Нейробиологи Массачусетского технологического института нашли способ обратить вспять нейродегенерацию и другие симптомы болезни Альцгеймера, воздействуя на фермент, который обычно гиперактивен в мозге пациентов с болезнью Альцгеймера.
Когда исследователи лечили мышей пептидом, который блокирует гиперактивную версию фермента CDK5, они обнаружили резкое снижение нейродегенерации и повреждения ДНК в головном мозге. Эти мыши также продемонстрировали улучшение своей способности выполнять такие задачи, как обучение навигации в водном лабиринте.
«Мы обнаружили, что эффект от этого пептида просто замечательный», — говорит Ли-Хуэй Цай, директор Института обучения и памяти Пиковера Массачусетского технологического института и старший автор исследования. «Мы увидели замечательные эффекты с точки зрения снижения нейродегенерации и нейровоспалительных реакций и даже избавления от дефицита поведения».
При дальнейшем тестировании исследователи надеются, что пептид в конечном итоге можно будет использовать для лечения пациентов с болезнью Альцгеймера и другими формами деменции, у которых наблюдается гиперактивация CDK5. Пептид не взаимодействует с CDK1, важным ферментом, который структурно подобен CDK5, и по размеру подобен другим пептидным препаратам, которые используются в клинических применениях.
Научный сотрудник Института Пикауэра Пинг-Чие Пао является ведущим автором статьи, опубликованной на этой неделе в Труды Национальной академии наук.
Ориентация на CDK5
Цай изучала роль CDK5 в развитии болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваний с самого начала своей карьеры. Будучи постдоком, она идентифицировала и клонировала ген CDK5, который кодирует тип фермента, известного как циклинзависимая киназа. Большинство других циклинзависимых киназ участвуют в контроле клеточного деления, но CDK5 – нет. Вместо этого он играет важную роль в развитии центральной нервной системы, а также помогает регулировать синаптическую функцию.
CDK5 активируется меньшим белком, с которым он взаимодействует, известным как P35. Когда P35 связывается с CDK5, структура фермента изменяется, позволяя ему фосфорилировать — добавлять молекулу фосфата — к своим мишеням. Однако при болезни Альцгеймера и других нейродегенеративных заболеваниях Р35 расщепляется на меньший белок, называемый Р25, который также может связываться с CDK5, но имеет более длительный период полураспада, чем Р35.
При связывании с Р25 CDK5 становится более активным в клетках. P25 также позволяет CDK5 фосфорилировать молекулы, отличные от его обычных мишеней, включая белок Tau. Гиперфосфорилированные тау-белки образуют нейрофибриллярные клубки, которые являются одним из характерных признаков болезни Альцгеймера.
В предыдущей работе лаборатория Цая показала, что у трансгенных мышей, сконструированных для экспрессии P25, развивается тяжелая нейродегенерация. У людей P25 был связан с несколькими заболеваниями, включая не только болезнь Альцгеймера, но также болезнь Паркинсона и лобно-височную деменцию.
Фармацевтические компании пытались воздействовать на P25 с помощью низкомолекулярных препаратов, но эти препараты, как правило, вызывают побочные эффекты, поскольку они также взаимодействуют с другими циклинзависимыми киназами, поэтому ни один из них не тестировался на пациентах.
Команда Массачусетского технологического института решила использовать другой подход к нацеливанию на P25, используя пептид вместо небольшой молекулы. Они разработали свой пептид с последовательностью, идентичной последовательности сегмента CDK5, известной как Т-петля, которая является структурой, важной для связывания CDK5 с P25. Весь пептид состоит всего из 12 аминокислот, что немного больше, чем у большинства существующих пептидных препаратов, длина которых составляет от 5 до 10 аминокислот.
«С точки зрения пептидных препаратов обычно чем меньше, тем лучше», — говорит Цай. «Наш пептид почти соответствует этому идеальному молекулярному размеру».
Драматические эффекты
В тестах на нейронах, выращенных в лабораторной чашке, исследователи обнаружили, что лечение пептидом приводит к умеренному снижению активности CDK5. Эти тесты также показали, что пептид не ингибирует нормальный комплекс CDK5-P35 и не влияет на другие циклинзависимые киназы.
Когда исследователи проверили пептид на мышиной модели болезни Альцгеймера с гиперактивным CDK5, они увидели множество полезных эффектов, включая уменьшение повреждения ДНК, воспаления нейронов и потери нейронов. Эти эффекты были гораздо более выражены в исследованиях на мышах, чем в тестах на культивируемых клетках.
Лечение пептидами также привело к значительным улучшениям в другой мышиной модели болезни Альцгеймера, которая имеет мутантную форму тау-белка, которая приводит к нейрофибриллярным клубкам. После лечения у этих мышей наблюдалось снижение как патологий Тау, так и потери нейронов. Наряду с этими эффектами в мозге исследователи также наблюдали поведенческие улучшения. Мыши, получавшие пептид, гораздо лучше справлялись с задачей, требующей обучения перемещению в водном лабиринте, которая опирается на пространственную память, чем мыши, получавшие контрольный пептид (зашифрованная версия пептида, используемого для ингибирования CDK5-P25).
В этих исследованиях на мышах исследователи вводили пептид и обнаружили, что он способен преодолевать гематоэнцефалический барьер и достигать нейронов гиппокампа и других частей мозга.
Исследователи также проанализировали изменения в экспрессии генов, происходящие в нейронах мышей после лечения пептидом. Среди изменений, которые они наблюдали, было увеличение экспрессии около 20 генов, которые обычно активируются семейством генных регуляторов, называемых MEF2. Лаборатория Цай ранее показала, что активация этих генов MEF2 может придавать устойчивость к когнитивным нарушениям в мозге людей с клубками Тау, и она предполагает, что лечение пептидами может иметь аналогичные эффекты.
«Дальнейшая разработка таких ингибиторов пептидов в направлении ведущего терапевтического кандидата, если будет доказано, что они селективны в отношении мишени и относительно свободны от клинических побочных эффектов, может в конечном итоге привести к новым методам лечения нейродегенеративных расстройств, начиная от болезни Альцгеймера и заканчивая лобно-височной деменцией и болезнью Паркинсона». — говорит Стюарт Липтон, профессор неврологии Scripps Research, не участвовавший в исследовании.
Теперь Цай планирует провести дальнейшие исследования на других мышиных моделях заболеваний, связанных с нейродегенерацией, связанной с P25, таких как лобно-височная деменция, деменция, вызванная ВИЧ, и когнитивные нарушения, связанные с диабетом.
«Очень сложно точно сказать, какое заболевание принесет наибольшую пользу, поэтому я думаю, что требуется еще много работы», — говорит она.
Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения.
