Immunoproteasome Deficiency Impairs Microglial Clearance and Worsens Tau and Amyloid Pathology

In de verouderende hersenen signaleert een langzame ophoping van eiwitafval vaak het begin van de ziekte van Alzheimer. Twee soorten van deze eiwitten, tau en amyloïd-bèta, klonteren samen om toxische aggregaten te vormen die de communicatie tussen zenuwcellen verstoren. Om deze opbouw te overleven, vertrouwen de hersenen op hun eigen schoonmaakploeg: gespecialiseerde immuuncellen genaamd microglia. Deze cellen fungeren als de vuilnisophalers van de hersenen, die constant scannen naar en beschadigde eiwitten doorslikken. Het doorslikken van het afval is echter slechts de eerste stap. Voor een succesvolle schoonmaak moeten de microglia ook in staat zijn om te breken wat ze hebben gegeten binnen hun eigen cellen. Als de interne machinerie die deze eiwitten verteert faalt, stapelt het afval zich op, blijven de cellen verstopt en gaat het toxische afval zich verder verspreiden.

Jarenlang debatteerden wetenschappers over de rol van een specifieke cellulaire machine genaamd het immunoproteasoom in dit proces. Deze machine is een gespecialiseerde versie van de standaard eiwitrecyclingunit van de cel, die wordt ingeschakeld wanneer het lichaam te maken krijgt met ontsteking of stress. In de context van Alzheimer waren onderzoekers er onzeker over of de aanwezigheid van deze machine de hersenen helpt bij het bestrijden van de ziekte door het opruimen van toxische eiwitten, of dat het de situatie verergert door de ontsteking aan te wakkeren die de hersenen beschadigt. Deze onzekerheid maakte het moeilijk om te weten of therapieën deze machine probeerden te stimuleren of juist uit te schakelen.

Een nieuwe studie van onderzoekers van het Columbia University Irving Medical Center heeft deze vraag beantwoord door direct te kijken naar wat er gebeurt wanneer deze machine ontbreekt. Het team gebruikte muizen die genetisch gemanipuleerd waren om het immunoproteasoom te missen en kruiste deze met muizen die symptomen ontwikkelen die lijken op Alzheimer. Ze ontdekten dat zonder deze specifieke machine de schoonmaakploeg van de hersenen haar werk niet afkrijgt. De microglia in deze muizen konden de toxische eiwitklonten nog steeds vinden en doorslikken, maar ze konden ze niet verteren. Als gevolg hiervan stapelden de toxische eiwitten zich op tot hogere niveaus en bleven de immuuncellen van de hersenen in een staat van constante, onproductieve stress. De studie suggereert dat het immunoproteasome geen schurk is die ontsteking aanjaagt, maar een essentieel hulpmiddel dat de immuuncellen van de hersenen in staat stelt om het afval dat de ziekte van Alzheimer veroorzaakt, succesvol op te ruimen.

Om te begrijpen hoe deze mislukking optreedt, keken de onderzoekers eerst naar de hersenen van muizen die zowel het immunoproteasoom misten als de genetische mutaties voor de tau-ziekte droegen. Ze vonden dat deze muizen aanzienlijk meer toxisch tau-eiwit hadden dan muizen met de machine intact. De immuuncellen in deze hersenen waren ook actiever; ze leken groter en talrijker, wat meestal signaleert dat ze een probleem bestrijden. De onderzoekers controleerden echter ook de standaard eiwitrecyclingunit, die anders werkt dan het immunoproteasoom, en vonden dat deze normaal functioneerde. Dit betekende dat de toename van het toxische eiwit niet kwam doordat het algemene recyclingsysteem kapot was, maar specifiek omdat het gespecialiseerde immunoproteasoom ontbrak. Dezelfde patronen verschenen in een tweede groep muizen die zowel amyloïd- als tau-pathologie ontwikkelden; zonder het immunoproteasoom was de opbouw van beide toxische eiwitten erger en waren de immuuncellen reactiever.

De onderzoekers stelden vervolgens een cruciale vraag: faalden de immuuncellen in het vinden van het afval, of faalden ze in het eten ervan? Om dit te beantwoorden, bekeken ze de cellen in een schotel onder een microscoop. Ze mengden gezonde immuuncellen met cellen die toxische tau-klonten afstootten. Ze observeerden dat de immuuncellen zonder het immunoproteasoom net zo goed in staat waren om de toxische klonten te vinden en te grijpen als de gezonde cellen. Ze slikten het materiaal prima door. Het probleem gebeurde na het doorslikken. In de gezonde cellen vervaagde de groene gloed van het gegeten toxische eiwit na verloop van tijd naarmate het werd afgebroken. In de cellen die het immunoproteasoom misten, bleef de groene gloed urenlang fel en zat het vast in de cel. De cellen hadden het afval opgenomen, maar hun interne spijsverteringsmachinerie was gestagneerd.

Om te bevestigen dat dit ook in een levend brein gebeurde, gebruikte het team een krachtige beeldvormingstechniek waarmee ze dezelfde cellen gedurende meerdere uren binnen de schedel van een muis konden volgen. Ze injecteerden een fluorescerende marker in de hersenen om het toxische tau-eiwit te markeren en volgden hoe de immuuncellen ermee interageerden. In de controlemuizen nam de immuuncel de gemarkeerde proteïne op en nam de hoeveelheid gloeiend materiaal in hen gedurende zes uur gestaag af. In de muizen zonder het immunoproteasoom nam de hoeveelheid gloeiend materiaal in de immuuncellen niet af; het nam zelfs soms toe. Dit bewees dat het defect niet lag in het vermogen om het eiwit te grijpen, maar in het vermogen om het te vernietigen zodra het binnen de cel was. De cellen zaten gevangen in een lus van eten zonder te verwerken.

De studie keek ook naar het gedrag van deze muizen om te zien of deze cellulaire mislukking vertaalde naar problemen in de echte wereld. De onderzoekers testten de muizen in een groot waterbekken waarin ze een verborgen platform moesten vinden. Hoewel de muizen zonder het immunoproteasom geen duidelijke onbekwaamheid vertoonden om de locatie van het platform te leren, zwommen ze veel sneller en brachten ze meer tijd door met het cirkelen langs de randen van het bekken. Dit suggereerde dat het gebrek aan het immunoproteasom de manier waarop de muizen reageerden op stress of hun omgeving veranderde, waardoor ze hyperactief werden in plaats van simpelweg verward. Dit bevinding is belangrijk omdat het aantoont dat de afwezigheid van deze machine de algehele staat van de hersenen verandert, zelfs als de basisgeheugentest niet onmiddellijk een falen laat zien.

Om te begrijpen waarom de cellen faalden, analyseerden de onderzoekers de genetische instructies binnen de immuuncellen. Ze vonden dat de cellen zonder het immunoproteasom hun interne programmering hadden veranderd. Ze gedroegen zich nog steeds als geactiveerde immuuncellen, maar ze waren de specifieke instructies kwijt die nodig zijn om de lading die ze hadden binnengebracht te verwerken. Ze misten genen die helpen het afval naar de juiste plek voor vertering te verplaatsen. Deze genetische verschuiving was niet uniek voor muizen; toen de onderzoekers data uit menselijke hersenen bekeken, vonden ze dat mensen met lagere niveaus van het immunoproteasom in hun immuuncellen vergelijkbare veranderingen vertoonden in de genen die verantwoordelijk zijn voor de verwerking van eiwitafval. Dit suggereert dat het probleem dat bij de muizen werd waargenomen, relevant is voor de menselijke ziekte.

Interessant genoeg keken de onderzoekers ook naar de energiecentra van de cellen, de mitochondriën, om te zien of de mislukking te wijten was aan een gebrek aan energie. De genetische data suggereerden dat de cellen hun energieproductie naar beneden bijstelden, wat zou kunnen verklaren waarom ze moeite hadden met het verwerken van de zware last aan eiwitten. Echter, toen de onderzoekers de energieoutput van de mitochondriën daadwerkelijk in een laboratoriumschotel testten, vonden ze dat de cellen nog steeds over voldoende kracht beschikten. Dit geeft aan dat het probleem niet een totaal gebrek aan energie is, maar eerder een specifieke breuk in de coördinatie tussen de energietoestand van de cel en het vermogen om afval te verwerken. De cellen proberen te werken, maar de specifieke machinerie die vereist is om de toxische eiwitten af te breken, ontbreekt.

De studie concludeert dat het immunoproteasom een beschermend mechanisme is dat de hersenen gebruiken om de stress van de opbouw van toxische eiwitten aan te kunnen. Wanneer deze machine ontbreekt, worden de immuuncellen van de hersenen reactief en verstopt, waardoor ze niet in staat zijn de schoonmaakprocedure te voltooien. Dit falen zorgt ervoor dat de toxische eiwitten zich ophopen en verspreiden, wat de ziekte verergert. De bevindingen dagen het idee uit dat het immunoproteasom simpelweg een drijfveer is van schadelijke ontsteking. In plaats daarvan lijkt het een noodzakelijk onderdeel te zijn van het defensiesysteem van de hersenen. Als het doel is om Alzheimer te behandelen, suggereert het onderzoek dat het behouden of herstellen van de functie van deze machine mogelijk effectiever is dan het proberen te onderdrukken ervan, aangezien het essentieel is voor het vermogen van de hersenen om het afval op te ruimen dat de ziekte veroorzaakt.