Engineered proteins to restore and enhance neurotransmitter release

Binnen de hersenen vindt communicatie plaats via minuscule verbindingen die synapsen worden genoemd, waar zenuwcellen chemische boodschappen aan elkaar doorgeven. Dit proces steunt op een geavanceerde moleculaire machine die zich aan het uiteinde van de verzendende zenuwcel bevindt, bekend als de actieve zone. Beschouw de actieve zone als een zeer georganiseerd laadperron waar kleine bellen met neurotransmitters, genaamd vesikels, worden voorbereid en gepositioneerd voor vrijgave. Wanneer een elektrisch signaal arriveert, fuseren deze vesikels met het buitenste membraan van de cel en storten ze hun inhoud in de opening tussen de neuronen. Als dit laadperron defect raakt of niet goed functioneert, komt de boodschap niet door. Dit falen is een centraal kenmerk van veel neurologische ziekten, maar het herstellen ervan is moeilijk gebleken omdat de betrokken machinerie bestaat uit vele grote, complexe eiwitten die moeilijk te repareren of te vervangen zijn.

Onderzoekers zoeken al lang naar een manier om deze complexiteit te omzeilen, bijvoorbeeld door een eenvoudigere, kunstmatige versie van het laadperron te bouwen die de functie kan herstellen wanneer het natuurlijke exemplaar faalt. In een nieuwe studie hebben wetenschappers van Harvard Medical School precies zo'ts een oplossing ontwikkend. Ze creëerden twee aangepaste eiwitten die ontworpen zijn om de vrijgave van chemische boodschappers te herstarten, zelfs wanneer de natuurlijke machinerie van de cel is gedemonteerd. Een van deze aangepaste eiwitten gaat zelfs een stap verder door niet alleen de functie te herstellen, maar de vrijgave van boodschappen ook sterker te maken dan deze voorheen was. Dit werk suggereert een nieuw pad voor de behandeling van aandoeningen waarbij de communicatielijnen van de hersenen te zwak zijn geworden om de noodzakelijke signalen over te dragen.

Het verhaal begint bij een specifiek type zenuwcel waarbij de onderzoekers doelbewust de belangrijkste onderdelen van de actieve zone hebben verwijderd. In deze cellen was de natuurlijke machinerie voor het voorbereiden en vrijgeven van neurotransmitters verdwenen, en konden de cellen niet meer communiceren. Het team testte eerst een eerder ontwikkeld eiwit, dat zij β4-Zn noemen. Dit eiwit werkt door een natuurlijk hulpmolecuul, bekend als Munc13, naar de plek te rekruteren waar de vrijgave zou moeten plaatsvinden. In cellen die nog steeds hun eigen Munc13 hadden maar andere delen van de actieve zone misten, werkte deze aanpak goed en herstelde het het vermogen om boodschappen vrij te geven. Echter, toen de onderzoekers het Munc13-molecuul volledig verwijderden, faalde het β4-Zn-eiwit. Het kon de taak niet alleen volbrengen omdat het vertrouwde op de resterende onderdelen van de cel om te functioneren.

Om dit op te lossen, besloot het team een eiwit te bouwen dat niets van de cel hoeft te rekruteren. In plaats daarvan namen ze de meest cruciale functionele delen van het Munc13-molecuul en voegden deze direct samen met een targeting-component die eiwitten naar het zenuwuiteinde leidt. Deze nieuwe creatie, genaamd β4-MC, bevat twee specifieke secties van Munc13: een regio die verantwoordelijk is voor het assembleren van de moleculaire klemmen die vesikels laten fuseren, en een regio die helpt de hele structuur aan het celmembraan te verankeren. Toen de onderzoekers β4-MC in de cellen introduceerden die volledig gestript waren van hun actieve zone-machinerie, werkte het. Het eiwit dockte de vesikels succesvol, bereidde ze voor op vrijgave en liet de zenuwcellen weer chemische signalen afvuren, waardoor het laadperron effectief vanaf nul werd herbouwd met behulp van één compact instrument.

De onderzoekers onderzochten vervolgens precies hoe dit nieuwe eiwit werkte door te testen wat er gebeurde wanneer ze de verschillende onderdelen ervan uitschakelden. Ze ontdekten dat zowel de als de andere secties van het β4-MC-eiwit essentieel waren voor de feitelijke vrijgave van het chemische signaal. Als ze het deel uitschakelden dat de fusieklemmen assembleert, konden de vesikels hun inhoud niet vrijgeven. Als ze het deel uitschakelden dat het eiwit aan het membraan verankert, konden de vesikels niet eens dicht genoeg bij de rand komen om vrij te worden gegeven. Interessant genoeg ontdekten ze dat het verankeringsdeel ook nodig was om de vesikels op hun plaats te houden, maar dat het fusiedeel niet vereist was om ze daar enkel vast te houden. Dit onthulde dat de stappen van het vasthouden van een vesikel op zijn plaats en het voorbereiden om te fuseren, onderscheidbare processen zijn die apart kunnen worden gecontroleerd.

Naast het repareren van defecte cellen vroegen het team zich af of deze aangepaste eiwitten de communicatie in gezonde cellen die al correct functioneerden, konden verbeteren. In normale muurneuronen en in menselijke neuronen gekweekt uit stamcellen herstelde het β4-MC-eiwit de functie niet alleen, maar verbeterde het deze ook. Cellen die dit eiwit bevatten, gaven meer neurotransmitters vrij en deden dit met grotere betrouwbaarheid. De onderzoekers observeerden dat het eiwit de kans vergrootte dat een signaal een vrijgave zou triggeren, waardoor de synaps gevoeliger en efficiënter werd. In tegenstelling hiertoe had de eerdere versie, β4-Zn, geen effect op gezonde cellen, wat bevestigde dat het nieuwe ontwerp een uniek voordeel biedt door de prestaties actief te stimuleren in plaats van enkel schade te herstellen.

Om te zien of deze aanpak zou werken in een levend dier, richtten de onderzoekers zich op het dopaminesysteem in de hersenen, dat cruciaal is voor beweging en motivatie en bekend staat om het falen bij de ziekte van Parkinson. Ze gebruikten een virus om de aangepaste eiwitten rechtstreeks in de hersenen van muizen te brengen. In muizen waarbij de natuurlijke actieve zone-eiwitten uit de dopamine-neuronen waren verwijderd, herstelde het β4-Zn-eiwit succesvol de dopaminevrijgave, waardoor de niveaus bijna normaal werden. In gezonde muizen verhoogde het β4-MC-eiwit de hoeveelheid dopamine die vrijkwam tijdens stimulatie. Dit toonde aan dat de aangepaste eiwitten konden functioneren in de complexe omgeving van een levende hersen, waarbij ze specifieke zenuwcellen targeten en hun output verbeteren zonder de rest van het systeem te verstoren.

De studie concludeert dat deze aangepaste eiwitten veelzijdige instrumenten zijn die zowel het communicatienetwerk van de hersenen kunnen repareren als versterken. Door de essentiële functies van complexe moleculaire machines te destilleren tot compacte, zelfstandige eenheden, hebben de onderzoekers een methode gecreëerd om de noodzaak van de oorspronkelijke, fragiele assemblageband van de cel te omzeilen. Hoewel het werk nog in een vroeg stadium verkeert, biedt het een concreet bewijs van concept dat synaptische functie kan worden hersteld en verbeterd door middel van precieze eiwitengineering. Deze aanpak zou op een dag een manier kunnen bieden om neurologische stoornissen te behandelen door de sterkte van de signalen die de circuits van de hersenen draaiende houden direct te versterken, wat hoop biedt voor condities waarbij de natuurlijke machinerie simpelweg is uitgeput of defect is geraakt.