HSP70 activates selective autophagy via UBQLN2 to alleviate hSOD1G93A-mediated neurotoxicity in NSC-34 cellular model of ALS

Het menselijk lichaam is een meester in recycling. Binnen onze cellen zorgt een constante stroom van werk ervoor dat oude of beschadigde eiwitten worden afgebroken en opgeruimd, wat ruimte maakt voor nieuwe, gezonde exemplaren. Deze schoonmaakploeg vertrouwt op twee belangrijke instrumenten: een systeem dat werkt als een versnipperaar voor individuele eiwitten, en een groter systeem genaamd autofagie, dat functioneert als een vrachtwagen voor grofvuil die brokken puin oppakt en naar een afvoersite vervoert. Wanneer dit systeem goed werkt, blijven cellen gezond. Wanneer het faalt, hoopt giftig afval zich op, wat leidt tot celsterfte. Deze ontregeling is een centraal kenmerk van amyotrofische laterale sclerose, een verwoestende ziekte die de zenuwcellen vernietigt die onze spieren aansturen. In veel gevallen van deze ziekte muteert een specifiek eiwit genaamd SOD1, waardoor het in de verkeerde vorm vouwt en samenklontert in giftige hopen die de cel niet kan afbreken.

Wetenschappers weten al lang dat cellen proberen terug te vechten tegen deze giftige ophoping door meer van een helper-eiwit aan te maken, genaamd HSP70. Beschouw HSP70 als een moleculaire chaperone, een werker die probeert de verkeerd gevouwen eiwitten te ontwarren of ze te markeren voor verwijdering. Echter, in de ziektetoestand schiet deze inspanning vaak tekort. De cel lijkt wel de werker te hebben, maar het mist de benodigde apparatuur om het afval daadwerkelijk naar de afvoersite te krijgen. Een cruciaal onderdeel van deze ontbrekende apparatuur is een eiwit genaamd UBQLN2, dat fungeert als een brug die het gemarkeerde afval verbindt met de verzamelwagens van de autofagie. De vraag waarmee onderzoekers werden geconfronteerd, was of het verhogen van het aantal chaperone-werkers het probleem zou kunnen oplossen als de brug zelf kapot of afwezig was.

Een team van onderzoekers aan de Beijing University of Chinese Medicine ging dit beantwoorden door een model van de ziekte in een schaal te bouwen. Ze namen een lijn cellen die zich gedragen als motorneuronen en introduceerden een gemuteerde versie van het SOD1-eiwit, het type dat de ziekte bij mensen veroorzaakt. Zoals verwacht begonnen deze cellen te worstelen. Het gemuteerde SOD1 vormde giftige hopen en het vermogen van de cellen om deze op te ruimen stagneerde. De onderzoekers observeerden een klassiek teken van een geblokkeerde afvoerlijn: de cellen zaten vol met zowel de verzamelwagens die wachtten om te vertrekken als het afval dat wachtte om geladen te worden, wat betekende dat de wagens wel werden gevormd, maar nooit bij de afvoersite aankwamen. Als reactie op deze crisis probeerden de cellen van nature te helpen door meer van de HSP70-chaperone aan te maken. Toch bleef het giftige afval, ondanks deze toename, aanwezig. Tegelijkertijd merkten de onderzoekers op dat de niveaus van UBQLN2, het cruciale brug-eiwit, aanzienlijk waren gedaald. De cellen hadden de werkers, maar de brug was weg.

Om te testen of de brug de ontbrekende schakel was, manipuleerden de wetenschappers de niveaus van HSP70 in deze zieke cellen. Wanneer ze de cellen dwongen om nog meer HSP70 aan te maken, verbeterde de situatie drastisch. De giftige SOD1-hopen begonnen te verdwijnen en het afvalverwijderingssysteem kwam weer in bewegen. De wagens die vaststonden in de file, kwamen eindelijk door en het giftige afval werd afgebroken. Dit suggereerde dat het hebben van voldoende chaperone-werkers de schoonmaakprocedure inderdaad kon herstarten. De onderzoekers vermoedden echter dat dit succes volledig afhankelijk was van de aanwezigheid van de brug. Om dit te bewijzen, herhaalden ze het experiment, maar deze keer verwijderden ze de UBQLN2-brug terwijl ze tegelijkertijd de HSP70-werkers verhoogden. Het resultaat was onmiddellijk en duidelijk: de schoonmaak stopte. Zelfs met een overvloed aan chaperone-werkers hoopte het giftige afval weer op en bleven de verzamelwagens stilstaan. Het systeem faalde volledig zonder de brug.

Het team keek vervolgens nauwer naar hoe deze twee eiwitten met elkaar interageren. Met behulp van een methode waarbij eiwitten uit een mengsel worden getrokken om te zien waar ze zich aan binden, ontdekten ze dat HSP70 en UBQLN2 fysiek aan elkaar binden. Wanneer de onderzoekers de hoeveelheid HSP70 verhoogden, bonden de twee eiwitten zich sterker aan elkaar, waardoor hun verbinding met ongeveer de helft toenam. Deze fysieke link lijkt het mechanisme te zijn dat de chaperone in staat stelt het giftige afval over te dragen aan de brug, die het vervolgens naar het afvoersysteem begeleidt. De studie sloot ook de mogelijkheid uit dat het simpelweg maken van meer afvalverzamelingswagens het probleem zou oplossen. Wanneer ze een medicijn gebruikten dat bekend staat om het triggeren van de vorming van meer wagens, werd het giftige afval niet effectief opgeruimd. Dit bevestigde dat het probleem niet een gebrek aan wagens was, maar een falen in het specifieke proces van het laden en leveren van het giftige SOD1-afval.

De bevindingen suggereren dat de ziekte een specifieke flessenhals creëert waarbij de natuurlijke poging van de cel om meer chaperones aan te maken wordt gedwarsboomd omdat het brug-eiwit uitgeput is. De onderzoekers stellen dat de sleutel tot het oplossen hiervan ligt in een gecoördineerde aanpak. Het simpelweg toevoegen van meer chaperones kan helpen, maar alleen als het brug-eiwit ook aanwezig en functioneel is. De studie geeft aan dat de relatie tussen de chaperone en de brug een cruciale hub is in het vermogen van de cel om de orde te handhaven. Als deze verbinding verbroken is, kan de cel het giftige afval dat tot zenuwsterfte leidt, niet opruimen. Hoewel dit werk in een laboratoriummodel is uitgevoerd en niet bij levende patiënten, biedt het een duidelijke kaart van de betrokken machinerie. Het wijst naar een potentiële strategie waarbij behandelingen zich mogelijk moeten richten op zowel het verhogen van de helper-eiwitten als het waarborgen dat de brug-eiwitten stabiel blijven, wat een nieuwe manier biedt om na te denken over hoe de cel in staat gesteld kan worden zichzelf weer te reinigen.