Opierając się na ponad dwóch dekadach badań, badanie przeprowadzone przez neuronaukowców z MIT w The Picower Institute for Learning and Memory donosi o nowym sposobie leczenia patologii i objawów zespołu łamliwego X, najczęstszego genetycznie spowodowanego zaburzenia ze spektrum autyzmu. Zespół wykazał, że wzmocnienie nowego rodzaju sygnalizacji neuroprzekaźników zmniejszyło cechy charakterystyczne łamliwego X w mysich modelach tego zaburzenia.
Nowe podejście opisane w Cell Reports działa poprzez celowanie w konkretną podjednostkę molekularną receptorów „NMDA”, która odgrywa kluczową rolę w tym, jak neurony syntetyzują białka regulujące ich połączenia lub „synapsy” z innymi neuronami w obwodach mózgowych. Naukowcy wykazali, że u myszy z łamliwym chromosomem X zwiększenie aktywności receptora spowodowało, że neurony w regionie hipokampa mózgu zwiększyły sygnalizację molekularną, która tłumiła nadmierną syntezę białek, prowadząc do innych kluczowych ulepszeń.
Ustawianie stołu
„Jedną z rzeczy, które uważam za najbardziej satysfakcjonujące w tym badaniu, jest to, że elementy układanki tak dobrze pasują do tego, co było wcześniej” – powiedział starszy autor badania Mark Bear, profesor Picower na Wydziale Mózgu i Nauk Poznawczych MIT. Była postdoc Stephanie Barnes, obecnie wykładowca na Uniwersytecie w Glasgow, jest głównym autorem badania.
Laboratorium Beara bada, w jaki sposób neurony nieustannie edytują swoje połączenia obwodowe, proces zwany „plastycznością synaptyczną”, który zdaniem naukowców leży u podstaw zdolności mózgu do adaptacji do doświadczeń oraz tworzenia i przetwarzania wspomnień. Badania te doprowadziły do dwóch odkryć, które przygotowały grunt pod nowo opublikowaną pracę. W 2011 roku laboratorium Beara wykazało, że łamliwy X i inne zaburzenie autystyczne, stwardnienie guzowate (Tsc), reprezentują dwa końce kontinuum pewnego rodzaju syntezy białek w tych samych neuronach. W łamliwym X było go za dużo. W Tsc było za mało. Kiedy członkowie laboratorium krzyżowali myszy z łamliwym chromosomem X i Tsc, ich potomstwo okazało się zdrowe, ponieważ mutacje każdego z zaburzeń zasadniczo znosiły się nawzajem.
Niedawno laboratorium Beara wykazało inną dychotomię. Od dawna wiadomo, że przepływ jonów wapnia przez receptor NMDA może wywołać formę plastyczności synaptycznej zwaną „długotrwałą depresją” (LTD). Ale w 2020 roku odkryli, że inny sposób sygnalizacji przez receptor – taki, który nie wymagał przepływu jonów – zmieniał syntezę białek w neuronie i powodował fizyczne kurczenie się dendrytycznych struktur „kręgosłupa” obejmujących synapsy.
Dla Beara i Barnesa badania te dały nadzieję, że jeśli uda im się ustalić, w jaki sposób receptory NMDA wpływają na syntezę białek, mogą zidentyfikować nowy mechanizm, którym można manipulować terapeutycznie w celu rozwiązania patologii i objawów łamliwego X (i być może stwardnienia guzowatego). Byłby to ważny postęp, który uzupełniłby trwające prace laboratorium Beara nad skorygowaniem poziomu syntezy białek łamliwego chromosomu X za pośrednictwem innego receptora o nazwie mGluR5.
Dysekcja receptora
W nowym badaniu zespół Beara i Barnesa postanowił wykorzystać niejonowy wpływ na kurczenie się kręgosłupa jako odczyt do zbadania, w jaki sposób NMDAR sygnalizują syntezę białek dla plastyczności synaptycznej w neuronach hipokampa. Postawili hipotezę, że dychotomia efektów jonowych na funkcję synaptyczną i niejonowych efektów na strukturę kręgosłupa może wynikać z obecności dwóch różnych składników receptorów NMDAR: „podjednostek” zwanych GluN2A i GluN2B. Aby to sprawdzić, zastosowali manipulacje genetyczne w celu wyeliminowania każdej z podjednostek. Kiedy to zrobili, odkryli, że wybicie „2A” lub „2B” może wyeliminować LTD, ale tylko wybicie 2B wpłynęło na rozmiar kręgosłupa. Dalsze eksperymenty wyjaśniły, że 2A i 2B są wymagane do LTD, ale kurczenie się kręgosłupa zależy wyłącznie od podjednostki 2B.
Kolejnym zadaniem było ustalenie, w jaki sposób podjednostka 2B sygnalizuje kurczenie się kręgosłupa. Obiecującą możliwością była część podjednostki zwana „domeną karboksyterminalną” lub CTD. Tak więc w nowym eksperymencie Bear i Barnes wykorzystali mysz, która została genetycznie zmodyfikowana przez naukowców z Uniwersytetu w Edynburgu, tak aby CTD 2A i 2B mogły zostać zamienione ze sobą. Znamiennym rezultatem było to, że gdy podjednostce 2B brakowało właściwej CTD, wpływ na strukturę kręgosłupa zanikał. Wynik ten potwierdził, że podjednostka 2B sygnalizuje kurczenie się kręgosłupa poprzez swoją CTD.
Inną konsekwencją zastąpienia CTD podjednostki 2B był wzrost syntezy białek luzem, który przypominał odkrycia w łamliwym X. I odwrotnie, zwiększenie niejonowej sygnalizacji przez podjednostkę 2B tłumiło syntezę białek luzem, przypominając Tsc.
Leczenie łamliwego X
Łącząc te elementy w całość, odkrycia wskazywały, że wzmocnienie sygnalizacji przez podjednostkę 2B może, podobnie jak wprowadzenie mutacji powodującej Tsc, uratować aspekty łamliwego X.
Rzeczywiście, gdy naukowcy zamienili podjednostkę 2B CTD receptora NMDA u myszy z łamliwym X, stwierdzili korektę nie tylko nadmiernej syntezy białek, ale także zmienionej plastyczności synaptycznej i zwiększonej pobudliwości elektrycznej, które są cechami charakterystycznymi choroby. Aby sprawdzić, czy leczenie ukierunkowane na receptory NMDA może być skuteczne w przypadku łamliwego X, wypróbowali eksperymentalny lek o nazwie Glyx-13. Lek ten wiąże się z podjednostką 2B receptorów NMDA w celu wzmocnienia sygnalizacji. Naukowcy odkryli, że leczenie to może również normalizować syntezę białek i zmniejszać drgawki wywołane dźwiękiem u myszy z łamliwym chromosomem X.
Zespół postawił hipotezę, opartą na innym wcześniejszym badaniu laboratoryjnym, że korzystny wpływ sygnalizacji CTD podjednostki 2B na myszy z łamliwym chromosomem X polega na przesunięciu równowagi syntezy białek ze zbyt wydajnej translacji krótkich informacyjnych RNA (co prowadzi do nadmiernej masowej syntezy białek) w kierunku niższej wydajności translacji dłuższych informacyjnych RNA.
Bear powiedział, że nie wie, jakie są perspektywy dla Glyx-13 jako leku klinicznego, ale zauważył, że istnieją pewne leki w fazie rozwoju klinicznego, które są specyficznie ukierunkowane na podjednostkę 2B receptorów NMDA.
