена пациента также вызвали дегенерацию нейрона другого типа – подобного нейронам в мозгу человека – отчасти потому, что мутантный белок больше не функционировал правильно во время окислительного стресса.
По словам Харта, другие виды нейронов в новых моделях БАС были здоровыми даже после окислительного стресса, что очень похоже на специфичность гибели нейронов у людей с БАС. Напротив, предыдущие модели червя не были очень специфичными – почти любой нейрон червя мог быть убит терпеливой версией SOD1.
Точные модели червяков
Эти более ранние модели червей были созданы путем добавления дополнительных копий гена болезни пациента к червям, которые затем будут экспрессировать версию SOD1 пациента на высоких уровнях. Теперь, благодаря новым генетическим инструментам, таким как CRISPR / Cas9, прямое редактирование генов червей и других животных доступно и надежно. По словам Харта, это позволяет ученым создавать более точные модели по сравнению с простым добавлением дополнительных копий гена.
Целью Харт была более точная модель заболевания, которая позволила бы ее группе изучить самые ранние события БАС, используя эти инструменты, чтобы изменить одно из них "письмо" в стандарте червей "план" для белка SOD1. Черви должны иметь нормальное количество белка и не иметь дополнительных копий генов.
Команда достигла своей цели и обнаружила, что глутаматергические нейроны – аналогичные пораженным БАС нейронам в человеческом мозге – и холинергические нейроны – аналогичные спинномозговым нейронам – у червей разлагаются по разным причинам. Они проведут дополнительные исследования этих моделей червей.
"Теперь мы можем использовать эти новые модели БАС, чтобы найти другие белки и гены, которые мы можем использовать, чтобы остановить нейродегенерацию у червей," Харт сказал. Она планирует использовать модели для тестирования множества различных малых молекул на предмет потенциальных терапевтических препаратов и для поиска других генов, инактивация которых подавит нейродегенерацию. Затем сотрудники, в том числе из других лабораторий Брауна, могут протестировать эти гены на мышах или культурах клеток человека в надежде помочь людям с БАС.
"БАС сложен, вы можете понять, почему всем требуется время, чтобы понять, что происходит," Харт сказал.