Twee nieuwe muizenmodellen, gecreëerd met de hulp van Packard-onderzoekers, leveren nieuwe informatie op over de manier waarop de C9orf72-herhalingsexpansie ALS veroorzaakt

Sinds de ontdekking van de C9orf72-herhalingsexpansie meer dan vier jaar geleden, is het één van de voornaamste doelstellingen van ALS-onderzoek een dierenmodel te ontwikkelen om beter te begrijpen wat dit gen doet en hoe deze mutatie ALS en frontotemporale dementie (FTD) teweegbrengt. Een belangrijke vraag die vooralsnog onbeantwoord blijft, is of de C9orf72-herhalingsexpansie leidt tot ziekte door het verlies van zijn (tot nu toe onbekende) normale functie, dan wel of RNA en eiwitten die worden gegenereerd door de expansie op zichzelf toxisch zijn - of beide. De honderdduizenden herhaalde nucleotiden in de herhalingsexpansie zijn inherent onstabiel, wat het moeilijk maakt voor onderzoekers om generaties muizen te kweken met hetzelfde aantal herhalingen.

In twee nieuwe studies in het tijdschrift Neuron, hebben wetenschappers van het Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles en de University of Massachusetts Medical School (UMMS), alsmede Packard-wetenschappers Leonard Petrucelli van de Mayo Clinic en Fen-Biao Gao van UMMS, twee verschillende C9orf72-muizenmodellen gecreëerd en gekarakteriseerd. Daarop specificeerden de onderzoekers de moleculaire, fysiologische en gedragskenmerken van het muizenmodel, dat tussen de 100 en de 1.000 kopieën bevat van de zesnucleotide-C9orf72-genherhaling die we terugvinden bij ALS/FTD. Hoewel de moleculaire kenmerken van het model, zoals RNA-foci, rechtstreeks overeenkomen met wat wordt vastgesteld bij veel C9orf72-ALS en -FTD-patiënten, ontwikkelden de muizen geen gedragssymptomen van één van beide ziektes. De muizen bieden echter de gelegenheid om ALS te bestuderen in de vroegste ziektestadia en om de efficiëntie van potentiële therapieën te testen alvorens die op mensen worden getest.

In de eerste Neuron-studie bevestigden de onderzoekers aan het Cedars-Sinai Medical Center in Los Angeles eerst dat de muizen tussen de 100 en de 1.000 kopieën van de herhalingsexpansie bevatten tussen exons 1a en 1b, en gingen dan na of de muizen sommige van de moleculaire kenmerken vertoonden van de C9orf72-expansie die worden vastgesteld bij ALS-patiënten. Omdat de expansie zo lang en repetitief is, schopt ze de mechanismen van de celtranscriptie in de war, waardoor die in de omgekeerde richting opereren, waarbij zowel sense- als antisense-RNA wordt gecreëerd. Dit creëert grote aantallen RNA-molecules en eiwitten die dipeptideherhalingen worden genoemd, waarin twee aminozuren steeds weer worden herhaald. De transgene C9orf72-muizen die de herhalingsexpansie droegen, vertoonden tegen de leeftijd van drie maanden zowel sense- als antisense-RNA-foci in veel neuronen, terwijl dat bij de transgene muizen die een normale kopie droegen van het menselijk C9orf72-gen niet het geval was. De expansiemuizen vertoonden bovendien tegen de leeftijd van 20 maanden een opbouw van dipeptideherhalingseiwitten, hetgeen aangaf dat de eiwitten mettertijd accumuleerden. Toen de onderzoekers kleine moleculen ontwikkelden die het C9orf72-RNA-niveau zouden verlagen, waren ze in staat om het zowel het aantal RNA-foci als het aantal dipeptideherhalingseiwitten te doen verminderen.

De expansiemuizen hadden ook sommige van de meer subtiele moleculaire trekken van ALS. Deze muizen vertoonden een verhoogde hoeveelheid van een eiwit dat nucleoline heet. Dit is betrokken bij de synthese en ontwikkeling van ribosomen, buiten de normale locatie ervan in de nucleolus. Ondanks het feit dat ze tal van moleculaire pathologieën vertoonden die zich voordoen bij ALS-patiënten, kon bij de expansiemuizen geen verschil worden vastgesteld in lichaamsgewicht, grijpkracht of andere fysieke of gedragspatronen, of ze nu jong of oud waren. De auteurs schrijven in hun studie dat het ontbreken van fysieke ziektekenmerken "consistent is met dierenmodellen van veel neurodegeneratieve ziektes. Typisch hierbij is dat bepaalde aspecten van de menselijke pathofysiologie worden geïmiteerd en dat openlijke neurodegeneratie vaak ontbreekt".

In de tweede Neuron-studie gebruikten de wetenschappers een gelijkaardige methode om twee groepen van transgene muizen te creëren. De ene droeg een normale kopie van menselijk C9orf72, de andere het gen met 300 of 500 kopieën van de zesnucleotideherhalingsexpansie. Zoals bij het eerste model vertoonden deze muizen geen openlijke fysieke of gedragstekenen van neurodegeneratie, zoals gewichts- of krachtsverlies of een vroege dood. Ze vertoonden ook geen reactieve veranderingen aan de microglia of astrocyten. Evenmin werden bij de muizen accumulaties van TDP-43-eiwitten in het cytosol vastgesteld en ze vertoonden geen verhoogde gevoeligheid aan cellulaire stress. Eveneens gelijkaardig aan het eerste muizenmodel was dat de muizen met de C9orf72-herhalingsexpansie sense- en antisense-RNA-foci hadden, en ook klonters van dipeptideherhalingseiwitten. De hoeveelheden van deze foci en herhalingseiwitten bleken ook afgenomen toen de onderzoekers de productie blokkeerden van het C9orf72-RNA met een virus dat een klein RNA uitdrukte met als doelwit een sectie van het gen.

De ontwikkeling van twee nieuwe muizenmodellen van C9orf72-ALS zal niet alleen een middel aanreiken om sommige van de specifieke pathologische tekorten te identificeren die gepaard gaan met de vroegste stadia van ALS, vaak nog voor de patiënten worden gediagnosticeerd. Het zal onderzoekers ook nieuwe kansen bieden om potentiële therapieën te testen nog voor de klinische tests. Hiermee zal veel tijd en geld worden bespaard.

Vertaling: Bart De Becker

Bron: Packard Center