Cryo-ET of prion-infected neurons reveals nanopathology shared with Huntington disease models
Durch den Einsatz eines kryo-korrelativen Licht- und Elektronenmikroskopie-Workflows zeigt diese Studie auf, dass Prionen-infizierte Neuronen distinkte nanoskalige pathologische Merkmale aufweisen, einschließlich fragmentierter Fibrillen innerhalb von Membrankompartimenten und mitochondrialer Granuläkumulation, die Huntington-Krankheitsmodellen frappierend ähnlich sind, was auf gemeinsame Mechanismen der neuronalen Dysfunktion über neurodegenerative Erkrankungen hinweg hindeutet.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson und Huntington teilen eine erschreckende Gemeinsamkeit: Sie werden durch Proteine angetrieben, die sich falsch falten, verklumpen und langsam das Gehirn zerstören. Seit Jahrzehnten untersuchen Wissenschaftler einen spezifischen, hochinfektiösen Prozess dieser Art, die Prionenerkrankung, bei der ein fehlgeleitetes Protein als Vorlage dient und gesunde Proteine dazu zwingt, sich in dieselbe schädliche Form zu winden. Diese fehlgefalteten Cluster, bekannt als Prionen, können sich von Zelle zu Zelle ausbreiten und schließlich die Neuronen abtöten. Während Forscher längst verstanden haben, dass diese Proteinaggregate der Übeltäter sind, blieb der genaue Mechanismus, wie sie sich bewegen, wachsen und eine lebende Nervenzelle schädigen, verborgen. Das Problem besteht darin, dass traditionelle Methoden zur Untersuchung dieser Zellen oft eine Einfrierung erfordern, die ihre empfindlichen internen Strukturen verzerrt oder sie aus ihrer natürlichen Umgebung entfernt, was eine Wissenslücke darüber hinterlässt, wie sich diese Krankheiten in einem arbeitenden Gehirn tatsächlich entfalten.
Einem Team von Forschern am Imperial College London ist es nun gelungen, einige dieser fehlenden Teile zu ergänzen, indem sie einen neuen Weg entwickelten, um in infizierte Neuronen hineinzublicken, ohne diese zu stören. Sie entwickelten einen Arbeitsablauf, der Lichtmikroskopie mit einer leistungsstarken Bildgebungstechnik namens Kryo-Elektronentomographie kombiniert. Diese Methode ermöglicht es ihnen, lebende Neuronen in einem Bruchteil einer Sekunde einzufrieren und sie so in einem Zustand von „vitreösem Eis“ zu bewahren, der ihre natürliche, wässrige Umgebung nachahmt. Indem sie die infektiösen Prionen-Keime mit einem fluoreszierenden Farbstoff markierten und anschließend Antikörper verwendeten, um die neu wachsenden Klumpen der krankheitsverursachenden Proteine aufzuspüren, konnten die Wissenschaftler die Infektion in Echtzeit verfolgen, bevor sie die Zellen einfroren. Danach nutzten sie ein Elektronenmikroskop, um tausende Bilder aus verschiedenen Winkeln aufzunehmen und diese zusammenzufügen, um eine dreidimensionale Karte des Neuroneninneren auf einer Skala zu erstellen, die so fein ist, dass einzelne Proteinfasern sichtbar werden.
Die Forscher konzentrierten sich auf primäre Mausneuronen, die repräsentativer für das menschliche Gehirn sind als die vereinfachten Zelllinien, die oft in Laboren verwendet werden. Sie infizierten diese Zellen mit fluoreszierend markierten Prionen und warteten, bis die Krankheit übergriff. Als sie die eingefrorenen Zellen untersuchten, stellten sie fest, dass die neuen, krankheitsassoziierten Proteinkluster nicht wie die langen, soliden Proteinseile aussah, die in früheren Studien an gereinigten Proben beobachtet wurden. Stattdessen erschienen diese Cluster innerhalb des lebenden Neurons als kurze, fragmentierte Fasern. Diese Fragmente schwammen nicht frei umher; sie waren dicht in membranbegrenzten Kompartimenten gepackt, ähnlich kleinen Blasen innerhalb der Zelle. Oft waren diese Kompartimente von Mikrotubuli umgeben, den strukturellen Schienen, die entlang der Fortsätze der Neuronen verlaufen. Die Forscher bemerkten auch, dass die neuen Proteinkluster häufig von seltsamen, flachen, blattartigen Strukturen begleitet wurden, die unter dem Elektronenstrahl extrem dicht und dunkel erschienen.
Vielleicht war die bemerkenswerteste Entdeckung, dass diese blattartigen Strukturen nicht einzigartig für die Prionenerkrankung waren. Dieselben elektrondichten Blätter waren kürzlich auch in Neuronen beobachtet worden, die von der Huntington-Krankheit betroffen waren, einer völlig anderen genetischen Störung. In beiden Fällen erschienen diese Blätter in verschiedenen Stadien der Bildung, von kleinen, amorphen Klumpen bis hin zu großen, reifen Blättern, die scheinbar gegen die Membranen der Zelle drückten und diese verformten. Die Forscher fanden zudem heraus, dass die Mitochondrien – die energieproduzierenden Kraftwerke der Zelle – in den infizierten Neuronen mit vergrößerten, elektrondichten Granula gefüllt waren. Diese Granula waren signifikant größer als jene, die in gesunden, nicht infizierten Neuronen desselben Alters zu finden waren. Dieser Befund wurde auch in Modellen der Huntington-Krankheit geteilt, was darauf hindeutet, dass die Zellen trotz der unterschiedlichen Ursachen der beiden Krankheiten mit einer ähnlichen, spezifischen Art von internem Schaden reagieren.
Die Studie legt nahe, dass die Art und Weise, wie diese Krankheiten Neuronen zerstören, eine gemeinsame Gruppe zellulärer Stressreaktionen beinhalten kann. Das Vorhandensein der blattartigen Aggregate und der vergrößerten mitochondrialen Granula sowohl in Prion- als auch in Huntington-Modellen deutet darauf hin, dass unterschiedliche Krankheitsauslöser denselben endgültigen Pfaden der zellulären Notlage folgen können. Die Forscher schlagen vor, dass diese Blattaggregate ein Zeichen für den Versuch der Zelle sein könnten, das überwältigende Proteinaufkommen zu bewältigen, möglicherweise durch einen Prozess namens Autophagie, bei dem die Zelle versucht, ihren eigenen Abfall zu beseitigen. Wenn dieses Reinigungssystem überfordert wird oder versagt, könnte dies zur Akkumulation dieser Blätter und Granula führen und schließlich zum Funktionsverlust der Zelle führen. Die Tatsache, dass diese Merkmale in zwei sehr unterschiedlichen Krankheiten auftreten, eröffnet die Möglichkeit, dass Behandlungen, die darauf abzielen, der Zelle beim Abbau dieser spezifischen Arten von Trümmern zu helfen, bei einer Reihe von neurodegenerativen Erkrankungen wirksam sein könnten.
Durch die Visualisierung dieser Prozesse in ihrem nativen Zustand sind die Forscher über das bloße Betrachten isolierter Proteinproben hinausgegangen und haben gesehen, wie sich die Krankheit tatsächlich innerhalb einer lebenden Zelle verhält. Sie fanden heraus, dass die Umgebung des Neurons selbst die Struktur des infektiösen Proteins formt und es fragmentiert und begrenzt hält, anstatt es zu den langen Fasern wachsen zu lassen, die man in einem Reagenzglas beobachtet. Diese Arbeit löst nicht das Rätsel, wie man diese Krankheiten heilt, aber sie liefert ein viel klareres Bild des Schlachtfeldes. Sie zeigt, dass der Schaden nicht nur eine einfache Akkumulation schlechter Proteine ist, sondern eine komplexe Interaktion unter Beteiligung von Membrankompartimenten, zellulären Reinigungssystemen und Energiezentren. Das Verständnis dieser gemeinsamen Merkmale bietet einen neuen Ansatz für die Überlegung, wie man Neuronen schützen kann, und legt nahe, dass Therapien, die darauf abzielen, die natürliche Fähigkeit der Zelle zur Bewältigung von Stress und zur Beseitigung von Trümmern zu unterstützen, Hoffnung auf die Behandlung mehrerer Arten von Hirnerkrankungen zugleich bieten könnten.
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