Ранние стадии болезни Альцгеймера связали с нарушением транспорта фермента, синтезирующего бета-амилоиды

Ученые из США показали, что повреждение нейронов на ранних стадиях болезни Альцгеймера вызвано накоплением в аксонах фермента BACE1, которое, в свою очередь, может быть связано с нарушением функции белка GGA3.

Credit:
ralwel | 123rf.com

Болезнь Альцгеймера — распространенное нейродегенеративное заболевание. Одним из ее признаков является образование в мозгу амилоидных бляшек — скоплений белков бета-амилоидов (Aβ). Aβ представляют собой пептиды длиной 36-43 аминокислот, производные трансмембранного белка-предшественника бета-амилоида (APP). Группа ученых из США показала, что бляшки образуются из-за накопления фермента бета-секретазы в аксонах.

Бета-секретаза (BACE1) катализирует лимитирующий этап в синтезе Aβ. В здоровых нейронах она локализована в пресинаптических зонах. При болезни Альцгеймера BACE1 накапливается в набухающих частях аксонов. Предыдущая работа группы показала, что лизосомное разложение BACE1 регулирует белок GGA3. В этот раз ученые поставили перед собой задачу выяснить роль GGA3 в нейродегенерации.

Для начала необходимо было выяснить локализацию GGA3 в нейронах. Анализ проводили на нейронах гиппокампа мышей. Серия флуоресцентных меток, а также анализ белковых лизатов из разных частей нейронов показали, что GGA3 обнаруживается как в дендритах, так и в аксоне. При этом BACE1 показывает схожую локализацию.

И GGA3, и BACE1 транспортируются по нейрону в везикулах. Анализ передвижения везикул показал, что GGA3 движется более медленно и преимущественно ретроградно (в сторону тела нейрона), в то время как везикулы, несущие BACE1, — более активно и равноценно в обоих направлениях. При этом 37% везикул, транспортирующих BACE1, также несли и GGA3. Такие везикулы демонстрировали поведение, схожее с везикулами, несущими исключительно GGA3.

Далее ученые выяснили, как удаление GGA3 влияет на накопление BACE1 в нейронах. Для этого они вызвали повышенную экспрессию помеченного флуоресцентным белком BACE1 в GGA3+ и GGA3 нейронах. Как в аксонах, так и в дендритах GGA3 нейронов содержание BACE1 увеличилось.

Исследователи предположили, что отсутствие GGA3 нарушает адекватную транспортировку BACE1. Действительно, мобильность везикул, несущих BACE1, в GGA3 нейронах нарушалась. Возможно, именно накопление BACE1 запускает каскад реакций, ведущий к нарушению нормального функционирования белкового транспорта внутри аксонов.

Анализ in vitro показал, что BACE1 накапливается в везикулах в расширенных участках аксонов. Ученые решили проверить наличие таких «припухлостей» in vivo. Для этого мозжечок GGA3+ и GGA3 мышей окрашивали кальбиндином — специфичным маркером для клеток Пуркинье — и затем измеряли диаметр аксонов этих клеток. У GGA3 мышей обнаружилось в три раза больше расширений аксонов, чем у GGA3+. Также у GGA3 мышей была понижена плотность нейронов и чаще встречались их деформации.

Ингибирование как бета-, так и гамма-секретазы (которая участвует в образовании бета-амилоидов наряду с бета-секретазой ) предотвращало набухание аксонов в GGA3. Введение GGA3+ в нейроны восстанавливало ретроградный транспорт BACE1.

Далее ученые проанализировали геномные данные пациентов с болезнью Альцгеймера из разных источников и обнаружили связь мутации Ins545T в gga3 с развитием болезни. У мышей с вариантом Ins545T мутантный белок GGA3 распределялся по нейронам так же, как и белок дикого типа. Однако введение мутантного GGA3 в GGA3 нейроны не восстанавливало нормальный транспорт BACE1, что говорит о потере функциональности в мутантном белке.

Наконец, авторы работы подтвердили связь нарушенного транспорта BACE1 с образованием амилоидных бляшек. Для этого линию мышей 5XFAD, служащих моделью болезни Альцгеймера, скрестили с GGA3 мышами. Делеция gga3 привела к образованию расширений на нейронах уже в том возрасте, в котором у данной линии мышей не наблюдается внеклеточного накопления Aβ. Это позволяет говорить о том, что накопление BACE1 в аксонах предшествует образованию амилоидных бляшек из-за повышенной экспрессии Aβ, и, вероятно, служит его причиной.

Источник

Selene Lomoio et al. // Gga3 deletion and a GGA3 rare variant associated with late onset Alzheimer’s disease trigger BACE1 accumulation in axonal swellings // Science Translational Medicine, Vol. 12, Issue 570, eaba1871, 18 Nov 2020, DOI: 10.1126/scitranslmed.aba1871

Добавить в избранное