Ny metod möjliggör analys av tidiga sjukdomsmekanismer vid ALS

Forskningsledare Eva Hedlund med gruppmedlemmarna Jik Nijssen (vänster) och Julio Aguila Benitez. Foto: Ulf Sirborn

Forskningsledare Eva Hedlund med gruppmedlemmarna Jik Nijssen (vänster) och Julio Aguila Benitez. Foto: Ulf Sirborn

Eva Hedlund forskar om ALS vid Karolinska institutet med hjälp av anslag från Ulla-Carin Lindquists stiftelse för ALS-forskning. Evas forskningsteam har utvecklat en förbättrad metod för att undersöka axoner vilket kan ge ökad förståelse för sjukdomsutvecklingen vid ALS. Här berättar Eva Hedlund om hennes forskning.

Motorneuron är specialiserade nervceller vilka styr skelettmuskulaturen i kroppen och därmed alla de rörelser vi tar för givna, såsom att kunna röra på ben och armar, tugga, svälja samt andas. I den dödliga sjukdomen amyotrofisk lateral skleros (ALS) förloras motorneuronen, vilket leder till muskelförtvining, svaghet och förlamning hos patienterna. Motorneurons cellkropp – med cellkärna och arvsmassa – finns i det centrala nervsystemet (i hjärnan, hjärnstammen och ryggmärgen), medans dess mycket långa utskott – axonet – når ut till periferin och där kontaktar och styr muskler som finns på avstånd längre än en meter bort 1. Då motoraxonet är så långt utgör det faktiskt upp till 98 procent av volymen av cellen. När motorneuron dör (degenererar) i ALS är det kontakten (synapsen) mellan motorneuron och muskel som förstörs först, långt innan cellkroppen i nervsystemet försvinner. Därefter degenererar axonet utifrån och in. Vi vet ännu inte exakt hur eller varför dessa livsviktiga synapser förstörs, men vi, och andra forskargrupper, har visat att denna patologiska process styrs från motorneuronen (och ej från muskeln) 2. När kontakten med motorneuronet förlorats förtvinar muskeln 1. Vad är det då som gör att sjukdomsprocessen påbörjas inne i motorneuronen och varför drabbas axonet så tidigt? För att förstå detta kan man studera förekomsten av ribonukleinsyra (RNA), vilket är budbärarmolekyler i cellen som speglar vilka gener som är aktiva och därmed en cells allmäntillstånd och funktion. RNA produceras i cellkärnan, men det långa avståndet mellan motorneuronets cellkropp och synapsen med muskel innebär att axonet borde innehålla en unik mikromiljö av RNA, som transporterats dit och som självständigt kan reagera på signaler från muskel och andra omgivande celler.

För att få ledtrådar till varför just motorneuron och deras axoner är så känsliga i ALS, bestämde vi oss för att analysera vilka RNA som finns i motoraxoner under normala omständigheter och efter introduktion av en ALS-orsakande genmutation 3. Detta projekt möjliggjordes med hjälp av stödet från Ulla-Carin Lindquists stiftelse för ALS forskning. För att kunna studera axoner och deras RNA i detalj odlade vi stamcells-deriverade motorneuron i speciella mikrofluidikkammare 4 där man kan separera axoner från deras cellkroppar. Vi utvecklade sedan en unik bearbetning av axon-proverna för att effektivt kunna studera alla RNA här genom så kallad RNA-sekvensering, en metod vi kallar Axon-seq 3. Axon-seq analys av normala motoraxoner visade att RNA-profilen här skiljer sig markant från cellkroppens. Majoriteten av RNA in axonet är fokuserade på lokal energiproduktion samt att bygga upp ribosomer, cellens proteinfabriker 3. När vi sedan undersökte motoraxon som innehöll ALS-orsakande muterat SOD1 protein, fann vi att RNA-profilen där skilde sig märkbart från friska cellers utskott. Flera av de gener som var dereglerade i ALS är viktiga för normal funktion hos axonet och för dess kontakt med muskeln, bland annat Debrin 1, Neuropilin 1 och den ALS-orsakande genen Nek1. Därför framstår flera av dessa gener som potentiella mål för framtida behandlingar för att bibehålla motoraxonet intakt och därmed stärka kontakten mellan motorneuron och muskel.

I framtida studier kommer vi därför att undersöka hur en modulering av dessa faktorer påverkar motorneuron, både axonen samt deras kontakt med muskel.

Referenser

  1. Nijssen J, Comley LH and Hedlund E (2017) Motor neuron vulnerability and resistance in amyotrophic lateral sclerosis. Acta Neuropathologica 133:863-885.
  2. Comley LH, Nijssen J, Frost-Nylen J and Hedlund E (2016) Cross disease comparison of amyotrophic lateral sclerosis and spinal muscular atrophy reveals conservation of selective vulnerability but differential neuromuscular junction pathology. Journal of Comparative Neurology 524:1424-1442.
  3. Nijssen J, Aguila Benitez J, Hoogstraten R, Kee N and Hedlund E (2018) Axon-seq decodes the motor axon transcriptome and its modulation in response to ALS. Stem Cell Reports 11:1565-1578.
  4. Taylor AM, Blurton-Jones M, Rhee SW, Cribbs DH, Cotman CW and Jeon NL (2005) A microfluidic culture platform for CNS axonal injury, regeneration and transport. Nature Methods 2:599-605.