Filosofian maisteri Stina Leskelän väitöstutkimus tuotti uutta perustietoa otsa- ja ohimolohkorappeumaan liittyvän C9orf72-geenin tuottamien proteiinien mekanismeista ja häiriöistä ja erityisesti niiden vaikutuksista proteiinihajotusjärjestelmien toimintaan hermosoluissa. Parempi ymmärrys solu- ja molekyylitason tautimekanismeista voi edistää uusien hoitomuotojen ja biologisten merkkiaineiden kehitystä tulevaisuudessa.
Otsa- ja ohimolohkorappeuma (FTLD) on toiseksi yleisin dementian aiheuttaja työikäisillä Alzheimerin taudin jälkeen. Vuonna 2011 C9orf72-geenistä löydetty kuuden emäksen toistojaksomonistuma on yleisin geneettinen FTLD:n ja ALS-taudin aiheuttaja. Myös pienellä osalla Alzheimerin tautia sairastavista on havaittu C9orf72-geenin toistojaksomonistuma.
Molekyylitason mekanismeja, joiden kautta C9orf72-toistojaksomonistuma johtaa hermosolujen rappeutumiseen, tutkitaan kiivaasti. Viime vuosina onkin löydetty kolme päämekanismia. C9orf72-toistojaksosta tuotetaan epänormaaleja RNA-molekyylejä ja niin sanottuja dipeptiditoistojakso- eli DPR-proteiineja, jotka kertyvät erityisesti hermosolujen sisälle ja ovat niille haitallisia. Lisäksi toistojaksomonistuma johtaa C9orf72-geenin haploinsuffisienssiin, jonka seurauksena geenin tuottamien normaalien lähetti-RNA:iden ja C9orf72-proteiinien tuotanto vähenee noin puoleen potilaiden elimistössä. Toistaiseksi ei tiedetä, miten nämä patologiset muutokset vaikuttavat muihin hermosoluja rappeuttaviin tautimuutoksiin soluissa.
C9orf72:n ilmentyminen voinee vaikuttaa solutasolla Alzheimerin taudin aivomuutoksiin
Aiemmissa tutkimuksissa jopa neljäsosalla C9orf72-toistojaksomonistumaa kantavista potilaista on havaittu Alzheimerin taudille tyypillisiä beeta-amyloidi-42:n (Aβ42) muutoksia aivo-selkäydinnesteessä. Väitöstutkimuksen ensimmäisessä osatyössä tutkittiin C9orf72-geenin ilmentymistasojen yhteyttä Alzheimerin tautiin liittyvään amyloidin esiasteproteiinin (APP) prosessointiin ja Aβ- tuotantoon. Vähentyneiden C9orf72-tasojen ja muuttuneen APP-prosessoinnin ja Aβ-tuotannon välillä havaittiin yhteys, mutta muutokset riippuivat käytetystä solulinjasta. Lisäksi C9orf72-proteiinitasot lisääntyivät merkittävästi ihmisen aivonäytteissä Alzheimerin tautiin liittyvien hermosäievyyhtien kertymisen myötä ja korreloivat aivoista mitattujen Aβ42-tasojen kanssa. Nämä tulokset viittaavat siihen, että C9orf72:n ja APP:n välillä voi olla yhteys ihmisaivoissa. C9orf72:n on aiemmin osoitettu säätelevän proteiinien solunsisäistä kuljetusta, jota kautta C9orf72:n tasojen muuttumisen vaikutukset APP:iin tai Aβ-tasoihin voisivat välittyä, mutta tämän yhteyden parempi ymmärtäminen molekyylitasolla vaatii vielä lisätutkimuksia.
C9orf72-proteiinin toiminnanmenetys aiheuttaa häiriöitä solujen autofagisella hajotusreitillä
Väitöstutkimuksen toisessa osatyössä tutkittiin C9orf72-proteiinien ja niiden vähentyneiden ilmentymistasojen vaikutuksia solujen proteiinien hajotusmekanismeihin, erityisesti autofagiaan ja ubikitiini-proteasomisysteemiin (UPS) hermosoluissa. Näissä tutkimuksissa pyrittiin mallintamaan toistojaksomonistumasta johtuvaa C9orf72-proteiinien toiminnan menetystä. Lisäksi kolmannessa osatyössä selvitettiin toistojaksomonistuman aiheuttamien patologisten RNA-kertymien ja DPR-proteiinien vaikutuksia näihin hajotusmekanismeihin. C9orf72-proteiinien tasojen lasku johti hermosoluissa autofagisen hajotusreitin häiriöihin estämällä autofagisen reitin aktivaatiota ja vähentämällä autofagisten vesikkelien muodostumista. Tulosten perusteella toistojaksomonistuman aiheuttama C9orf72-geenin haploinsuffisienssi saattaa siis johtaa heikentyneeseen autofagiseen aktiivisuuteen ja siten haitallisten proteiinien kertymiseen hermosoluihin. Proteiinikertymien muodostuminen on tyypillinen tautiin liittyvä piirre FTLD-potilaiden aivoissa. Toistojaksomonistumasta tuotettavien epänormaalien RNA- ja DPR-proteiinikertymien ei havaittu aiheuttavan merkittäviä muutoksia hermosolujen proteiinien hajotusmekanismeissa tutkimuksessa käytetyissä akuuteissa malleissa. Jatkotutkimuksissa on tarkoitus selvittää näiden tautimuutosten pitkäaikaisia vaikutuksia autofagian ja UPS:n toimintaan hermosoluissa.
Otsalohkodementiapotilaiden sidekudossoluissa on häiriöitä mitokondrioiden energia-aineenvaihdunnassa
Väitöskirjan viimeisessä osatyössä selvitettiin, liittyykö otsalohkodementiaan ihon sidekudossoluissa havaittavia toiminnallisia tai molekyylitason muutoksia. Tutkimuksessa verrattiin FTLD-potilaiden ja terveiden henkilöiden soluja sekä C9orf72-toistojaksomonistumaa kantavien ja ei-kantavien FTLD-potilaiden soluja. Terveisiin verrokkihenkilöihin verrattuna FTLD-potilaiden sidekudossoluissa havaittiin häiriöitä erityisesti mitokondrioiden energia-aineenvaihdunnassa. Mitokondriot ovat solujen elintärkeitä energiatehtaita ja niiden toiminnan häiriöt voivat johtaa jopa solujen kuolemiseen. Sen sijaan sidekudossoluissa ei havaittu merkittäviä muutoksia proteiinien autofagia- tai UPS-välitteisissä hajotusmekanismeissa.
Kokonaisuudessaan Stina Leskelän väitöstutkimus tuotti uutta tietoa C9orf72-toistojaksomonistuman molekyylitason vaikutuksista hermosoluissa erityisesti solujen proteiinien hajotusmekanismien toimintaan liittyen. Se, että FTLD-potilaiden ihonäytteistä valmistetuissa sidekudossoluviljelmissä voitiin havaita tautiin liittyviä muutoksia, osoittaa, että jatkossa näitä helposti saatavia soluja voitaisiin hyödyntää mahdollisesti uusien tautiin liittyvien biologisten merkkiaineiden tunnistamisessa tai esimerkiksi lääkeaineiden vaikutusten testaamisessa.
FM Stina Leskelän neurotieteiden alaan kuuluva väitöskirja Physiological and pathophysiological mechanisms of the frontotemporal lobar degeneration-associated gene, C9orf72, tarkastetaan Itä-Suomen yliopiston terveystieteiden tiedekunnassa. Vastaväittäjänä toimii apulaisprofessori Merja Voutilainen Helsingin yliopistosta ja kustoksena tutkimusjohtaja, dosentti Annakaisa Haapasalo Itä-Suomen yliopistosta. Väitöstilaisuus on 27.11.2020 klo 12 ja sitä voi seurata verkossa. Tilaisuus on englanninkielinen.
Väittelijän painolaatuinen kuva: https://mediabank.uef.fi/A/UEF+Media+Bank/37845?encoding=UTF-8
