Międzynarodowy zespół naukowców współkierowany przez dr hab. Annę Malik, prof. ucz., z Wydziału Biologii Uniwersytetu Warszawskiego, ustalił, że nieudana reakcja astrocytów na stres wywołany amyloidem-beta – fragmentem białka odkładającym się między komórkami nerwowymi – może uruchamiać proces prowadzący do rozwoju dwóch kluczowych cech choroby Alzheimera: patologii amyloidu i białka tau. Amyloid zaburza komunikację między neuronami, a patologiczne tau niszczy ich wewnętrzną strukturę. Mechanizm ten działa za pośrednictwem dotychczas rzadziej badanego enzymu, delta-sekretazy. Ale co to właściwie znaczy?
Toksyczny duet – amyloid-beta oraz białko tau
Choroba Alzheimera prowadzi do utraty pamięci i funkcji poznawczych, to najczęstsza przyczyna otępienia u osób starszych. Szacuje się, że na świecie zmaga się z nią około 50 milionów ludzi, a w Polsce – blisko pół miliona*. Wraz ze starzeniem się populacji liczba chorych będzie szybko rosła, prognozuje się, że do 2050 roku może być nawet trzykrotnie większa.
Choć schorzenie najczęściej rozwija się po 65. roku życia, zdarzają się przypadki osób młodszych. Jednak ryzyko rośnie z wiekiem: po 65. roku życia choroba dotyczy około 14% osób, a w grupie osiemdziesięciolatków – już około 40%.
Alzheimer prowadzi do zaburzeń funkcji mózgu wynikających ze stopniowej śmierci neuronów. U podstawy choroby leżą dwa rodzaje białek: amyloid-beta i białko tau. Amyloid-beta (Amyloid-β, Aβ) jest krótkim fragmentem białka (peptydem), który w zdrowym mózgu pełni kilka funkcji, m.in. wspiera komunikację między neuronami i uczestniczy w procesach naprawczych. Ale w normalnych warunkach organizm usuwa go na bieżąco, aby nie gromadził się w nadmiarze.
W chorobie Alzheimera ten mechanizm zawodzi, a amyloid-beta zaczyna odkładać się między komórkami nerwowymi, tworząc początkowo oligomery, agregaty składające się z kilku cząsteczek, a następnie tzw. płytki starcze – blaszki amyloidowe. Są one jedną z głównych cech charakterystycznych schorzenia i przyczyniają się do zaburzeń funkcjonowania neuronów.
– Amyloid-beta jest uważany za bardzo ważny czynnik sprzyjający rozwojowi choroby poprzez to, że odkłada się on w mózgu w postaci oligomerów, a w końcu charakterystycznych złogów, które są toksyczne dla neuronów. Uważa się, że właśnie ta toksyczność amyloidu-beta w jakimś stopniu przyczynia się do śmierci neuronów i rozwoju choroby Alzheimera, która objawia się przede wszystkim różnego rodzaju zaburzeniami funkcji mózgu, wynikającymi bezpośrednio z faktu, że tych neuronów nie ma – wyjaśnia prof. Malik.
Natomiast białko tau w zdrowych neuronach pełni rolę stabilizacyjną dla ich wewnętrznego szkieletu (mikrotubul), niezbędnego do transportu substancji odżywczych. W chorobie Alzheimera dochodzi do procesu zwanego hiperfosforylacją, czyli przyłączania do białka tau zbyt wielu grup fosforanowych. Sprawia to, że białko zmienia kształt, odłącza się od mikrotubul i zaczyna tworzyć wewnątrz neuronów nierozpuszczalne skupiska zwane splątkami neurofibrylarnymi. Patologia ta, określana mianem tauopatii, prowadzi do rozpadu systemu transportowego neuronu i śmierci komórki.
Kluczową cechą wskazującą na chorobę Alzheimera u pacjentów jest współwystępowanie w mózgu zarówno płytek amyloidowych, jak i splątków białka tau. Ten toksyczny duet prowadzi do kaskady zdarzeń, która niszczy neurony na masową skalę. Mózg posiada komórki, które mają za zadanie chronić przed takimi zagrożeniami, ale w obliczu zmasowanego ataku mogą one ulec przeciążeniu.
Cisi bohaterowie – astrocyty
Astrocyty to komórki glejowe. W przeciwieństwie do neuronów nie przewodzą impulsów elektrycznych, natomiast pełnią rolę kluczowych jednostek wspierających. Astrocyty dbają o prawidłowe funkcjonowanie neuronów, a więc utrzymanie zdrowia mózgu: regulują skład chemiczny otoczenia, usuwają odpady i wspomagają procesy naprawcze. Gdy pojawiają się, np. stany zapalne, astrocyty chronią neurony przed śmiertelnym uszkodzeniem. W reakcji na powstające oligomery i złogi amyloidu-beta współpracują z mikroglejem – komórkami odpornościowymi mózgu. Razem próbują usuwać toksyczne złogi w procesie fagocytozy, czyli pochłaniania i degradowania niebezpiecznych cząstek.
– Te dwa rodzaje komórek, mikroglej i astrocyty, reagują na beta-amyloid w taki sposób, że próbują go usuwać, to znaczy pochłaniają go. I o ile mikroglej całkiem dobrze sobie z tym radzi, bo to są komórki wyspecjalizowane w fagocytozie, czyli w pochłanianiu takich zewnętrznych resztek komórkowych, to astrocyty, choć również potrafią pochłaniać amyloid, to jednak nie są w stanie go skutecznie rozłożyć – opowiada prof. Malik.
Astrocyty nie radzą sobie tak dobrze z amyloidem-beta jak mikroglej. Zamiast go usuwać, mają tendencję do jego gromadzenia w swoim wnętrzu. Powoduje to toksyczne przeciążenie – zaburza działanie lizosomów (komórkowych „oczyszczalni”), zakłóca gospodarkę energetyczną i wywołuje chroniczny stres. Gromadzenie amyloidu-beta upośledza działanie astrocytów, prowadząc do ich nadmiernej aktywacji, a w konsekwencji do śmierci.
Tarcza astrocytów – receptor SORCS2
Astrocyty mają obrońcę o nazwie SORCS2. To białko receptorowe, które pełni rolę ochronną w odpowiedzi na stres komórkowy. Stało się też ono centralnym punktem badań.
Naukowcy skupili się na tym białku, ponieważ wiadomo, że jest zaangażowane w reakcje obronne komórek na stres. Postawili następującą hipotezę: brak SORCS2 może uczynić astrocyty nadmiernie wrażliwymi na stres wywołany przez amyloid-beta, co w konsekwencji przyspiesza rozwój patologii typowych dla choroby Alzheimera. W tym ujęciu SORCS2 działa jak tarcza, która pomaga astrocytom w radzeniu sobie ze szkodliwymi bodźcami, takimi jak amyloid-beta.
W celu sprawdzenia swojej hipotezy, badacze najpierw zbadali w warunkach laboratoryjnych, co dzieje się z astrocytami pozbawionymi SORCS2, gdy zostaną wystawione na działanie amyloidu-beta.
Okazało się, że astrocyty bez tarczy SORCS2 nie tylko pochłaniają znacznie więcej toksycznego amyloidu, lecz także nie są w stanie skutecznie go usunąć. Prowadzi to do wewnętrznego przeciążenia, uszkodzenia, a ostatecznie śmierci. Takie rezultaty zaobserwowano w badaniach in vitro – prowadzonych poza organizmem, w probówkach i na szalkach. Co się jednak stanie, gdy awaria komórek ma miejsce nie „w szkle”, ale w żywym organizmie?
Jak bada się chorobę Alzheimera
Nie można eksperymentalnie wywołać ani nasilić choroby Alzheimera u człowieka – wyłączyć genu kodującego białko SORCS2 u żyjącej osoby, wprowadzić mutacji prowadzącej do nadprodukcji amyloidu i obserwować postępów choroby – tego, co się dzieje w mózgu – pod mikroskopem. Aby zrozumieć schorzenie, które dotyka całego układu nerwowego, potrzebny jest… cały układ nerwowy. Dlatego naukowcy korzystają z modeli zwierzęcych, które pozwalają badać i poznawać przyczyny oraz mechanizmy choroby.
– W badaniach nad chorobą Alzheimera stosuje się różne modele mysie, które bazują na wiedzy o mutacjach występujących u ludzi, sprzyjających rozwojowi choroby Alzheimera. Mogą to być agresywne modele, w których bardzo szybko postępuje proces patologiczny. Natomiast my stosowaliśmy model, który nie jest bardzo agresywny, to znaczy myszy powoli rozwijały dosyć subtelne zmiany. Uważam to za zaletę, ponieważ u ludzi również nie jest tak, że, z wyjątkiem agresywnych form dziedzicznych, nagle, w wieku lat 40 zapadamy na chorobę Alzheimera. Te procesy rzeczywiście trwają bardzo długo i ujawniają swój patologiczny potencjał, kiedy już w pełni rozwinęły się zmiany – mówi prof. Anna Malik.
Aby sprawdzić, czy SORCS2 może chronić astrocyty przed przeciążeniem amyloidem, naukowcy stworzyli specjalny model myszy. Wprowadzili do ich genomu gen kodujący ludzkie białko APP, z którego powstaje amyloid-beta (dzięki czemu myszy mogły wytwarzać ten peptyd w zwiększonych ilościach) oraz pozbawili zwierzęta ochronnego genu kodującego białko SORCS2. Tak przygotowane zwierzęta pozwoliły badaczom obserwować długoterminowe, ogólnomózgowe skutki niewydolności astrocytów.
Wyniki okazały się zaskakujące – myszy pozbawione SORCS2 rozwijały masywną, zależną od wieku akumulację obu patologicznych białek, zarówno blaszek amyloidowych, jak i hiperfosforylowanego białka tau. Z czasem w ich mózgach pojawiały się coraz silniejsze zmiany przypominające te, które obserwuje się w chorobie Alzheimera. Poziom toksycznego amyloidu-beta u czterdziestotygodniowych myszy przekroczony został trzydziestokrotnie!
Nasilenie patologii wynikało z faktu, że brak SORCS2 uniemożliwił astrocytom skuteczną obronę. To białko receptorowe chroni astrocyty przed negatywnymi skutkami obecności amyloidu-beta. Gdy go brakuje, mechanizmy ochronne przestają funkcjonować. Astrocyty stają się wyczerpane, a to prowadzi do masowej astrogliozy – reakcji, w której komórki nadmiernie się aktywują, co prowadzi do rozwoju stanu zapalnego i śmierci komórek.
– W naszych badaniach zaobserwowaliśmy, że astrocyty, które pozbawione są białka SORCS2 pochłaniają więcej amyloidu, co wyzwala niekorzystną reakcję, ponieważ go akumulują. Prowadzi to do szeregu zmian prowadzących do śmierci astrocytów, ich nadmiernej aktywacji i rozwoju bardzo nasilonej reakcji zapalnej, która w efekcie sprzężenia zwrotnego wywołuje jeszcze bardziej nasiloną produkcję beta-amyloidu – tłumaczy badaczka.
Znaczenie tych odkryć jest ogromne: awaria astrocytów prowadzi nie tylko do akumulacji amyloidu-beta i patologicznych form białka tau, lecz także do rozległego stanu zapalnego i śmierci samych astrocytów, co tworzy błędne koło napędzające chorobę.
Zdjęcia mikroskopowe skrawków mózgu myszy „alzheimerowych” produkujących białko SorCS2 (po lewej) i pozbawionych białka SorCS2 (po prawej). Na zielono wyznakowano mikroglej, na czerwono – aktywowane astrocyty. Jądra komórkowe są wybarwione na niebiesko. Zdjęcie przedstawia fragment hipokampa (rejon mózgu). Źródło: Wydział Biologii UW
SORCS2 jak barometr
Co ciekawe, choć brak tarczy w postaci białka SORCS2 w badaniu eksperymentalnym wywołał patologię, to u pacjentów z chorobą Alzheimera poziom ekspresji genu SORCS2 w mózgu jest zwiększony w porównaniu do osób zdrowych. Naukowcy uważają, że to reakcja obronna organizmu, próbującego powstrzymać rozwój choroby. Mechanizm ten jednak nie wystarcza do przeciwdziałania zmianom, gdy choroba trwa zbyt długo lub jest bardzo nasilona.
Wzrost poziomu SORCS2 zaobserwowano także w innych stanach patologicznych, takich jak udar niedokrwienny, co wskazuje na fakt, że stanowi ogólny mechanizm aktywacji astrocytów w obliczu uszkodzenia.
Drugi winowajca – delta-sekretaza
Co istotne, badanie zidentyfikowało także kluczowe ogniwo łączące zestresowane astrocyty z dwiema głównymi cechami choroby Alzheimera – amyloidem-beta i białkiem tau. Tym ogniwem jest enzym o nazwie delta-sekretaza (δ-sekretaza).
– Delta-sekretaza to proteaza, czyli enzym, który potrafi przecinać inne białka. I ona dokładnie to robi. Przecina białko APP w tak niefortunnym miejscu, że przyczynia się do bardzo sprawnej produkcji beta-amyloidu. Z drugiej strony ten enzym jest bardzo ciekawy pod tym względem, że przecina również białko tau. Więc jego aktywność przyczynia się do obu objawów naraz. Wydaje się kluczowy zarówno dla produkcji beta-amyloidu, jak i powstawania splątków białka tau. Wiadomo, że delta-sekretaza jest produkowana w większych ilościach, kiedy komórka jest zestresowana – wyjaśnia badaczka.
Aktywność delta-sekretazy przyczynia się jednocześnie do dwóch centralnych objawów choroby Alzheimera. Po pierwsze przyspiesza produkcję amyloidu-beta, to znaczy tnie białko prekursorowe amyloidu (APP) w sposób, który ułatwia produkcję toksycznego amyloidu-beta. Po drugie na dwa sposoby napędza patologię białka tau: bezpośrednio tnie owo białko, tworząc fragmenty, które łatwiej zbijają się w splątki oraz pośrednio wspiera hiperfosforylację białka tau, tnąc i dezaktywując inne białko (I2PP2A), które normalnie działa jak hamulec dodawania grup fosforanowych do białka tau.
Codzienna praca w laboratorium. Źródło: Wydział Biologii UW
Błędne koło
Badacze odkryli znacznie podwyższone poziomy i aktywność delta-sekretazy w mózgach myszy „alzheimerowych” pozbawionych SORCS2. Odkrycie to sugeruje, że właśnie ten enzym jest centralnym ogniwem łączącym początkowy stres astrocytów z późniejszym kryzysem w mózgu związanym z amyloidem-beta i białkiem tau.
Jak w takim razie wygląda błędne koło, które prowadzi do masowej śmierci komórek? Astrocyty bez ochronnego białka SORCS2 stają się nadwrażliwe na stres wywołany amyloidem-beta. Nadwrażliwość ta prowadzi do niewydolnej odpowiedzi stresowej, powodując stan zapalny mózgu i reaktywność astrocytów. Zestresowane astrocyty wysyłają sygnały do neuronów, a te w odpowiedzi zwiększają produkcję enzymu – delta-sekretazy. Aktywność delta-sekretazy gwałtownie przyspiesza zarówno produkcję amyloidu-beta, jak i patologię białka tau. Proces ten tworzy błędne koło, prowadząc do wyczerpania, śmierci astrocytów i postępującej neurodegeneracji.
Zdusić alzheimera w zarodku
Szersze znaczenie tych odkryć polega na zidentyfikowaniu stresu astrocytów jako bardzo wczesnego procesu mogącego napędzać chorobę Alzheimera.
– To, co wnosimy naszym badaniem, nie dotyczy samej diagnostyki, ale raczej ewentualnego zrozumienia biologicznych podstaw tego, co się dzieje we wczesnych etapach choroby Alzheimera. I być może w przyszłości można rozwinąć nowe podejścia, które właśnie w tych wczesnych etapach będą modyfikować, modulować to, co się dzieje w mózgu, tak, aby zapobiec w pełni rozwiniętej patologii – komentuje prof. Malik.
Rola astrocytów we wczesnych stadiach choroby Alzheimera jest znacznie większa i bardziej złożona niż dotychczas sądzono. Te „komórki pomocnicze” nie są jedynie biernymi obserwatorami, lecz aktywnymi uczestnikami, których dysfunkcja może inicjować szkodliwą kaskadę zmian chorobowych.
Czy przyszłość leczenia choroby Alzheimera będzie polegać nie tyle na atakowaniu blaszek amyloidowych, co na wzmacnianiu i ochronie niestrudzonych astrocytów wspierających nasz mózg? Do odpowiedzi na to pytanie potrzebne są dalsze badania.
* Alzheimer’s Disease International (ADI).
Czytaj więcej na: serwisnaukowy.uw.edu.pl
dr hab. Anna Malik, prof. ucz., z wykształcenia farmaceutka, jest neurobiolożką badającą molekularne podstawy chorób mózgu. Specjalizuje się w mechanizmach wewnątrzkomórkowego sortowania białek i transportu pęcherzykowego oraz znaczeniu tych procesów dla integralności funkcjonalnej mózgu. Jej obecne badania koncentrują się na procesach regulujących polaryzację fenotypu astrocytów i mikrogleju oraz ich roli w kształtowaniu mikrośrodowiska mózgu w przebiegu jego schorzeń. Kieruje Grupą Badawczą Neurobiologii Komórkowej na Wydziale Biologii UW.
Materiał Partnera