Mutacje genetyczne w SLA – mechanizmy molekularne i białka kluczowe

Czynniki genetyczne stanowią fundamentalną podstawę patogenezy stwardnienia zanikowego bocznego, przy czym dotychczas zidentyfikowano ponad 120 genów związanych z rozwojem tej choroby¹. Przeważającą teorią jest to, że akumulacja nieprawidłowych białek z powodu aberrantnego przetwarzania RNA jest zaangażowana w rozwój SLA¹. Zrozumienie genetycznych mechanizmów patogenezy ma kluczowe znaczenie dla rozwoju ukierunkowanych terapii, szczególnie w przypadkach rodzinnych, które stanowią około 10% wszystkich przypadków SLA.

Genetyczna heterogenność SLA odzwierciedla złożoność mechanizmów prowadzących do degeneracji neuronów ruchowych. Różne mutacje mogą prowadzić do podobnych efektów końcowych poprzez zaburzenie różnych szlaków komórkowych, co sugeruje istnienie wspólnych mechanizmów downstream odpowiedzialnych za śmierć neuronów ruchowych². Identyfikacja tych wspólnych szlaków jest kluczowa dla zrozumienia, dlaczego różne mutacje genetyczne prowadzą do podobnego fenotypu klinicznego.

Mutacje w genie SOD1

Mutacje w genie dysmutazy ponadtlenkowej 1 (SOD1) stanowią najczęstszą przyczynę rodzinnej postaci SLA i są obecne w 15-20% przypadków rodzinnych³. SOD1 jest przede wszystkim antyoksydacyjnym metaloenzymem, który katalizuje konwersję rodnika ponadtlenkowego (O2.-) do tlenu (O2) i nadtlenku wodoru (H2O2)⁴. Jednak SLA związana z mutacjami SOD1 najprawdopodobniej nie jest spowodowana utratą normalnej aktywności SOD1, ale raczej zyskiem toksycznej funkcji⁴.

Większość mutacji SOD1 związana jest z autosomalnie dominującą postacią choroby (ALS1), przy czym G93A, alanina w kodonie 4 zmieniona na walinę (A4V), H46R i D90A to najczęściej raportowane mutacje ALS⁵. Mutacje genów mogą powodować dominujący zysk funkcji, skutkujący zwiększeniem aktywności SOD1 z nadmierną produkcją H2O2, lub dominującą utratę funkcji ze zmniejszeniem aktywności enzymu, co skutkuje niewystarczającą degradacją reaktywnych form tlenu⁵.

Jedna z hipotez dotyczących toksyczności mutantnej SOD1 w rodzinnej postaci SLA proponuje, że aberrantna chemia SOD1 jest odpowiedzialna za toksyczny zysk funkcji, który umożliwia małym cząsteczkom, takim jak nadazotyn lub nadtlenek wodoru, produkcję szkodliwych wolnych rodników⁴. Agregacja SOD1 jest wczesnym zdarzeniem w SLA i może mediować degenerację neuronów ruchowych poprzez sekwestrację składników komórkowych, zmniejszenie aktywności chaperonów i szlaku ubikwityna-proteasom⁴.

Rola białka TDP-43

Przełomowym momentem w zrozumieniu patogenezy SLA było zidentyfikowanie w 2006 roku 43-kDa transactive response (TAR) DNA-binding protein (TDP-43) jako kluczowego patologicznego substratu inkluzji cytoplazmatycznych w sporadycznej postaci SLA i zwyrodnieniu płata czołowo-skroniowego z inkluzjami ubikwityny (FTLD-U)⁶. TDP-43 jest białkiem transportującym mRNA z jądra do cytoplazmy, które nieprawidłowo się fałduje i wytrąca w cytoplazmie neuronów ruchowych pacjentów ze sporadyczną postacią SLA/FTLD i większości przypadków rodzinnej postaci SLA/FTLD⁷.

Akumulacja TDP-43 jest obecna w większości przypadków sporadycznej postaci SLA, FTD, SLA-FTD i niektórych przypadkach rodzinnej postaci SLA¹. Mechanizmy patogenetyczne TDP-43 mogą wynikać z utraty ich normalnej funkcji z powodu deplecji jądrowej w SLA, zysku toksycznej funkcji z powodu ich cytoplazmatycznej agregacji, lub kombinacji obu mechanizmów, które nie wykluczają się wzajemnie⁸.

W badaniu przeprowadzonym na neuronach ruchowych pochodzących od pacjentów z SLA, badacze wykazali, że każda z trzech różnych mutacji TDP-43 upośledzała dostarczanie cząsteczek RNA do ich ostatecznego miejsca przeznaczenia w pobliżu połączenia, gdzie nerw spotyka się z docelowym mięśniem⁹. Badacze wykazali, że TDP-43 jest częścią cząsteczki zwanej granulą transportu RNA, a w ludzkich neuronach ruchowych rosnących w laboratorium stwierdzili, że granule transportowe z mutantnym TDP-43 były bardziej skłonne do zatrzymywania się w drodze do zakończenia nerwowego i czasami zmieniały kierunek¹⁰.

Mutacje w genie FUS

Identyfikacja mutacji TDP-43 została następnie uzupełniona przez odkrycie mutacji w innym białku wiążącym RNA/DNA FUS/TLS (fused in sarcoma i translocated in liposarcoma) w 2009 roku jako głównej przyczyny rodzinnej postaci SLA¹¹. FUS, podobnie jak TDP-43, jest białkiem wiążącym RNA zaangażowanym w różne aspekty metabolizmu RNA, w tym transkrypcję, splicing i transport RNA⁸.

Mechanizmy patogenetyczne TDP-43 i FUS mogą wynikać z utraty ich normalnej funkcji z powodu deplecji jądrowej w SLA, zysku toksycznej funkcji z powodu ich cytoplazmatycznej agregacji, lub kombinacji obu mechanizmów⁸. Właściwości agregacyjne TDP-43 i FUS są związane z ich fizjologiczną rolą w tworzeniu granul stresowych¹². Chociaż dokładne mechanizmy cytotoksyczności FUS nie są jeszcze w pełni zrozumiane, sugeruje się, że zjawiska zysku i utraty funkcji mogą współistnieć, jak ma to miejsce w przypadku TDP-43¹³.

Ekspansje powtórzeń C9ORF72

Najnowszym głównym odkryciem genetycznym w SLA było zidentyfikowanie ekspansji powtórzeń heksanukleotydowych GGGGCC w genie C9ORF72 (chromosome 9 open reading frame 72), które są związane z SLA z demencją czołowo-skroniową lub bez niej¹⁴. Gen C9ORF72 jest szczególny, ponieważ znajduje się w regionie intronicznym i jest transkrybowany, chociaż normalnie tylko eksony są transkrybowane, nie introny¹⁵.

Kilka cytotoksycznych mechanizmów zostało opisanych dla ekspansji powtórzeń heksanukleotydowych C9ORF72, a ich względny wkład w patogenezę SLA jest obecnie przedmiotem badań¹². SLA została powiązana z utratą funkcji genu C9ORF72, zyskiem funkcji poprzez powtórzenia RNA, zyskiem funkcji poprzez białko DPR oraz tworzeniem G-quadrupleksów¹⁵.

Sposób działania w SLA odbywa się poprzez sekwestrację istotnych białek wiążących RNA do agregatów RNA zawierającego powtórzenia w jądrze dotkniętej komórki¹⁵. Niektóre badania obejmujące pacjentów z tą ekspansją wykazały, że ich poziomy mRNA C9ORF72 były do 50% niższe, co sugeruje, że mutantny allel prawdopodobnie nie jest w stanie produkować dojrzałego RNA, co byłoby związane z hipotezą procesu utraty funkcji¹⁶.

Inne istotne geny

Oprócz głównych genów SOD1, TDP-43, FUS i C9ORF72, wiele innych genów zostało powiązanych z SLA. Znaczna część przypadków SLA jest spowodowana mutacjami w białkach wiążących RNA i/lub obejmuje ich dysfunkcję funkcjonalną, co wskazuje na aberrantny metabolizm RNA jako wspólny mechanizm patogenetyczny¹⁷. Rosnąca lista białek granul RNP została uwikłana w SLA, z których większość jest modyfikowana przez mutacje powodujące chorobę, w tym TDP-43, FUS, TAF15, EWS, hnRNP A2/B1, hnRNP A1, TIA-1, profilin1, angiogenin, SFPQ i CREST¹⁷.

Gen VCP odgrywa rolę w rozkładzie i oczyszczaniu białek i powiązanych cząsteczek, które gromadzą się w tymczasowych strukturach zwanych granulami RNA¹⁸. W SLA i powiązanych chorobach degeneracyjnych proces składania i oczyszczania granul RNA jest upośledzon¹⁸. Badanie wykazuje, jak mutacje w VCP mogą przyczyniać się do tego procesu i choroby neurodegeneracyjnej¹⁸.

Wspólne szlaki patogenetyczne

Pomimo różnorodności mutacji genetycznych prowadzących do SLA, wydaje się, że konwergują one w kilku kluczowych szlakach komórkowych. Wspólne szlaki chorobowe obejmują zaburzenia w przetwarzaniu RNA, autofagii, systemie ubikwityna-proteasom, odpowiedzi na nieprawidłowo fałdowane białka i transporcie wewnątrzkomórkowym¹⁹. Obecne rozumienie SLA i FTD jest takie, że niektóre formy tych zaburzeń reprezentują spektrum choroby z konwergencyjnymi mechanizmami neurodegenracji¹⁹.

Narastające dowody wskazują, że większość dowodów wskazuje na to, że neurodegenracja indukowana przez ekspansję powtórzeń heksanukleotydowych C9ORF72 (HRE) jest w dużej mierze zależna od mechanizmu toksycznego nabycia²⁰. Wszystkie powyższe mechanizmy mogą przyczyniać się do choroby C9ORF72 i rozprzestrzeniania się patologii TDP-43 u pacjentów z ekspansjami powtórzeń heksanukleotydowych¹².

Zrozumienie tych wspólnych mechanizmów jest kluczowe dla rozwoju terapii, które mogą być skuteczne niezależnie od konkretnej mutacji genetycznej. Identyfikacja punktów konwergencji różnych szlaków patogenetycznych może prowadzić do opracowania strategii terapeutycznych o szerokim spektrum działania, które będą skuteczne w różnych formach genetycznych SLA.