< Terug naar vorige pagina

Project

C9RAN proteïnes als verspreiders van repeat-geïnduceerde toxiciteit in ALS

Amyotrofische laterale sclerose (ALS) en frontotemporale lobaire degeneratie (FTLD) zijn twee verschillende aandoeningen die worden gekenmerkt door een specifiek neurodegeneratief patroon. ALS en FTLD vertonen echter ook overlappende klinische kenmerken (bv. cognitieve en motorische stoornissen), neuropathologische kenmerken (bv. TDP-43 pathologie) en monogenetische oorzaken in een deel van de patiënten. Met betrekking tot het laatste aspect is de hexanucleotide-herhalingsexpansie in een niet-coderend deel van het C9orf72 gen de meest voorkomende mutatie die beide ziekten kan veroorzaken. Aangezien er momenteel geen ziektemodificerende behandelingen beschikbaar zijn voor ALS of FTLD, is een diepgaand begrip van de C9orf72-expansiegerelateerde pathogenese, wat zal bijdragen tot de ontwikkeling van nieuwe therapeutische strategieën, van het grootste belang. Op basis van de huidige kennis kan de onconventionele vertaling van de herhalingsexpansie in vijf verschillende dipeptide-herhaal eiwitten (dipeptide repeat proteins of DPRs), die eiwitaggregaten vormen in neuronen, een belangrijk mechanisme zijn dat bijdraagt aan de C9orf72-expansiegerelateerde pathogenese. Observaties in ziektemodellen en in post-mortem centraal zenuwstelsel (CZS) weefsel zijn echter niet consistent met elkaar in overeenstemming. Dit kan te wijten zijn aan de verschillende herhalingslengte, aard en hoeveelheden van DPRs gebruikt in het merendeel van de ziektemodellen in vergelijking met DPRs aanwezig in het CZS van patiënten (d.w.z. patiënt-afgeleide DPRs).

Het doel van dit doctoraatsproject was om het werkelijke toxische niveau van patiënt-afgeleide DPRs te onderzoeken als onderdeel van de C9orf72-expansiegerelateerde pathogenese die plaatsvindt in het CZS van C9orf72 ALS en/of FTLD-patiënten. In het bijzonder hebben we een uitgebreid aantal CZS-regio's van post-mortem gevallen geanalyseerd om (i) de minimale herhalingslengte op te helderen die nodig is om neuropathologische kenmerken te stimuleren (d.w.z. DPR en TDP-43 pathologie), (ii) de potentiële cel-autonome toxiciteit van DPRs te onderzoeken in extra-motorische hersengebieden, en (iii) het proces van DPR aggregatie te achterhalen, al dan niet aangedreven door DPRs die zich verspreiden langs neuronale netwerken. Bovendien evalueerden we niet-cel-autonome toxiciteit in controle- en C9orf72-patiënt-afgeleide humane motorneuronen die blootgesteld werden aan cerebrospinaal vocht (CSV) en cerebellaire homogenaten van C9orf72 patiënten.

Ten eerste hebben we aangetoond dat een herhalingslengte van 38 herhalingen in het C9orf72 gen in zowel bloed als in de hersenen en het ruggenmerg resulteerde in een schaarse DPR pathologie en typische TDP-43 pathologie, in combinatie met het klinisch beeld van ALS, en dit alles in de afwezigheid van somatische instabiliteit. Deze bevindingen dragen bij tot het op punt stellen van een geldige pathogene herhalingsdrempel en hebben belangrijke implicaties voor genetische counseling van ALS- en FTLD-gevallen met kortere herhalingslengtes. Ten tweede observeerden we DPR pathologie samen met beperkte of afwezige TDP-43 pathologie in suprachiasmatische nucleus-gerelateerde neuronen, de pijnappelklier en langs de hypothalamus-hypofyse-as. Deze DPR inclusies in de afwezigheid van overvloedige TDP-43 pathologie kunnen wijzen op cel-autonome DPR toxiciteit, resulterend in extra-motorische symptomen (d.w.z. slaapstoornissen en endocriene stoornissen). Onze gegevens zijn een belangrijke eerste stap voor meer gerichte studies naar het hormoonproducerende en -secreterende vermogen van de pijnappelklier en hypofyse in C9orf72-herhalingsexpansiedragers om de klinische impact van onze bevindingen verder te verduidelijken. Ten derde wijst het neuroanatomische distributiepatroon van DPRs, hier geanalyseerd in een brede range van CZS-regio's, op een kleine en niet-exclusieve rol voor de verspreiding van DPRs langs neuronale netwerken in de ontwikkeling van wijdverspreide DPR pathologie. Bovendien hebben we de aanwezigheid aangetoond van poly(GA) – één van de vijf DPR soorten – in elke cytoplasmatische DPR inclusie in verschillende hersenregio's, al dan niet samen gelokaliseerd met één of meerdere andere DPR soorten, wat wijst op een rijpingsaspect in het proces van DPR aggregatie. Dit impliceert verschillen in de samenstelling van DPR aggregaten in dezelfde patiënt en tussen verschillende patiënten, wat mogelijk van invloed kan zijn op DPR toxiciteitsprofielen en een rol kan spelen bij selectieve neuronale kwetsbaarheid. Ten slotte hebben we geen additionele cytotoxiciteit waargenomen in humane motorneuronen na blootstelling aan CSV en cerebellaire homogenaten van C9orf72 patiënten die patiënt-afgeleide DPRs bevatten in vergelijking met blootstelling aan niet-C9orf72-afgeleide tegenhangers zonder patiënt-afgeleide DPRs. Dit kan te wijten zijn aan de beperkte opname van patiënt-afgeleide DPRs, aangezien we geen overtuigende opname van patiënt-afgeleide poly(GA) waargenomen hebben in motorneuronen. Onze bevindingen suggereren de afwezigheid van een fulminante en snelwerkende niet-cel-autonome cytotoxische bijdrage van patiënt-afgeleide DPRs tot de aantasting van motorneuronen, in tegenstelling tot de prominente en snel waargenomen DPR toxiciteit en axonale DPR transmissie in ziektemodellen.

Ter conclusie, onze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de werkelijke rol van patiënt-afgeleide DPRs in de C9orf72-expansiegerelateerde pathogenese en in het proces van DPR aggregatie dat plaatsvindt in patiënten. Met deze studie werpen we licht op mogelijke behandelingen om C9orf72 ziekten te bestrijden en ondersteunen we het gebruik van poly(GA) immunotherapie als onderdeel van een multi-gerichte aanpak. Bovendien kunnen toekomstige onderzoeken naar DPR toxiciteit zich baseren op onze bevindingen om betere ziektemodellen te ontwikkelen die het meest relevant zijn voor de pathogenese in patiënten, met het oog op het nauwkeurig positioneren van patiënt-afgeleide DPRs in de C9orf72-expansiegerelateerde pathogene cascade.

Datum:1 okt 2016 →  26 jan 2021
Trefwoorden:Dipeptide repeat proteins, C9ORF72, Amyotrophic Lateral Sclerosis
Disciplines:Neurowetenschappen, Biologische en fysiologische psychologie, Cognitieve wetenschappen en intelligente systemen, Ontwikkelingspsychologie en veroudering
Project type:PhD project