Крупные нейроны при БАС погибают первыми из-за перегрузки защитных систем деградации

Селективная гибель двигательных нейронов — отличительная черта бокового амиотрофического склероза (БАС), однако причины избирательной уязвимости отдельных типов клеток до сих пор не до конца ясны. Особенно чувствительными к дегенерации оказываются крупные спинальные мотонейроны (SMN), отвечающие за сокращение мышц, в то время как глазодвигательные нейроны, схожие по функции, остаются устойчивыми даже на поздних стадиях болезни. Исследователи из Япония предположили, что эта избирательность может быть связана с различиями в интенсивности клеточной деградации, в первую очередь в работе аутофагии и протеасомного пути. Для проверки гипотезы они использовали рыбок Danio rerio, позволяющих наблюдать внутренние процессы на уровне отдельных клеток в реальном времени.

Для картирования активности аутофагии на клеточном уровне ученые применили двойной флуоресцентный репортер GFP-LC3-RFP-LC3ΔG, который позволяет оценить скорость деградации аутофагосом по соотношению сигналов зеленого и красного каналов. В спинном мозге рыбок данио наиболее низкое отношение GFP/RFP (то есть высокая скорость аутофагии) наблюдалось именно у клеток вентральной стороны — в зоне расположения SMN. Дополнительный анализ выявил, что интенсивность аутофагии коррелирует с размером сомы: чем крупнее клетка, тем выше скорость деградации. Это особенно выражено у крупных α-мотонейронов, которые первыми погибают при БАС. При сравнении с глазодвигательными нейронами, устойчивыми к заболеванию, крупные спинальные нейроны демонстрировали значительно более высокий уровень аутофагии, что указывает на связь между размером клетки, нагрузкой на системы деградации и уязвимостью к болезни.

Далее исследователи создали мутантных рыб, у которых отсутствовал белок TDP-43, связанный с БАС у человека. Утрата TDP-43 усилила аутофагию во всех типах нейронов, что говорит о роли белка в сдерживании катаболического стресса. Этот эффект не зависел от транскрипционных факторов TFEB и TFE3, обычно управляющих аутофагией через лизосомные гены: даже при их инактивации ускорение деградации сохранялось.

Параллельно ученые измеряли активность убиквитин-протеасомной системы (UPS) с помощью флуоресцентного репортера EGFP-d410m. Оказалось, что крупные мотонейроны обладают также повышенной протеасомной активностью, что указывает на общую активацию всех катаболических систем. Потеря TDP-43 еще сильнее ускоряла этот процесс.

Чтобы понять, почему этим клеткам приходится перерабатывать больше белков, исследователи измерили активность системы контроля неправильного сворачивания белков (UPR). С помощью репортеров для путей IRE1α-Xbp1 и PERK-ATF4 было показано, что крупные нейроны испытывают хронический стресс эндоплазматического ретикулума — маркер накопления дефектных белков. Это значит, что у них изначально выше вероятность ошибок при синтезе и сворачивании белков, что перегружает системы деградации.

Наконец, блокируя аутофагию через мутантный вариант ATG5, команда показала, что ингибирование деградации тормозит рост аксонов мотонейронов. Это значит, что усиленная аутофагия и работа UPS — не признак повреждения, а нейропротективный ответ, необходимый для нормального развития и поддержания функций нейрона.

Таким образом, крупные мотонейроны изначально находятся в состоянии повышенного катаболического стресса: им приходится перерабатывать больше белков и органелл из-за высокой метаболической активности и размеров клетки. Потеря TDP-43 усиливает эту нагрузку, нарушая баланс между синтезом и утилизацией белков, что в конечном счете может приводить к их гибели. Авторы предлагают рассматривать снижение катаболического стресса как потенциальное направление терапии и профилактики БАС — возможно, более перспективное, чем прямое стимулирование аутофагии.

Развитие БАС может быть связано с нарушением работы первичных ресничек нейронов