Νοητική υστέρηση και λάθη στην αναδίπλωση πρωτεϊνών

Το 1992, η Judith Frydman, PhD, ανακάλυψε ένα μοριακό σύμπλεγμα με έναν ουσιαστικό σκοπό σε όλα τα κύτταρά μας: τη σωστή αναδίπλωση των πρωτεϊνών. Το σύμπλοκο αυτό, ένας τύπος «πρωτεϊνικού συνοδού» γνωστός ως TRiC, βοηθά στην αναδίπλωση χιλιάδων ανθρώπινων πρωτεϊνών: Αργότερα διαπιστώθηκε ότι περίπου το 10% όλων των πρωτεϊνών μας περνάει μέσα από τη βαρελοειδή δομή του.

Όλα τα ζώα έχουν πολλά διαφορετικά είδη πρωτεϊνικών συνοδών, καθένα από τα οποία έχει τη δική του δουλειά να βοηθά στην αναδίπλωση των πρωτεϊνών στο κύτταρο. Η TRiC συνδέεται με τις νεογέννητες πρωτεΐνες και διαμορφώνει αυτές τις σειρές αμινοξέων στις σωστές τρισδιάστατες δομές, επιτρέποντάς τους να επιτελούν τις σημαντικές λειτουργίες τους στο κύτταρο.

Η Frydman, κάτοχος της έδρας Donald Kennedy στη Σχολή Ανθρωπιστικών Επιστημών και Επιστημών και καθηγήτρια Βιολογίας και Γενετικής, συνάντησε τον Ingo Kurth, MD, παιδίατρο στο Πανεπιστήμιο RWTH Aachen, κατά τη διάρκεια ενός πρόσφατου σαββατικού ταξιδιού στη Γερμανία, ο οποίος της παρουσίασε ένα ενδιαφέρον αίνιγμα. Τρεις δεκαετίες μετά την ανακάλυψη της Frydman και πολλές περισσότερες γνώσεις σχετικά με τον μηχανισμό του TRiC αργότερα, ο παιδίατρος είχε βρει μια μετάλλαξη σε ένα από τα συστατικά του TRiC σε ένα παιδί με νοητική υστέρηση, επιληπτικές κρίσεις και εγκεφαλικές δυσμορφίες.

Θα μπορούσε η μετάλλαξη TRiC να είναι υπεύθυνη για τα συμπτώματα του παιδιού; Αν και οι δυσλειτουργίες του συμπλέγματος συνδέονται με τον καρκίνο και τη νόσο του Αλτσχάιμερ, οι γεννητικές μεταλλάξεις – μεταλλάξεις που υπάρχουν σε όλα τα κύτταρα ενός οργανισμού – στην TRiC δεν είχαν ποτέ ενοχοποιηθεί για αναπτυξιακή νόσο. Επειδή οι πρωτεΐνες πρέπει να διπλώνονται σωστά για να λειτουργούν σωστά και επειδή η TRiC εμπλέκεται στη διαμόρφωση τόσων πολλών πρωτεϊνών, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι οποιαδήποτε μετάλλαξη που μεταβάλλει την ικανότητα της TRiC να διπλώνει τις πρωτεΐνες θα ήταν θανατηφόρα.

Η Frydman και η ομάδα του εργαστηρίου της δημιούργησαν μια συνεργασία με τους ερευνητές του Πανεπιστημίου RWTH Aachen για να μάθουν περισσότερα. Μαζί με συνεργάτες από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις του Μιζούρι, η ομάδα διερεύνησε πώς η μετάλλαξη αυτού του ασθενούς, η οποία βρίσκεται σε ένα γονίδιο γνωστό ως CCT3, επηρεάζει τη λειτουργία της TRiC σε στρογγυλά σκουλήκια, ζύμες αρτοποιίας και ψάρια ζέβρα. Παράλληλα, οι παιδίατροι χτένισαν μια γενετική βάση δεδομένων ασθενών με διανοητικές αναπηρίες και νευροαναπτυξιακά ελαττώματα παρόμοια με εκείνα του αρχικού ασθενούς. Βρήκαν άλλες 21 περιπτώσεις ασθενών με παρόμοια συμπτώματα, αν και διαφορετικής σοβαρότητας, με μεταλλάξεις σε επτά από τα οκτώ συστατικά της TRiC. Το εργαστήριο της Frydman έδειξε ότι και οι 21 πρόσθετες μεταλλάξεις βλάπτουν τη λειτουργία της TRiC, συνδέοντας αιτιωδώς τα ελαττώματα της TRiC με τις εγκεφαλικές διαταραχές

Οι ερευνητές ονόμασαν αυτή τη νέα κατηγορία νευρολογικών ασθενειών «TRiCopathies» και περιγράφουν τα ευρήματά τους σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στις 31 Οκτωβρίου στο Science. Η ομάδα βρήκε έκτοτε έναν επιπλέον ασθενή με μεταλλάξεις στην όγδοη υπομονάδα TRiC.

«Αυτό ανοίγει έναν εντελώς νέο τρόπο σκέψης σχετικά με τον ρόλο των συνοδών στην ανάπτυξη του εγκεφάλου», δήλωσε η Frydman, η οποία είναι μία από τις κύριες συγγραφείς της μελέτης.

Όλοι οι ασθενείς που εντόπισαν οι ερευνητές έχουν ένα υγιές αντίγραφο του γονιδίου του συμπλέγματος TRiC εκτός από τη μεταλλαγμένη εκδοχή. Αυτό ταιριάζει με τη σημασία του συνοδού – δύο μεταλλαγμένα αντίγραφα οποιουδήποτε από αυτά τα γονίδια θα ήταν πιθανότατα θανατηφόρα. Αν και ορισμένοι από τους ασθενείς έχουν επίσης μυϊκές ανεπάρκειες, είναι ενδιαφέρον ότι η κύρια επίδραση αυτών των μεταλλάξεων φαίνεται να είναι νευρολογική, δήλωσε η Frydman. Αυτό θα μπορούσε να υποδηλώνει έναν σημαντικό ρόλο αυτού του συνοδού στην ανάπτυξη του εγκεφάλου.

Με την πάροδο των ετών, το εργαστήριό της ανέπτυξε μεθόδους για τη μελέτη του συμπλόκου σε κύτταρα ζύμης καθώς και σε απομονωμένα σε δοκιμαστικούς σωλήνες. Η ερευνήτρια Piere Rodriguez-Aliaga, PhD, πρώτη συγγραφέας της μελέτης, έκανε μεταλλάξεις στις εκδόσεις των γονιδίων TRiC στη ζύμη που αντιστοιχούσαν στις 22 μεταλλάξεις στον άνθρωπο που συνδέονται με την ασθένεια. Διαπίστωσε ότι ορισμένες από αυτές τις μεταλλάξεις οδηγούσαν σε θάνατο των κυττάρων, αλλά ορισμένες όχι, γεγονός που υποδηλώνει ότι οι διαφορετικές μεταλλάξεις έχουν διαφορετικά αποτελέσματα ανάλογα με τη θέση των μεταλλάξεων αυτών στο σύμπλεγμα TRiC, γεγονός που μπορεί να εξηγήσει την ποικιλομορφία των συμπτωμάτων που παρατηρούνται στους ασθενείς.

Άλλοι ερευνητές της συνεργασίας πραγματοποίησαν παρόμοιες μεταλλάξεις σε σκουλήκια και ψάρια ζέβρα για να μελετήσουν πώς οι μεταλλάξεις επηρέασαν τα πολυκύτταρα ζώα και, στην περίπτωση του ψαριού ζέβρα, την ανάπτυξη του εγκεφάλου.

Και στους τρεις οργανισμούς, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ύπαρξη μόνο της μεταλλαγμένης έκδοσης CCT3, του γονιδίου TRiC, ήταν θανατηφόρα. Στα σκουλήκια και στα ψάρια ζέβρα, τα οποία, όπως και εμείς, έχουν δύο αντίγραφα όλων των γονιδίων τους, τα ζώα με ένα μεταλλαγμένο αντίγραφο και ένα υγιές αντίγραφο επιβίωναν, αλλά η μεταλλαγμένη έκδοση προκαλούσε αναπτυξιακά προβλήματα. Τα ψάρια-ζέβρες με ένα μεταλλαγμένο CCT3 παρουσίασαν ελαττώματα στην ανάπτυξη του εγκεφάλου παρόμοια με αυτά που παρατηρούνται στους ανθρώπινους ασθενείς και τα σκουλήκια με το μεταλλαγμένο γονίδιο είχαν προβλήματα με την κίνηση.

Αν και δεν είναι σαφές ποια ή ποιες κακοδιπλωμένες πρωτεΐνες μπορεί να προκαλούν τα νευρολογικά συμπτώματα, οι ερευνητές υποψιάζονται ότι εμπλέκονται δομικές πρωτεΐνες γνωστές ως ακτίνη και τουμπουλίνη. Αυτές οι πρωτεΐνες είναι σημαντικές για την κίνηση και την εσωτερική σταθερότητα των κυττάρων και είναι γνωστό ότι διπλώνονται από το TRiC. Τα σκουλήκια που έφεραν μεταλλάξεις TRiC είχαν μικροσκοπικά συσσωματώματα ακτίνης που δεν υπήρχαν στα υγιή ζώα, ένα φαινόμενο που συμβαίνει συχνά με τις κακώς διπλωμένες πρωτεΐνες. Επηρεάστηκαν επίσης τα οργανίδια που απαιτούνται για την ενέργεια και ονομάζονται μιτοχόνδρια, τα οποία αποτελούν κλειδί για τη λειτουργία των νευρώνων.

Οι Frydman και Rodriguez-Aliaga σχεδιάζουν να μελετήσουν λεπτομερέστερα τον μηχανισμό των μεταλλάξεων που συνδέονται με την ασθένεια, διερευνώντας πώς επηρεάζουν την ικανότητα του TRiC να διπλώνει τις πρωτεΐνες, χρησιμοποιώντας μεθόδους που έχουν καθιερώσει στο εργαστήριό τους για τη μελέτη της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών. Θέλουν επίσης να χρησιμοποιήσουν κύτταρα προερχόμενα από ασθενείς που μπορούν να αναπτύξουν σε νευρώνες ή εγκεφαλικά οργανοειδή στο εργαστήριο για να δουν πώς οι μεταλλάξεις επηρεάζουν τα ανθρώπινα εγκεφαλικά κύτταρα.

«Αυτή η εργασία είναι ένα ωραίο παράδειγμα της σύνδεσης της βασικής Επιστήμης με την Ιατρική», δήλωσε ο Rodriguez-Aliaga. «Η μελέτη δεν θα ήταν δυνατή χωρίς όλα αυτά τα χρόνια βιοχημείας και βιοφυσικής που έγιναν στην TRiC από το 1992».

[via]