Góra: Nadekspresja genów z rodziny B2-SINE w neuronach zwojowych siatkówki doprowadziła do przyspieszonego wzrostu po urazie. Dół: Komórki zwojowe po urazie bez nadekspresji B2-SINE (Instytut Weizmanna)
W przeciwieństwie do mózgu i rdzenia kręgowego, obwodowe komórki nerwowe, których długie wypustki docierają do skóry i narządów wewnętrznych, są zdolne do regeneracji po urazie. Z tego powodu uszkodzenia ośrodkowego układu nerwowego uznaje się za nieodwracalne, podczas gdy uszkodzenia nerwów obwodowych mogą w niektórych przypadkach ulec wyleczeniu, nawet jeśli trwa to miesiące lub lata. Pomimo dziesięcioleci badań mechanizmy stojące za regeneracją nerwów obwodowych pozostają poznane jedynie częściowo.
W nowym badaniu opublikowanym w Cell , naukowcy z laboratorium prof. Michaela (Mike’a) Fainzilbera w Instytucie Nauki Weizmanna odkryli, że rodzina setek cząsteczek RNA bez znanej funkcji fizjologicznej jest kluczowa dla regeneracji nerwów. Co zaskakujące, badanie wykazało, że cząsteczki te mogą stymulować wzrost nie tylko w obwodowym układzie nerwowym u myszy, ale także w ich ośrodkowym układzie nerwowym. Odkrycia te mogą otworzyć drogę do nowych metod leczenia wielu różnych urazów nerwów i chorób neurodegeneracyjnych.
Aby nerw obwodowy mógł się zregenerować, musi zachować łączność pomiędzy ciałem komórkowym neuronu a jego wypustką, czyli aksonem, który u ludzi może osiągać ponad metr długości. W serii badań przeprowadzonych w ciągu ostatnich dwóch dekad laboratorium Fainzilbera odkryło kluczowe elementy tej komunikacji: białka działające niczym kurierzy pocztowi, dostarczając instrukcje do produkcji czynników kontrolujących wzrost oraz innych białek, z ciała komórkowego do aksonu. Ci molekularni kurierzy pomagają także ocenić odległość między ciałem komórki a zakończeniem aksonu, co pozwala neuronowi odpowiednio modulować swój wzrost. Pozostawało jednak kluczowe pytanie: co uruchamia wzrost regeneracyjny po urazie i dlaczego nie dzieje się tak w komórkach ośrodkowego układu nerwowego?
(od lewej) Prof. Mike Fainzilber i dr Eitan Erez Zahavi (Instytut Weizmanna)
W nowym badaniu dr Indrek Koppel z laboratorium Fainzilbera, we współpracy z Dr Riki Kawaguchi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA), zbadał specyficzny rodzaj ekspresji genów w nerwach obwodowych myszy po urazie. Naukowcy ze zdziwieniem odkryli, że dobę po uszkodzeniu neurony zwiększyły ekspresję całej rodziny krótkich sekwencji genetycznych zwanych B2-SINE, których rola była wcześniej nieznana. Sekwencje te nie kodują żadnego białka i z racji tego, że słyną ze „skakania” po genomie, co oznacza, że mogą pojawiać się w niewłaściwym miejscu lub czasie, mają złą reputację. Jednak badacze odkryli, że po urazie neurony zaczęły wytwarzać liczne transkrypty RNA B2-SINE, równolegle z innymi procesami przygotowującymi komórkę do regeneracji i naprawy.
Jednak B2-SINE to ogromna rodzina, składająca się z około 150 000 sekwencji rozmieszczonych w całym genomie myszy. Początkowa analiza nie pozwoliła ustalić, które z nich odpowiadają za stymulowanie wzrostu. Dr Eitan Erez Zahavi, również z laboratorium Fainzilbera, który kierował nowym badaniem wspólnie z Koppelem, wykorzystał narzędzia bioinformatyczne, aby zidentyfikować 453 sekwencje B2-SINE o wysokim poziomie ekspresji po urazie, co stymuluje wzrost nerwów. We współpracy z międzynarodowymi zespołami badawczymi naukowcy wykazali, że ta nadekspresja po urazie jest charakterystyczna wyłącznie dla obwodowych komórek nerwowych i nie występuje w ośrodkowym układzie nerwowym.
Po urazie akson obwodowej komórki nerwowej odrasta w tempie około 1 milimetra dziennie
Obwód na czele, centrum podąża za nim
Badacze sprawdzili, czy B2-SINE z obwodowych komórek nerwowych mogą również stymulować wzrost neuronów w ośrodkowym układzie nerwowym. Wywołali nadekspresję cząsteczek RNA typu B2-SINE w neuronach siatkówki myszy i zaobserwowali szybszą regenerację po urazie. Podobny eksperyment w korze ruchowej myszy (obszarze mózgu kontrolującym ruch mięśni za pomocą długich aksonów sięgających rdzenia kręgowego) wykazał, że neurony o wysokim poziomie B2-SINE również regenerowały się szybciej niż neurony kontrolne.
„Wciąż nie ma skutecznych metod leczenia przyspieszających wzrost i regenerację komórek nerwowych” – zaznacza Fainzilber. „Choć zaobserwowane w naszym badaniu przyspieszenie wzrostu nie jest jeszcze wystarczające, by poradzić sobie z paraliżem w ujęciu klinicznym, to bez wątpienia ma istotne znaczenie. Oczywiście droga od badań podstawowych do zastosowania klinicznego jest długa, i musimy mieć pewność, że wzmocnienie mechanizmów wzrostu nie zwiększy na przykład ryzyka nowotworu”.
Pozostawała jeszcze jedna tajemnica: W jaki sposób cząsteczki RNA B2-SINE faktycznie stymulują regenerację? Z pomocą zespołu profesor Almy L. Burlingame z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco, naukowcy odkryli, że te cząsteczki RNA sprzyjają fizycznemu połączeniu między cząsteczkowymi „posłańcami” przenoszącymi instrukcje dotyczące produkcji białek związanych ze wzrostem a rybosomami, które je odczytują i realizują. Oznacza to, że produkcja kluczowych czynników zachodzi bliżej ciała komórki niż na końcu aksonu. Badacze uważają, że sygnalizuje to neuronowi, iż jest on „zbyt mały”, co wyzwala reakcję wzrostową.
Po lewej: W neuronach kory ruchowej myszy nadekspresja genów z rodziny B2-SINE doprowadziła do przyspieszonej regeneracji komórkowej po urazie. Po prawej: Uraz w tych samych komórkach bez nadekspresji B2-SINE (Instytut Weizmanna)
„Istnieje ponad milion sekwencji zwanych elementy Alu w ludzkim genomie, będące ludzkim odpowiednikiem mysich sekwencji B2-SINE” – mówi Fainzilber. „Wcześniej wykazano, że cząsteczki te łączą się z rybosomami i cząsteczkami informacyjnymi, ale nie było wiadomo, dlaczego tak się dzieje. Teraz próbujemy ustalić, czy sekwencje Alu lub inne niekodujące elementy RNA biorą udział w regeneracji nerwów u ludzi”.
„Powrót do zdrowia po urazach nerwów obwodowych lub w przebiegu chorób ogólnoustrojowych, takich jak cukrzyca, które uszkadzają te nerwy, może być bardzo powolny” – dodaje. „Dlatego właśnie testujemy terapię, która mogłaby przyspieszyć regenerację poprzez naśladowanie aktywności B2-SINE. Terapia ta opiera się na małych cząsteczkach, które łączą cząsteczki informacyjne z rybosomami, utrzymując je blisko ciała neuronu, co sprzyja szybszemu wzrostowi. Badania te prowadzimy we współpracy z jednostką Bina Instytutu Weizmanna, zajmującą się wczesnymi projektami badawczymi o potencjale wdrożeniowym”.
Oprócz wspomagania regeneracji nerwów obwodowych nowe badanie otwiera również jeszcze szerszą perspektywę: regenerację w ośrodkowym układzie nerwowym. „Obecnie współpracujemy z UCLA nad badaniem wykazującym, że odkryty przez nas mechanizm wpływa na powrót do sprawności po udarze mózgu w modelach mysich”, mówi Fainzilber. „Ponadto współpracujemy z Uniwersytetem w Tel Awiwie, Uniwersytetem Hebrajskim i Centrum Medycznym Sheba w celu zbadania jego potencjalnej roli w SLA, postępującej chorobie neurodegeneracyjnej. Choroby neurodegeneracyjne dotykają milionów ludzi na całym świecie. Choć przed nami jeszcze długa droga, mam szczerą nadzieję, że pewnego dnia będziemy mogli wykorzystać ten nowo odkryty mechanizm regeneracji do ich leczenia”.
(od lewej) dr Christin A. Albus i dr Indrek Koppel (Instytut Weizmanna)
W badaniu wzięli również udział Juan A. Oses-Prieto z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Francisco; dr Adam Briner, Eli Farber, Ofri Abraham, dr Nataliya Okladnikov, dr Stefanie Alber i dr Ida Rishal z Wydziałów Nauk Biomolekularnych oraz Neurobiologii Molekularnej Instytutu Weizmanna; dr Aboozar Monavarfeshani, dr Shane Hegarty, dr Ryan J. Donahue i prof. Zhigang He z Harvard Medical School w Bostonie; Irene Dalla Costa, dr Jinyoung Lee, dr Samaneh Matoo i prof. Jeffery L. Twiss z Uniwersytetu Karoliny Południowej w Columbii; dr Erna van Niekerk i prof. Mark H. Tuszynski z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego; prof. Pabitra K. Sahoo z Uniwersytetu Karoliny Południowej i Uniwersytetu Rutgersa w Newark; dr Shifra Ben-Dor, dr Julia Ryvkin i dr Dena Leshkowitz z Wydziału Nauk o Życiu Instytutu Weizmanna; dr Ester Feldmesser z Wydziału Biologii Molekularnej Komórki Instytutu Weizmanna; dr Nitzan Samra z Wydziału Neurobiologii Molekularnej Instytutu Weizmanna; dr Rotem Ben-Tov Perry i prof. Igor Ulitsky z Wydziału Immunologii i Biologii Regeneracyjnej Instytutu Weizmanna; prof. Yuyan Cheng z Uniwersytetu Pensylwanii w Filadelfii oraz dr Christin A. Albus z Wydziału Nauk Biomolekularnych Instytutu Weizmanna i Uniwersytetu w Newcastle, Newcastle upon Tyne w Wielkiej Brytanii.
Badanie było możliwe dzięki grantom przyznanym przez Fundację Badań Medycznych dr Miriam i Sheldona G. Adelsonów, Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC) oraz innym dotacjom.
