Le proteine incomprese della neurodegenerazione / The Misunderstood Proteins of Neurodegeneration
Le proteine incomprese della neurodegenerazione / The Misunderstood Proteins of Neurodegeneration
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Le normali funzioni dei peptidi che si aggregano nell'Alzheimer, nel Parkinson e nell'Huntington sono state ampiamente trascurate dagli scienziati, ma alcuni sostengono che siano fondamentali per comprendere lo sviluppo della malattia.
Heather Rice può ricordare un momento all'inizio della sua carriera che ha contribuito a plasmare il modo in cui pensa al morbo di Alzheimer. È successo quando si era laureata in zoologia all'Università dell'Oklahoma nel 2007, dopo aver tenuto una presentazione durante un corso di genetica dell'ultimo anno. Durante il suo intervento, la Rice aveva descritto come un peptide chiamato proteina precursore dell'amiloide (APP) viene scomposto nel cervello in pezzi più piccoli come l'amiloide-β, il peptide che notoriamente forma le placche associate all'Alzheimer.
Nella successiva sessione di domande e risposte, un altro membro della classe si è avvicinato per fare una domanda sull'APP, ricorda Rice. Hanno chiesto: "Beh, cosa fa questa proteina ? " Rice era perplessa, e non perché non si fosse preparata. Considerando la domanda, si è resa conto che "non c'era davvero una risposta sufficiente" su ciò che l'APP fa oltre a essere scomposto. Ha innescato abbastanza la discussione in classe, dice. "Nessuno poteva credere che il campo non avesse una buona idea di questo".
La Rice, ora a capo del proprio laboratorio presso l'Università dell'Oklahoma Health Sciences Center, non è l'unica ricercatrice ad aver notato questa mancanza di attenzione. Sebbene l'APP sia stata riconosciuta per decenni come la fonte delle placche associate all'Alzheimer, si sa molto meno sulla sua normale funzione fisiologica nel cervello, per non parlare di come tale funzione potrebbe essa stessa contribuire alla malattia. Gli scienziati sanno che la proteina è codificata dall'APP con gene altamente conservato, che è espresso in più tessuti a partire dall'inizio dello sviluppo embrionale, non solo nella vecchiaia, quando insorge tipicamente il morbo di Alzheimer. E un'ondata di studi genetici knockout su topi e moscerini della frutta negli anni '90 e all'inizio degli anni 2000 ha rivelato possibili ruoli per la proteina nella differenziazione delle cellule staminali e nella segnalazione cellulare. Ma i dettagli sono rimasti oscuri e la mancanza di sintomi simili all'Alzheimer negli animali knockout ha portato molte persone a presumere che queste funzioni fossero irrilevanti per la neurodegenerazione, afferma Bassem Hassan, neuroscienziato che studia APP al Paris Brain Institute. Invece, patologi e aziende farmaceutiche si sono concentrati molto di più sulle placche di amiloide-β, che sembrano intasare il cervello e causare il danno fisiologico e cognitivo che rende la condizione così devastante.
"L'interesse principale nella comunità è capire come si sviluppa il morbo di Alzheimer e come può essere combattuto", afferma Hassan. Ciò ha portato ad una mentalità, continua, che "se la funzione fisiologica dell'APP è irrilevante per [malattia], allora perché preoccuparsi [di studiarla]?"
Hassan è uno dei numerosi ricercatori che lavorano per cambiare questo modo di pensare, e non solo per APP e Alzheimer. Lui, Rice e altri stanno scavando nella biologia di varie proteine che sono state relativamente poco studiate al di fuori del contesto delle malattie neurodegenerative a cui sono associate. "Studiare la normale funzione della proteina [fa] sentire le persone a disagio", afferma Robert Edwards, neuroscienziato dell'Università della California, San Francisco (UCSF) che lavora sull'α-sinucleina, che si ripiega male e forma aggregazioni nel cervello delle persone con il morbo di Parkinson, tra le altre condizioni. “Dicono: 'Beh, cosa c'entra questo con la malattia?' Ma la mia sensazione è che qualunque cosa impari sulla normale funzione [fornisca] una base su cui costruire".
Questi studi non solo indicano il ruolo di alcune di queste proteine nella comunicazione neurale e nello sviluppo del cervello, ma evidenziano come queste funzioni trascurate possano aiutare i ricercatori a comprendere le malattie neurodegenerative, dopo tutto, molto prima che emergano segni classici come le aggregazioni proteiche. Concentrandosi su queste funzioni, "i problemi clinicamente rilevanti diventano illuminati", afferma Hassan. Anche se questo atteggiamento deve ancora conquistare tutti, Hassan spera che un giorno possa portare ad un'idea migliore di come prevenire la neurodegenerazione "o almeno rallentare la progressione", dice, "perché comprendiamo i fondamenti di ciò che sta accadendo .”
Costruire il retroscena per le proteine coinvolte nella neurodegenerazione
Sandrine Humbert studia i meccanismi alla base della malattia di Huntington da oltre 20 anni. A differenza dell'Alzheimer e del Parkinson, che hanno identificato fattori di rischio genetici solo in una parte dei casi e si ritiene che siano significativamente influenzati da fattori ambientali, l'Huntington è sempre spiegato da una mutazione nel gene dell'huntingtina. Ma è come l'Alzheimer e il Parkinson in quanto la malattia è in parte caratterizzata da aggregazioni proteiche. Nelle persone che hanno la condizione, che in genere inizia a causare sintomi motori e cognitivi nella mezza età, la proteina huntingtina mutante (HTT) si accumula all'interno dei neuroni e invade i loro nuclei, processi che sono collegati al danno cerebrale.
Humbert, che dirige un laboratorio presso l'Istituto di neuroscienze di Grenoble in Francia, dice a The Scientist che per molto tempo dopo l'identificazione della mutazione che causa la malattia nell'huntingtina nel 1993, gli scienziati si sono concentrati intensamente sulla comprensione e sulla prevenzione degli effetti tossici dell'HTT mutante nel cervello adulto. “La gente pensava. . . sarebbe un po' facile,” visto che la mutazione causativa è nota, dice. Mentre alcuni gruppi si sono messi al lavoro per caratterizzare il modo in cui versioni deformate di HTT devastano i neuroni, altri hanno sviluppato terapie sperimentali progettate per ridurre l'espressione del gene o la produzione della proteina; molte di queste terapie sono ora in fase di sperimentazione clinica.
Eppure Humbert sostiene che c'è di più in HTT di quanto sembri. Ad esempio, mentre un paio di laboratori hanno riferito che la riduzione dei livelli della proteina nel cervello dei roditori adulti ha effetti dannosi minimi o nulli, gli studi del suo gruppo e di altri hanno suggerito che l'eliminazione della versione normale del gene negli animali adulti provoca una disfunzione neuronale in alcune regioni del cervello. Tali studi hanno contribuito ad avviare una conversazione sul fatto che l'HTT possa fare qualcosa di piuttosto importante in un cervello sano, dice Humbert. "Le persone ora stanno guardando sempre di più alla funzione della proteina normale".
In una revisione di questa ricerca pubblicata alcuni anni fa, Humbert e il collega di Grenoble Frédéric Saudou hanno riassunto i possibili lavori per il normale HTT sulla base di dozzine di studi condotti principalmente in vitro ed in animali da laboratorio. I presunti ruoli includono il traffico di vescicole ed endosomi all'interno dei neuroni, una regolazione trascrizionale diffusa ed il controllo della morte cellulare programmata.Le mutazioni nell'huntingtina, hanno notato gli autori nel loro articolo, potrebbero non solo dotare l'HTT di nuove caratteristiche di distruzione cellulare, ma anche compromettere la capacità della proteina di svolgere i suoi ruoli quotidiani.
Approfondimenti su altre proteine coinvolte nelle malattie neurodegenerative stanno rivelando che molte hanno retroscena altrettanto complessi, separati dall'aggregazione tradizionalmente associata alla patologia. Ad esempio, il lavoro indipendente di diversi gruppi di ricerca ha rivelato una connessione tra APP e la famiglia di proteine Wnt, che è stata a lungo riconosciuta come centrale per molteplici segnali cellulari e percorsi di sviluppo. Hassan, in collaborazione con Rice ed altri colleghi, ha recentemente pubblicato esperimenti su moscerini della frutta e in colture di neuroni di topo, suggerendo che l'APP è essa stessa un recettore Wnt. Parlando con lo scienziato poco dopo la pubblicazione di quei risultati, Hassan ha descritto APP come un "calibratore" per la segnalazione Wnt, calcolando i rapporti di diverse proteine Wnt per guidare le decisioni sul fatto che un neurone debba crescere per essere lungo e sottile o corto e folto.
Il laboratorio di Rice ha riportato un paio di anni fa su Science che parte dell'APP si lega anche ad un recettore per il neurotrasmettitore inibitorio GABA sui neuroni presinaptici e sembra smorzare la comunicazione di quelle cellule con altre cellule nervose in vitro e nei roditori. Ci sono state diverse segnalazioni di APP che interagiscono con altri recettori di neurotrasmettitori, aggiunge. In relazione al morbo di Parkinson, nel frattempo, il laboratorio di Edwards presso l'UCSF ha descritto in più articoli nell'ultimo decennio come l'α-sinucleina potrebbe aiutare a regolare il rilascio di neurotrasmettitori ed altri carichi nei neuroni in coltura e nei cervelli degli animali.
Insieme, questi ed altri studi stanno fornendo un nuovo livello di comprensione funzionale delle proteine tipicamente studiate nel contesto della dilagante distruzione del cervello, rivelazioni che sono importanti per una serie di ragioni oltre a illuminare la biologia umana, affermano i ricercatori che hanno parlato con The Scientist . Ad esempio, la determinazione della normale funzione di queste proteine potrebbe indicare possibili effetti collaterali delle terapie che riducono la produzione di peptidi legati alla malattia, afferma Edwards. Inoltre, potrebbe rivelare nuovi approcci per prendere di mira le proteine associate alla malattia, afferma Rice, che sta studiando se è possibile sfruttare alcuni degli altri prodotti della rottura dell'APP per contrastare gli effetti tossici dell'amiloide-β e chi è un coinventore su un brevetto relativi all'interazione di APP con GABA.
Tuttavia, diversi scienziati affermano di essere più entusiasti di un'altra idea di ricerca, che pone la normale funzione proteica al centro dell'insorgenza delle malattie neurodegenerative. Pur sottolineando che le singole malattie come l'Alzheimer ed il Parkinson comprendono una vasta gamma di condizioni con sintomi ed esiti diversi, questi ricercatori sostengono che l'interruzione dei ruoli normali delle proteine associate alla malattia potrebbe di per sé contribuire alla neurodegenerazione. Hassan, per esempio, dice che si aspetta pienamente che sia così e sostiene che offre una spiegazione molto più plausibile per la patologia della malattia rispetto alla famosa aggregazione di proteine tossiche.
Collegamento della normale funzione proteica alla neurodegenerazione
Nonostante la persistenza dell'idea nell'industria farmaceutica e nell'immaginario popolare che la neurodegenerazione sia causata da grumi di peptidi malformati o mal ripiegati, l'ipotesi ha avuto a lungo i suoi critici nella comunità di ricerca. Parte dello scetticismo degli scienziati deriva dal continuo fallimento delle terapie di riduzione delle proteine per prevenire o rallentare la malattia negli studi clinici a seguito di apparenti successi in modelli animali progettati per ricapitolare alcuni elementi della patologia. Ci sono anche studi di imaging cerebrale degli ultimi due decenni che hanno logorato la connessione tra aggregazione e sintomi della malattia. Nell'Alzheimer, ad esempio, studi sull'uomo suggeriscono che è possibile avere depositi di amiloide senza evidenti problemi di salute.
Un'altra sfida al modello dei grumi tossici deriva dallo studio dei fattori di rischio genetici per le malattie neurodegenerative. Ad esempio, diverse rare mutazioni genetiche nell'SNCA, il gene che codifica per l'α-sinucleina, sono associate ad un rischio elevato di Parkinson, ma la relazione non è semplice. Almeno in vitro, "le mutazioni dell'α-sinucleina che causano il morbo di Parkinson non sono chiaramente correlate alla loro propensione all'aggregazione", spiega Edwards. “Ci sono alcuni che riducono la loro propensione all'aggregazione, altri la aumentano. Quindi c'è qualcosa che ci sfugge".
Alla luce di queste e di altre osservazioni, molti ricercatori che lavorano sulle malattie neurodegenerative sono giunti a vedere l'aggregazione proteica come un sottoprodotto, piuttosto che la causa principale, del danno neurologico, afferma David Sulzer, neuroscienziato ed esperto di Parkinson presso la Columbia University che ha collaborato con Edwards. Tuttavia, stabilire una spiegazione alternativa per come insorgono le malattie neurodegenerative non è facile. Diverse ipotesi attuali ruotano attorno all'infiammazione causata da un'infezione virale o da difetti nello smaltimento dei rifiuti cellulari. "La mia ipotesi è che ci sia un problema nella normale degradazione dell'α-sinucleina, che porta all'[aggregazione] ma sta anche portando a un danno cellulare che alla fine finisce per causare il Parkinson", afferma Sulzer. Aggiunge che simili ipotesi di smaltimento dei rifiuti sono state proposte per spiegare alcune delle patologie dell'Alzheimer.
Altri ricercatori vedono una possibilità diversa: che i problemi nelle malattie neurodegenerative inizino con l'interruzione delle normali funzioni delle stesse proteine di aggregazione.
Indagando su questa idea nel Parkinson, Edwards ed i suoi colleghi hanno condotto studi sugli animali che replicano alcune delle mutazioni associate all'elevato rischio di Parkinson per vedere come influenzano l'attività dell'α-sinucleina. Uno di questi esperimenti si basa sulla scoperta del gruppo che l'α-sinucleina influenza il modo in cui le vescicole si fondono con la membrana cellulare, accelerando il rilascio del loro carico. Usando topi e neuroni di ratto in coltura, i ricercatori hanno scoperto che SNCAle mutazioni associate al morbo di Parkinson sembrano interrompere in modo specifico questa funzione. Ciò significa che i neuroni con queste mutazioni potrebbero avere un rilascio di neurotrasmettitori inferiore al normale, qualcosa che potrebbe alla fine contribuire alla morte neuronale, ipotizza Edwards. Naturalmente, solo una frazione delle persone che contraggono il Parkinson ha copie mutate di SNCA. Ma il lavoro del gruppo suggerisce che le interruzioni genetiche o ambientali in un percorso che coinvolge l'α-sinucleina possono contribuire alla patologia della malattia.
Altri ricercatori vedono una possibilità diversa: che i problemi nelle malattie neurodegenerative inizino con l'interruzione delle normali funzioni delle stesse proteine di aggregazione.
Indagando su questa idea nel Parkinson, Edwards ed i suoi colleghi hanno condotto studi sugli animali che replicano alcune delle mutazioni associate all'elevato rischio di Parkinson per vedere come influenzano l'attività dell'α-sinucleina. Uno di questi esperimenti si basa sulla scoperta del gruppo che l'α-sinucleina influenza il modo in cui le vescicole si fondono con la membrana cellulare, accelerando il rilascio del loro carico. Usando topi e neuroni di ratto in coltura, i ricercatori hanno scoperto che le mutazioni di SNCA associate al morbo di Parkinson sembrano interrompere in modo specifico questa funzione. Ciò significa che i neuroni con queste mutazioni potrebbero avere un rilascio di neurotrasmettitori inferiore al normale, qualcosa che potrebbe alla fine contribuire alla morte neuronale, ipotizza Edwards. Naturalmente, solo una frazione delle persone che contraggono il Parkinson ha copie mutate di SNCA. Ma il lavoro del gruppo suggerisce che le interruzioni genetiche o ambientali in un percorso che coinvolge l'α-sinucleina possono contribuire alla patologia della malattia.
Hassan ha esplorato idee simili per quanto riguarda APP e Alzheimer. Ad esempio, lui e altri hanno notato che alcune rare mutazioni nell'APP associate ad alcune forme ad esordio precoce della malattia possono alterare l'attività regolare dell'APP. Usando i moscerini della frutta, che hanno una versione omologa dell'APP chiamata APPL, il laboratorio di Hassan ha mostrato che l'eliminazione del gene sottostante o il blocco della produzione della proteina era associato a un aumento della morte neuronale, in particolare in giovani mosche, nonché a problemi nel traffico intracellulare ed altri importanti processi cellulari. Sebbene perdere l'APP interamente tramite knockout genetico non sia lo stesso di avere una versione mutata della proteina, i risultati indicano potenziali conseguenze neurologiche della funzione dell'APP ridotta o alterata, sostiene Hassan.
Alcuni gruppi si sono anche concentrati sul ruolo di queste proteine nello sviluppo del cervello dei mammiferi. Humbert, ad esempio, dice di essere interessata a sapere se i cambiamenti nell'attività dell'HTT potrebbero mettere il cervello su un percorso di sviluppo che lo predispone al danno, anche se i sintomi clinici dell'Huntington non si manifestano fino a quando una persona ha 30 o 40 anni. Indica le prove di altri laboratori che suggeriscono che gli animali progettati per esprimere livelli di proteina HTT inferiori al solito come embrioni, ma livelli normali da adulti mostrano uno sviluppo cerebrale anormale ed una degenerazione neuronale in età avanzata.
Negli ultimi due anni, il suo stesso gruppo ha riferito che embrioni di topo che esprimono versioni mutate dell'huntingtina mostrano interruzioni nella crescita cellulare e nella dinamica intracellulare nei neuroni, portando a differenze nella proliferazione neuronale e, in definitiva, a una differenza nella struttura della corteccia tra topi mutanti e controlli. Uno studio recente nel laboratorio effettuato utilizzando piccole sezioni di tessuto neurale di feti umani ha suggerito un modello simile nelle persone: rispetto ai controlli, i portatori di HTT mutante avevano una corteccia sviluppata in modo diverso alla fine del primo trimestre. I risultati possono aiutare a spiegare alcuni studi di imaging cerebrale che suggeriscono che le persone con Huntington hanno strutture corticali alterate, così come cambiamenti comportamentali, anche prima che emergano i classici sintomi cognitivi e motori della malattia, ipotizza Humbert. "Stiamo dimostrando che uno sviluppo anormale può contribuire ai sintomi preclinici".
Humbert osserva che lei e Hassan hanno recentemente iniziato a discutere di parallelismi nella loro ricerca, nonostante studino diverse malattie neurodegenerative. Il gruppo di Hassan sta ora lavorando per comprendere il ruolo dell'APP nello sviluppo del cervello e come tale ruolo possa variare nel regno animale: le prime osservazioni con cellule umane in coltura e roditori, ad esempio, suggeriscono che la proteina potrebbe essere più importante per la neurogenesi nelle persone che nei topi, dice Hassan. Tale ricerca sta contribuendo all'idea esistente, sebbene ancora periferica, che le malattie neurodegenerative possano avere una forte componente dello sviluppo neurologico, dice Hassan, soprattutto quando si tratta di versioni ereditarie con una causa genetica nota. Secondo tale punto di vista, almeno in alcuni casi, "il danno inizia dall'inizio", aggiunge. Semplicemente "si manifesta in momenti diversi della tua vita".
Dibattito continuo su ciò che realmente causa la neurodegenerazione
Per ora, le prove di una connessione causale tra l'interruzione della normale funzione proteica e l'insorgenza di malattie neurodegenerative sono ancora scarse ed i ricercatori che lavorano nel campo sono i primi a riconoscere le sfide per colmare il divario. Gli studi sugli animali sono solo così informativi sul cervello umano, in particolare quando i topi ed altri modelli di laboratorio non sviluppano nulla di simile alla malattia neurodegenerativa umana. Inoltre, gli studi in vitro su neuroni umani in coltura potrebbero non catturare ciò che accade realmente durante lo sviluppo in utero, osservano diversi ricercatori. E anche se il cervello si sviluppa o funziona in modo diverso nelle persone con forme genetiche di malattie neurodegenerative, questi cambiamenti possono essere ampiamente o interamente compensati da altri percorsi neurali, forse riducendo la loro rilevanza per l'eventuale insorgenza dei sintomi più avanti nella vita.
Un certo numero di scienziati riconosce anche che esiste probabilmente più di una via per la neurodegenerazione. Parlando dell'Alzheimer, ad esempio, la Rice dice che mentre pensa che i cambiamenti nella normale funzione proteica possano essere importanti, è anche del parere che l'aggregazione dell'amiloide-β probabilmente svolga un ruolo sostanziale nel danno cerebrale. E ricercatori che studiano la miriade di altri geni associati al rischio di malattie neurodegenerative, come PINK1 nel Parkinson e ApoE nell'Alzheimer, evidenzia che potrebbero esserci più meccanismi sovrapposti che portano allo stesso tipo di patologia. “Tutti si chiedono: 'Quando convergono tutti questi percorsi? Esiste un percorso comune?'", afferma Deanna Benson, presso la Icahn School of Medicine del Mount Sinai, che ha scoperto che le mutazioni in LRRK2, una protein chinasi che interagisce con l'α-sinucleina ed è collegata al rischio di Parkinson, sembrano alterare le connessioni neuronali nel sviluppo del cervello di topi.
Nonostante le domande in sospeso, i ricercatori dicono a The Scientist di essere lieti di vedere una maggiore attenzione sulla normale funzione proteica che inizia a filtrare attraverso la comunità delle neuroscienze, con molti che affermano che le loro idee stanno ora ricevendo un'accoglienza più calorosa rispetto a diversi anni fa. La Rice, che ha trascorso più di un decennio a scavare nell'APP, dice che spera che lo slancio continui a crescere. In effetti, ora mantiene più o meno la stessa opinione sulla ricerca su APP e proteine come quando ha tenuto il suo discorso all'università: "È pazzesco pensare a [questi peptidi] nella malattia e non sapere nemmeno cosa sono normalmente”.
ENGLISH
The normal functions of peptides that aggregate in Alzheimer’s, Parkinson’s, and Huntington’s have been largely overlooked by scientists, but some argue that they are critical for understanding the development of disease.
n the ensuing Q&A, another member of the class piped up to ask a question about APP, Rice recalls. They asked, “Well, what does this protein do?” Rice was stumped—and not because she hadn’t prepped. Considering the question, she realized that “there really wasn’t a sufficient answer” as to what APP does beyond getting broken down. It triggered quite the classroom discussion, she says. “No one could believe that the field didn’t have a good idea of this.”
Rice, now head of her own lab at the University of Oklahoma Health Sciences Center, isn’t the only researcher to have noted this lack of attention. While APP has for decades been recognized as the source of Alzheimer’s-associated plaques, far less is known about its normal physiological function in the brain, let alone how that function might itself contribute to disease. Scientists do know that the protein is encoded by the highly conserved APP gene, which is expressed in multiple tissues starting in early embryonic development—not just in old age when Alzheimer’s disease typically arises. And a wave of genetic knockout studies in mice and fruit flies in the 1990s and early 2000s revealed possible roles for the protein in stem cell differentiation and cellular signaling. But the details remained murky, and a lack of Alzheimer’s-like symptoms in the knockout animals led many people to assume that these functions were irrelevant to neurodegeneration, says Bassem Hassan, a neuroscientist who studies APP at the Paris Brain Institute. Instead, pathologists and pharmaceutical companies have been far more focused on amyloid-β plaques, which seem to clog up the brain and cause the physiological and cognitive damage that makes the condition so devastating.
“The overriding interest in the community is to understand how Alzheimer’s disease arises and how it can be combatted,” Hassan says. This led to a mentality, he continues, that “if the physiological function of APP is irrelevant to [disease], then why bother [studying it]?”
Hassan is one of a number of researchers working to shift that thinking—and not just for APP and Alzheimer’s. He, Rice, and others are digging into the biology of various proteins that have been relatively understudied outside the context of the neurodegenerative diseases they’re associated with. “Studying the normal function of the protein [makes] people feel uncomfortable,” says Robert Edwards, a neuroscientist at the University of California, San Francisco (UCSF) who works on α-synuclein, which misfolds and forms aggregations in the brains of people with Parkinson’s disease, among other conditions. “They say, ‘Well, what does that have to do with the disease?’ But my feeling is that whatever you learn about the normal function [provides] a foundation on which to build.”
Not only are such studies pointing to roles for some of these proteins in neural communication and brain development, they’re highlighting how these overlooked functions may help researchers understand neurodegenerative disease after all—long before classical signs such as protein aggregations emerge. By focusing on these functions, “the clinically relevant problems become enlightened,” says Hassan. While this attitude has yet to win over everyone, Hassan hopes that it may one day lead to a better idea of how to prevent neurodegeneration “or at least slow down the progression,” he says, “because we understand the fundamentals of what’s going on.”
Building the backstory for proteins involved in neurodegeneration
Sandrine Humbert has been studying the mechanisms underlying Huntington’s disease for more than 20 years. Unlike Alzheimer’s and Parkinson’s—which have identified genetic risk factors in only a portion of cases and are thought to be significantly influenced by environmental factors—Huntington’s is always explained by a mutation in the huntingtin gene. But it’s like Alzheimer’s and Parkinson’s in that the disease is partly characterized by protein aggregations. In people who have the condition, which typically starts causing motor and cognitive symptoms in middle age, mutant huntingtin protein (HTT) clumps inside neurons and invades their nuclei—processes that are linked to brain damage.
Humbert, who heads up a lab at the Grenoble Institute of Neurosciences in France, tells The Scientist that for a long time after the disease-causing mutation in huntingtin was identified in 1993, scientists focused intently on understanding and preventing the toxic effects of mutant HTT in the adult brain. “People figured . . . it would be kind of easy,” what with the causative mutation being known, she says. While some groups got to work characterizing how deformed versions of HTT wreak havoc on neurons, others developed experimental therapeutics designed to lower the expression of the gene or production of the protein; several of those therapeutics are now in clinical trials.
Yet Humbert argues that there’s more to HTT than meets the eye. For example, while a couple of labs have reported that reducing levels of the protein in adult rodent brains has little to no harmful effect, studies by her group and others have suggested that knocking out the regular version of the gene in adult animals causes neuronal dysfunction in some brain regions. Such studies have helped spark a conversation about whether HTT might do something rather important in a healthy brain, Humbert says. “People are now looking more and more at the function of the normal protein.”
In a review of this research published a few years ago, Humbert and Grenoble colleague Frédéric Saudou summarized possible jobs for normal HTT based on dozens of studies carried out primarily in vitro and in lab animals. Purported roles include the trafficking of vesicles and endosomes within neurons, widespread transcriptional regulation, and the control of programmed cell death. Mutations in huntingtin, the authors noted in their paper, could not only endow HTT with new, cell-destroying characteristics but also compromise the protein’s ability to perform its everyday roles.
Deep dives into other proteins involved in neurodegenerative disease are revealing that many have similarly complex backstories, separate from the aggregation traditionally associated with pathology. For example, independent work by several research groups has revealed a connection between APP and the Wnt family of proteins, which has long been recognized as central to multiple cell-signaling and developmental pathways. Hassan, in collaboration with Rice and other colleagues, recently published experiments in fruit flies and in cultured mouse neurons suggesting that APP is itself a Wnt receptor. Speaking to The Scientist shortly after those results were published, Hassan described APP as a “calibrator” for Wnt signaling, computing ratios of different Wnt proteins to drive decisions about whether a neuron should grow to be long and spindly or short and bushy.
Rice’s own lab reported a couple of years ago in Science that part of APP also binds to a receptor for the inhibitory neurotransmitter GABA on presynaptic neurons, and seems to dampen those cells’ communication with other nerve cells in vitro and in rodents. There have been several reports of APP interacting with other neurotransmitter receptors, she adds. In relation to Parkinson’s disease, meanwhile, Edwards’s lab at UCSF has described in multiple papers over the last decade how α-synuclein could help regulate the release of neurotransmitters and other cargo in cultured neurons and in animal brains.
Together, these and other studies are providing a new level of functional insight into proteins typically studied in the context of rampant brain destruction—revelations that are important for a number of reasons beyond illuminating human biology, say researchers who spoke with The Scientist. For example, determining the normal function of these proteins could point to possible side effects of therapeutics that lower the production of disease-linked peptides, says Edwards. Additionally, it could reveal new approaches for targeting disease-associated proteins, says Rice, who is studying whether it’s possible to exploit some of the other products of APP’s breakdown to counteract the toxic effects of amyloid-β and who is a coinventor on a patent related to APP’s interaction with GABA.
However, several scientists say that they’re most excited by another research idea, one that places normal protein function at the center of how neurodegenerative disease arises. While emphasizing that individual diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s encompass a diverse range of conditions with different symptoms and outcomes, these researchers argue that disruption to disease-associated proteins’ normal roles could itself be a contributor to neurodegeneration. Hassan, for one, says that he fully expects this to be the case, and argues that it offers a much more plausible explanation for disease pathology than the famed aggregation of “toxic” proteins.
Linking normal protein function to neurodegeneration
Despite the persistence of the idea in the pharmaceutical industry and in popular imagination that neurodegeneration is caused by clumps of malformed or misfolded peptides, the hypothesis has long had its critics in the research community. Part of scientists’ skepticism stems from the continued failure of protein-reducing therapies to prevent or slow disease in clinical trials following apparent successes in animal models designed to recapitulate some elements of the pathology. There are also brain imaging studies from the past couple of decades that have frayed the connection between aggregation and disease symptoms. In Alzheimer’s, for example, human studies suggest it’s possible to have amyloid deposits without obvious health problems.
Another challenge to the toxic clump model comes from the study of genetic risk factors for neurodegenerative disease. For example, several rare genetic mutations in SNCA—the gene coding for α-synuclein—are associated with elevated Parkinson’s risk, but the relationship isn’t straightforward. At least in vitro, “mutations in α-synuclein that cause Parkinson’s disease do not clearly correlate with their propensity for aggregation,” Edwards explains. “There are some that reduce their propensity for aggregation, others increase it. So there’s something we’re missing.”
In light of these and other observations, many researchers working on neurodegenerative disease have come to see protein aggregation as a byproduct, rather than the primary cause, of neurological damage, says David Sulzer, a neuroscientist and Parkinson’s expert at Columbia University who has collaborated with Edwards. Still, settling on an alternative explanation for how neurodegenerative diseases arise isn’t easy. Several current hypotheses revolve around inflammation caused by viral infection or defects in cellular waste disposal. “My hypothesis is that there’s a problem in the normal α-synuclein degradation, which leads to the [aggregation] but it’s also leading to cellular damage that eventually ends up causing Parkinson’s,” says Sulzer. He adds that similar waste-disposal hypotheses have been proposed to explain some of the pathology of Alzheimer’s.
Other researchers see a different possibility: that problems in neurodegenerative disease start with disruption to the normal functions of the aggregating proteins themselves.
Investigating this idea in Parkinson’s, Edwards and his colleagues have conducted animal studies that replicate some of the mutations associated with elevated Parkinson’s risk to see how they affect α-synuclein’s activity. One such experiment built on the team’s finding that α-synuclein affects how vesicles fuse with the cell membrane, speeding up the release of their cargo. Using mice and cultured rat neurons, the researchers discovered that SNCA mutations associated with Parkinson’s disease seem to specifically disrupt this function. This means that neurons with these mutations might have lower-than-normal neurotransmitter release, something that could ultimately contribute to neuronal death, Edwards speculates. Of course, only a fraction of people who get Parkinson’s have mutated copies of SNCA. But the team’s work hints that genetic or environmental disruptions to a pathway involving α-synuclein may contribute to disease pathology.
Hassan has been exploring similar ideas as they relate to APP and Alzheimer’s. For example, he and others have noted that certain rare mutations in APP that are associated with some early-onset forms of the disease may alter APP’s regular activity. Using fruit flies, which have a homologous version of APP called APPL, Hassan’s lab showed that deleting the underlying gene or blocking production of the protein was associated with increased neuronal death, particularly in young flies, as well as problems in intracellular trafficking and other important cellular processes. While losing APP entirely via genetic knockout isn’t the same as having a mutated version of the protein, the findings point to potential neurological consequences of reduced or altered APP function, Hassan argues.
Some groups have also focused on these proteins’ role in mammalian brain development. Humbert, for example, says she’s interested in whether changes in HTT’s activity might set the brain on a developmental path that predisposes it to damage, even if clinical symptoms of Huntington’s don’t show up until a person’s 30s or 40s. She points to evidence from other labs suggesting that animals engineered to express lower-than-usual levels of HTT protein as embryos but normal levels as adults show abnormal brain development as well as later-life neuronal degeneration.
In the last couple of years, her own group has reported that mouse embryos expressing mutated versions of huntingtin show disruptions in cell growth and intracellular dynamics in neurons, leading to differences in neuronal proliferation and, ultimately, a difference in cortex structure between mutant mice and controls. A recent study the lab carried out using small sections of neural tissue from human fetuses hinted at a similar pattern in people: compared with controls, carriers of mutant HTT had a differently developed cortex at the end of the first trimester. The findings may help explain some brain imaging studies that suggest people with Huntington’s have altered cortical structures, as well as behavioral changes, even before the classical cognitive and motor symptoms of the disease emerge, Humbert speculates. “We are showing that abnormal development may contribute to preclinical symptoms.”
Humbert notes that she and Hassan have recently started discussing parallels in their research, despite studying different neurodegenerative diseases. Hassan’s group is now working on understanding APP’s role in brain development and how that role may vary across the animal kingdom—early observations with cultured human cells and rodents, for example, hint that the protein may be more important for neurogenesis in people than it is in mice, Hassan says. Such research is contributing to the existing, although still peripheral, idea that neurodegenerative diseases may have a strong neurodevelopmental component, Hassan says, especially when it comes to inherited versions with a known genetic cause. According to that view, at least in some cases, “damage begins from the beginning,” he adds. It just “manifests itself at different times in your lifetime.”
Continued debate about what really causes neurodegeneration
For now, the evidence for a causal connection between disruption in normal protein function and the onset of neurodegenerative disease is still thin, and researchers working in the field are the first to acknowledge the challenges of closing the gap. Animal studies are only so informative about the human brain—particularly when mice and other lab models don’t develop anything like human neurodegenerative disease. Moreover, in vitro studies of cultured human neurons may not capture what really happens during in utero development, several researchers note. And even if the brain does develop or function differently in people with genetic forms of neurodegenerative disease, these changes may be largely or entirely compensated for by other neural pathways, perhaps reducing their relevance to the eventual onset of symptoms later in life.
A number of scientists also acknowledge that there’s likely more than one route to neurodegeneration. Speaking about Alzheimer’s, for example, Rice says that while she thinks changes in normal protein function might be important, she’s also of the mind that the aggregation of amyloid-β likely plays a substantial role in brain damage. And researchers studying the myriad other genes associated with risk of neurodegenerative diseases, such as PINK1 in Parkinson’s and ApoE in Alzheimer’s, highlight that there may be multiple overlapping mechanisms that lead to the same sort of pathology. “Everybody wonders, ‘When do these paths all converge? Is there a common pathway?’” says Icahn School of Medicine at Mount Sinai’s Deanna Benson, who has found that mutations in LRRK2, a protein kinase that interacts with α-synuclein and is linked to Parkinson’s risk, seem to alter neuronal connections in the developing brains of baby mice.
Despite the outstanding questions, researchers tell The Scientist that they are pleased to see a greater focus on normal protein function starting to percolate through the neuroscience community, with several saying that their ideas are now getting a warmer reception than they did several years ago. Rice, who has spent more than a decade digging into APP, says she hopes the momentum will keep building. In fact, she maintains much the same opinion now about research on APP and proteins like it as she did when she gave her talk back in undergrad: “It’s crazy to think about [these peptides] in disease and not even know what they’re normally doing.”
Da:
https://www.the-scientist.com/features/the-misunderstood-proteins-of-neurodegeneration-70259?utm_campaign=TS_Neuroscience%20Newsletter&utm_medium=email&_hsmi=224566478&_hsenc=p2ANqtz--vFDphZC8qhyNo3hB3koVhVb9LzACZzqnBlGD0ueNZJB9z8OunFaOkeaMH6FnARIoPXZHjMmP3XI8OZywkPQHMf2Y7RAJmFTC3-0zfG9T8JfaqhYk&utm_content=224566478&utm_source=hs_email
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