Yeni bileşikler Alzheimer modellerinde beyin hücrelerini korumak için topaklanma enzimini hedef alıyor – kuyruk sallayan kopkek

Araştırmacılar, Alzheimer hastalığı farelerinin beyinlerinde birikerek hücrelerin enerji santrallerini hasara Umarlatan belirli bir enzim tanımladı. Bu birikmeleri önlemek veya ortadan kaldırmak için kimyasal bileşikler geliştirmek, hayvanlardaki hafıza kaybını ve beyin hücre ölümünü yattsır. Bulgular Cell Reports Medicine dergisinde yayımlandı.

Alzheimer hastalığı, beyinde yanlış katlanmış proteinlerin birikmesini içerir; en belirgin olanları beta-amiloid plakları ve tau bukalemalarıdır. Bu proteinler beyin hücre fonksiyonunu bozar ve sonunda hafıza kaybına ve bilişsel gerilemeye yol açar.

Hücre hayatta kalışında daha az bilinen bir faktör, G-proteini ile eşleşen reseptör kinaz 2 veya GRK2 olarak adlandırılan bir enzimdir. Sağlıklı hücrelerde bu enzim genellikle hücrenin ana sıvısında çalışır; burada hücre iletişimini ve stres yanıtlarını düzenlemeye yardımcı olur.

Fosforilasyon adı verilen bir süreçte belirli kimyasal bir etiketle değiştirildiğinde, GRK2 davranışını değiştirir. Hücreler için enerji üreten mikroskobik yapılar olan mitokondrilere göç edebilir.

İsviçre’deki ETH Zurich’te Joshua Abd Alla ve Ursula Quitterer liderliğinde bir araştırma ekibi, bu enzimin anormal düzenlemesinin Alzheimer hastalığında görülen beyin hasarına katkıda bulunup bulunmadığını inceledi. Mitokondri disfonksiyonu, bu durumun temel özelliklerinden biridir ve araştırmacılar değiştirilen GRK2’nin hücrelerin enerji santrallerini bozuyor olabileceğinden şüphelendi.

Ekip, önce Alzheimer benzeri belirtiler geliştiren genetiği değiştirilmiş fareların beyin dokusunu inceledi. Zaten yoğun beta-amiloid birikmesi gösteren yaşlı farelere özellikle baktılar.

Bu farelerdeki GRK2’nin büyük bir bölümünün, büyük ve işlevsiz agregalara birleştiğini buldular. Bu birikmeler, hayvanların beyin hücrelerindeki mitokondriler üzerinde yoğun şekilde konsantre olmuştu.

Araştırmacılar, muhtemelen Alzheimer nedeniyle ortaya çıkan demans hastalığı olan dört insan hastadan oluşan küçük bir çalışmanın beyin dokusu örneklerine baktıklarında, tam olarak aynı GRK2 birikme desenini gözlemlediler. Hem farelerde hem de insan örneklerinde bu enzimin birikmesi mitokondri disfonksiyonu ve artmış oksidatif stresle birlikteydi.

Araştırmacılar, beta-amiloid ve toksik tau proteinlerinin varlığının, laboratuvar modellerinde aslında GRK2’nin ilk fosforilasyonunu ve birikmesini tetiklediğini belirtti. Bu, Alzheimer’in belirgin proteinlerinin GRK2’nin birikmesine neden olarak mitokondrileri hasara Umarlatması ve bunun da sonuçta daha fazla Alzheimer proteininin birikmesini hızlandırmasıyla oluşan yıkıcı bir döngüyü işaret ediyor.

Biriken enzimin hasarı nasıl oluşturduğunu anlamak için araştırmacılar, fare beyinlerinde hangi diğer proteinlere bağlandığını inceledi. Normalde mitokondrilerin dış zarı boyunca malzemelerin taşınmasına yardımcı olan TOMM6 adlı bir proteine bağladığını keşfettik.

Araştırmacılar ardından laboratuvar kültür kaplarında GRK2 ile TOMM6 arasındaki kimyasal etkileşimi test etti. Aktif ve sağlıklı GRK2’nin genellikle TOMM6’ya kimyasal bir etiket ekleyerek onu kararlı ve işlevsel tuttuğunu gözlemledik.

Hastalı beyinlerde bulunan birikmiş ve değiştirilmiş GRK2 versiyonu inaktifti ve TOMM6’yı değiştiremedi. Bu kimyasal etiket olmadan, TOMM6 da birikmeye başladı ve mitokondri gözenekleriyle etkileşim yeteneğini kaybetti.

Bilim insanları ardından yeni fare ırkları üreterek genetik olarak GRK2 enimin farklı versiyonlarını fareların beyinlerine zorladılar. Aktif olmayan, biriken bir GRK2 versiyonu sunduklarında, fareler ciddi mitokondri hasarı, hızlı beta-amiloid birikmesi ve hızlandırılmış ölüm oranı geliştirdi.

Tersine, ekstra aktif ve sağlıklı GRK2 üreten fareler üretmek hayvanları bu belirtilere karşı korudu ve hayatta kalımlarını iyileştir. Başka bir genetik denemede araştırmacılar, birikmeden kaybedilen miktarı telafi etmek için ekstra TOMM6 üretecek fareleri mühendislikle geliştirdi.

Ekstra TOMM6 büyük beta-amiloid plaklarını azaltsa da, beklenmedik biçimde beta-amiloid’in farklı bir çözünür formunun birikmesine neden oldu. Bu çözünür birikme beyin hücreleri için oldukça toksikti ve hayvanlardaki ölüm oranını artırdı.

Sadece TOMM6 eklemenin zararlı olması nedeniyle ekip, sorunun kaynağını düzeltmek için farmakolojik bir yaklaşım denedi. GRK2’yi kararlılaştırıp onu zararlı, biriken biçimi almasını önlemek üzere tasarlanmış CPD10 adlı küçük kimyasal bir bileşik geliştirdi.

Bilgisayar modellemesi kullanarak araştırmacılar, CPD10’un tercihle sağlıklı ve fosforileşmemiş GRK2 biçimine bağladığını buldu. Bu aktif forma bağlanarak bileşik hücre dengesini değiştirir ve enzimin fosforileşip birikmesi çok daha zorlaşır.

Bileşiği, altı aylık bir dönemde yaşlanan Alzheimer farelerine uyguladılar. Bileşik başarılı biçimde beyne nüfuzladı ve enzimin mitokondrilerde birikmesini önledi.

CPD10 ile tedavi edilen fareler daha sağlıklı mitokondrilere, daha az beta-amiloid plaklarına, daha az toksik tau proteinine sahipti ve tedavi edilmeyen farelere göre daha az beyin hücre kaybı yaşadı. Su labirentinde yapılan davranışsal denemeler, tedavi edilen farelerin aynı zamanda mekânsal hafızayı da daha iyi koruduklarını gösterdi.

Araştırmacılar, mevcut birikmeleri ortadan kaldırmayı yeni olanları önlemeye tercih eden ikinci kimyasal bir stratejiyi inceledi. Hücrenin çöp temizleme sistemi olarak çalışan proteasomun aktivitesini artırmak üzere tasarlanmış başka bir molekül olan CPD57’yi sentezledi.

Hücreler doğal olarak hasarlı veya gereksiz proteinleri parçalamak için proteasomu kullanır ve toksik birikmeleri önler. CPD57 bileşiği, bu temizleme sisteminin açılışına fiziksel biç bağlanıp daha fazla atığın içeri girmesine olanak tanıyan bir kapı açıcı gibi çalışır.

Yaşlanan Alzheimer farelerini this bileşik ile 14 gün tedavi edip beyin dokularını değerlendirdiler. Bileşik hücre çöp temizleme aktivitesini artırdı ve birikmiş GRK2 ve TOMM6 proteinlerini başarılı biçimde parçladı.

Altı aylık bir dönemde verildiğinde this molekül aynı zamanda beta-amiloid plaklarının birikmesini yattsır ve hücre yaşlanmasının belirtilerini azattı. Bulgular, bu protein birikmelerinin farmakolojik açıdan çoklu açılardan hedeflenmesinin hayvan modellerinde nörolojik koruma sağlayabileceğini gösteriyor.

Bu kimyasal bileşikler farelerde umut verici sonuçlar gösterse de, Alzheimer hastalığının hayvan modellerleri insan durumunu mükemmel biçimde yansıtmaz. Bu çalışmadaki insan dokusu analizi, beyin tümörü ameliyatı sırasında elde edilen çok sınırlı sayıda beyin numunesine dayanıyordu.

Bu numuneler ölüm yerine aktif ameliyatlar sırasında alındığı için yaşayan beyinin kimyasına dair nadir bir görüntü sundular, ancak numune boyu doğası gere küçüktü. Bu belirli enzimin birikmesinin genel nüfusta ne kadar yaygın olduğunu doğrulamak için daha fazla insan hastayı içeren çalışmalar gerekli.

Biriken enzimin mitokondrilerde beyin hasarının birincil sürücüsü olup olmadığı, yoksa hücrenin başka yerlerinde dolaşan sağlıklı ve aktif GRK2’nin genel eksikliğinin gerçek suçu işleyen olup olduğu hâlâ açık bir soru. Tamamen GRK2 açlığı çiken organizmalar kullanan gelecekteki çalışmalar, hücresel bozulmanın ardındaki kesin mekanizmayı belirlemeye yardımcı olacak.