Phosphoproteome modifications and cortical circuit dysfunction are linked to the early-stage progression of alpha-synuclein aggregation.

Parkinson wordt vaak herkend aan de trillingen en stijfheid die het lichaam aantasten, maar voor veel mensen die met de aandoening leven, zijn de meest invaliderende uitdagingen cognitief: geheugenverlies, verwarring en stemmingswisselingen. Deze niet-motorische symptomen ontstaan omdat de ziekte zich niet beperkt tot de diepe hersenstructuren die de beweging aansturen; de ziekte verspreidt zich naar de buitenste lagen van de hersenen, de cortex, die het denken en voelen regelt. Een belangrijke speler in deze verspreiding is een eiwit genaamd alfa-synucleïne. In een gezonde hersenen helpt dit eiwit bij het beheren van de communicatie tussen zenuwcellen. Wanneer het echter functioneel ontregeld raakt, klontert het samen tot plakkerige, draadvormige vezels die van de ene neuron naar de volgende reizen en de gezonde cellen onderweg corrupt maken. Wetenschappers weten al lang dat deze klonters uiteindelijk hersencellen doden, maar de cruciale vraag was wat er in de hersenen gebeurt voordat die dood optreedt. Het begrijpen van de vroege moleculaire veranderingen die plaatsvinden terwijl de hersenen nog leven, zou nieuwe manieren kunnen onthullen om de ziekte te stoppen voordat deze onherstelbare schade veroorzaakt.

Om deze vroege gebeurtenissen te onderzoeken, richtten onderzoekers zich op een model dat de verspreiding van de Parkinson-pathologie nabootst. Ze injecteerden kleine hoeveelheden vooraf gevormde alfa-synucleïnevezels direct in het striatum, een diep hersengebied, van ratten en muizen. Deze injectie werkt als een zaadje, waardoor de natuurlijke alfa-synucleïne van de dieren samenklontert en zich verspreidt naar verbonden gebieden, waaronder de sensorimotorische cortex, een regio die essentieel is voor beweging en sensatie. Het team wachtte drie maanden, een tijdsbestek dat lang genoeg is voor de vorming en reis van de klonters, maar kort genoeg zodat de dieren nog geen aanzienlijk verlies aan hersencellen hadden geleden of duidelijke gedragsdefecten vertoonden. Door het hersenweefsel op dit specifieke venster te onderzoeken, wilden de onderzoekers de ziekte "op heterdaad" betrappen bij het verstoren van de cellulaire functie, voordat de cellen stierven.

De wetenschappers benaderden het hersenweefsel met een gelaagde analyse, waarbij ze keken naar de totale collectie eiwitten, de specificaties van de chemische labels die eraan bevestigd zijn en de vetten die de celmembranen vormen. Verrassend genoeg, toen ze naar de totale hoeveelheid eiwitten of de soorten vetten keken, zagen de hersenen van de behandelde dieren er bijna identiek uit aan die van de controledieren. Er was geen massale verschuiving in de inventaris van cellulaire componenten. Echter, toen ze inzoomden om te kijken naar de chemische labels die fosfaten worden genoemd, die fungeren als aan/uit-schakelaars voor eiwitactiviteit, veranderde het beeld drastisch. De behandelde hersenen vertoonden honderden significante veranderingen in de manier waarop deze schakelaars werden omgezet. Deze bevinding suggereert dat de vroege fase van de ziekte niet wordt gedefinieerd door een gebrek aan eiwitten of een verandering in de basisopbouw van de cel, maar eerder door een chaotische herbedrading van de signalen die die eiwitten vertellen wat ze moeten doen.

Verdere analyse van deze gewijzigde signalen onthulde dat het communicatienetwerk van de hersenen onder stress stond. De veranderingen waren geconcentreerd in eiwitten die verantwoordelijk zijn voor synaptische transmissie, het proces waarbij neuronen berichten naar elkaar sturen, en in eiwitten die het interne skelet van de cel onderhouden. De onderzoekers gebruikten computertools om te voorspellen welke enzymen, of moleculaire machines, verantwoordelijk waren voor het omdraaien van deze schakelaars. Ze vonden sterk bewijs dat twee specifieke typen enzymen, bekend als caseïne kinase-2 en proteïne kinase A, overactief werden. Nog opmerkelijker was dat ze een piek in de activiteit identificeerden van de MAPK-signaleringscascade, een route die vaak betrokken is bij hoe cellen reageren op stress en groei. Dit suggereert dat de aanwezigheid van de alfa-synucleïneklonters een complexe, multi-enzymatische respons triggert die de manier waarop neuronen communiceren en hun structuur behouden, verandert.

Om te zien of deze moleculaire veranderingen vertaalden naar daadwerkelijke hersenfunctie, registreerde het team de elektrische activiteit van neuronen in de sensorimotorische cortex van de behandelde muizen. Ze ontdekten dat de neuronen vaker vuurden dan normaal, een staat die hyperexcitabiliteit wordt genoemd. Bovendien vuurden de neuronen op een meer gesynchroniseerde manier, waarbij hun elektrische pieken in stap met elkaar liepen over het netwerk. Dit geeft aan dat de ziekte de hersenen niet alleen stillegt, zoals men zou verwachten van een neurodegeneratieve aandoening, maar dat het de circuits juist overactief en gedesorganiseerd maakt. Deze elektrische chaos komt perfect overeen met de moleculaire bevindingen van gewijzigde synaptische schakelaars, wat een beeld schetst van een brein dat worstelt met het reguleren van zijn eigen communicatiesignalen lang voordat de cellen beginnen af te sterven.

Misschien wel de meest opvallende ontdekking was de fysieke locatie van deze stresssignalen binnen de neuronen. Wanneer de onderzoekers nauwkeurig naar de cellen keken die de alfa-synucleïneklonters bevatten, vonden ze kleine, korrelige structuren die zich ophoopten in het cytoplasma, de vochtige ruimte binnen de cel maar buiten de kern. Deze structuren waren rijk aan de geactiveerde vorm van het MAPK-enzym. Deze korrels leken op bekende stresslichamen genaamd granulovacuolaire lichamen, die eerder zijn gezien bij andere neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer, maar dit was de eerste keer dat ze zo duidelijk gekoppeld waren aan alfa-synucleïne-aggregatie op deze specifieke manier. Cruciaal was dat deze stresslichamen verschenen in de neuronen die de toxische klonters droegen, en ze vormden zich al één maand na de initiële injectie. Deze bevinding biedt een tastbare, fysieke marker van cellulaire nood die optreedt in een zeer vroeg stadium van het ziekteproces, verschillend van de celsterfte die later volgt.

De studie verduidelijkte ook wat er op dit stadium níet gebeurt. Ondanks de intense moleculaire signalering en elektrische veranderingen, vonden de onderzoekers geen bewijs voor een significant verlies van dendritische stekels (dendritic spines), de kleine uitsteeksels op neuronen waar verbindingen worden gemaakt. Dit betekent dat de circuitdysfunctie en de chemische chaos plaatsvinden terwijl de fysieke architectuur van de synapsen intact blijft. De hersenen storten nog niet in; ze vuren simpelweg verkeerd. De onderzoekers merkten ook op dat hoewel sommige gliacellen, de ondersteunende cellen van de hersenen, tekenen van activatie vertoonden, de primaire bron van deze dramatische chemische veranderingen uit de neuronen zelf leek te komen. Dit onderscheid is van vitaal belang, omdat het suggereert dat de neuronen actief reageren op de toxische klonters met een complexe interne signaleringscascade, in plaats van slechts passief ten onder te gaan aan externe ontsteking.

Door de punten te verbinden tussen de moleculaire schakelaars, de elektrische activiteit en de fysieke stresslichamen, biedt dit onderzoek een nieuw perspectief op hoe Parkinson de denkende delen van de hersenen begint te beïnvloeden. Het laat zien dat de verspreiding van alfa-synucleïneklonters een specifieke kettingreactie in gang zet: het activeert een reeks enzymen die de signalen die de synaptische functie regelen verstoren, wat leidt tot een staat van hyperexcitabiliteit en de vorming van stresskorrels binnen de cel. Deze gebeurtenissen vinden plaats ruim voordat de neuronen sterven, wat wijst op een window of opportunity waarin de hersenen nog leven maar functioneel aangetast zijn. De identificatie van deze specifieke signaleringsroutes en de fysieke stresslichamen die ze creëren, biedt een nieuw scala aan doelwitten voor toekomstige therapieën. In plaats van te wachten tot cellen sterven, zouden behandelingen potentieel gericht kunnen zijn op het kalmeren van deze overactieve signaleringsroutes of het voorkomen van de vorming van deze stresskorrels, wat mogelijk de cognitieve functie in de vroege stadia van de ziekte kan behouden.