Cryo-ET of prion-infected neurons reveals nanopathology shared with Huntington disease models
Door een cryo-correlatieve licht- en elektronenmicroscopie-workflow te gebruiken, onthult deze studie dat prion-geïnfecteerde neuronen onderscheidende nanoscopische pathologische kenmerken vertonen, waaronder gefragmenteerde fibrillen binnen membraangecompartimenten en mitochondriale granula-accumulatie, die opvallend vergelijkbaar zijn met de kenmerken die worden waargenomen in Huntington disease-modellen, wat duidt op gedeelde mechanismen van neuronale dysfunctie over neurodegeneratieve ziekten heen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Neurodegeneratieve ziekten zoals Alzheimer, Parkinson en Huntington delen een angstwekkende gemeenschappelijkheid: ze worden gedreven door eiwitten die verkeerd vouwen, samenklonteren en langzaam de hersenen vernietigen. Decennialang hebben wetenschappers een specifieke, zeer besmettelijke versie van dit proces bestudeerd, de prionziekte, waarbij een kwaadaardig eiwit als een mal fungeert die gezonde eiwitten dwingt om dezelfde schadelijke vorm aan te nemen. Deze verkeerd gevouwen clusters, bekend als prionen, kunnen van cel naar cel verspreiden en uiteindelijk neuronen doden. Hoewel onderzoekers langdurig begrepen dat deze eiwitaggregaten de boosdoener zijn, bleven de exacte mechanismen van hoe ze bewegen, groeien en een levende zenuwcel beschadigen verborgen. Het probleem is dat traditionele methoden om deze cellen te bekijken vaak vereisen dat ze op een manier worden ingevroren die hun delicate interne structuren vervormt of dat ze uit hun natuurlijke omgeving worden verwijderd, waardoor er een gat in onze kennis blijft over hoe deze ziekten zich daadwerkelijk ontvouwen in een werkende hersenfunctie.
Een team van onderzoekers aan het Imperial College London heeft nu enkele van deze ontbrekende stukjes ingevuld door een nieuwe manier te ontwikkelen om in geïnfecteerde neuronen te kijken zonder ze te verstoren. Ze creëerden een workflow die lichtmicroscopie combineert met een krachtige beeldvormingstechniek genaamd cryo-elektrontomografie. Deze methode stelt hen in staat om levende neuronen in een fractie van een seconde te bevriezen, waardoor ze worden bewaard in een staat van "vitreus ijs" die hun natuurlijke, waterige omgeving nabootst. Door de infectieuze prionzaden te labelen met een fluorescerende kleurstof en vervolgens antilichamen te gebruiken om de nieuwe, groeiende klonters van ziekteveroorzakende eiwitten op te sporen, konden de wetenschappers de infectie in realtime volgen voordat de cellen werden ingevroren. Vervolgens gebruikten ze een elektronenmicroscoop om duizenden afbeeldingen vanuit verschillende hoeken te maken en deze aan elkaar te voegen om een driedimensionale kaart van het binnenste van het neuron te bouwen op een schaal die zo fijn is dat individuele eiwitvezels zichtbaar worden.
De onderzoekers concentreerden zich op primaire muizenneuronen, die representatiever zijn voor het menselijk brein dan de vereenvoudigde cellijnen die vaak in laboratoria worden gebruikt. Ze infecteerden deze cellen met fluorescerend gelabelde prionen en wachtten tot de ziekte zich manifesteerde. Toen ze de bevroren cellen onderzochten, ontdekten ze dat de nieuwe, ziektegeassocieerde eiwitclusters er niet uitzagen als de lange, solide touwen van eiwit die eerder werden gezien in gezuiverde monsters. In plaats daarvan verschenen deze clusters binnen de levende neuron als korte, gefragmenteerde vezels. Deze fragmenten zweefden niet vrij rond; ze waren dicht gepakt binnen membraangebonden compartimenten, zoals kleine bubbels binnen de cel. Vaak werden deze compartimenten omringd door microtubuli, de structurele rails die langs de armen van het neuron lopen. De onderzoekers merkten ook op dat de nieuwe eiwitclusters vaak werden vergezeld door vreemde, platte, plaatachtige structuren die extreem dicht en donker waren onder de elektronenstraal.
Misschien wel de meest opvallende ontdekking was dat deze plaatachtige structuren niet uniek waren voor de prionziekte. Dezelfde elektronendichte platen waren recentelijk waargenomen in neuronen die werden aangetast door de ziekte van Huntington, een volkomen andere genetische stoornis. In beide gevallen verschenen deze platen in verschillende stadia van vorming, van kleine, amorfe klonters tot grote, volwassen platen die leken te duwen tegen en de membranen van de cel te vervormen. De onderzoekers ontdekten ook dat de mitochondriën — de energieproducerende krachtcentrales van de cel — gevuld waren met vergrote, elektronendichte granules in de geïnfecteerde neuronen. Deze granules waren aanzienlijk groter dan die in gezonde, niet-geïnfecteerde neuronen van dezelfde leeftijd. Deze bevinding werd ook gedeeld met de modellen van de ziekte van Huntington, wat suggereert dat, ondanks de verschillende oorzaken van de twee ziekten, de cellen reageren met een vergelijkbaar, specifiek type interne schade.
De studie suggereert dat de manier waarop deze ziekten neuronen vernietigen, mogelijk een gedeelde set cellulaire stressreacties omvat. De aanwezigheid van de plaatachtige aggregaten en de vergrote mitochondriale granules in zowel de prion- als de Huntington-modellen wijst erop dat verschillende ziekteverwekkers dezelfde uiteindelijke paden van cellulaire nood mogelijk maken. De onderzoekers stellen voor dat deze plaatachtige aggregaten een teken kunnen zijn van de poging van de cel om de overweldigende eiwitophoping te beheersen, mogelijk via een proces dat autofagie wordt genoemd, waarbij de cel probeert zijn eigen afval op te ruimen. Als dit opruimsysteem overbelast raakt of faalt, kan dit leiden tot de accumulatie van deze platen en granules, wat uiteindelijk leidt tot het functioneren van de cel. Het feit dat deze kenmerken in twee zeer verschillende ziekten voorkomen, roept de mogelijkheid op dat behandelingen gericht op het helpen van de cel om dit specifieke type afval op te ruimen, effectief kunnen zijn bij een breed scala aan neurodegeneratieve aandoeningen.
Door deze processen in hun natuurlijke staat te visualiseren, zijn de onderzoekers verder gegaan dan het kijken naar geïsoleerde eiwitmonsters om te zien hoe de ziekte zich daadwerkelijk binnen een levende cel gedraagt. Ze ontdekten dat de omgeving van het neuron de structuur van het infectieuze eiwit zelf vormgeeft, waardoor het gefragmenteerd en begrensd blijft in plaats van te groeien tot de lange vezels die in een reageerbuis worden gezien. Dit werk lost het mysterie van hoe deze ziekten te genezen, niet op, maar het biedt een veel duidelijker beeld van het slagveld. Het laat zien dat de schade niet slechts een eenvoudige ophoping van slechte eiwitten is, maar een complexe interactie die betrokken is bij membraancompartimenten, cellulaire opruimsystemen en energiecentra. Het begrijpen van deze gedeelde kenmerken biedt een nieuw perspectief op hoe de neuronen te beschermen, waarbij wordt gesuggereerd dat therapieën die ontworpen zijn om het natuurlijke vermogen van de cel om met stress om te gaan en afval op te ruimen te ondersteunen, hoop kunnen bieden bij de behandeling van meerdere soorten hersenziekten tegelijk.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.