ALS ger kunskap om alzheimer och parkinson

Det här är en artikel från 2006.

Den mest kända proteinveckningssjukdomen upptäcktes redan för hundra år sedan av den tyske neurologen Alois Alzheimer. Han hittade då främmande grums mellan de svårt deformerade hjärncellerna hos sina avlidna patienter. Först femtio år senare kunde man se att det rör sig om trådlika fibrer av sammanflätade proteiner. De var naturligt att tro att det är dessa fibrer, de så kallade amyloida placken, som ger upphov till hjärnskadan.

På senare år har dock en del forskare börjat tvivla. Vid vissa sjukdomar där nerverna dör finns inte några fibrer över huvud taget, medan andra har grynliknande proteinsammanslagningar inuti nervcellerna. Exempel på sådana sjukdomar är Creutzfeldt-Jakobs sjukdom och andra prionsjukdomar, skelleftesjukan, parkinson, alzheimer och så kallad amyotrop lateral skleros, ALS. Därför tror vi att det inte är de synliga proteinansamlingarna som är det egentliga problemet, utan snarare deras gåtfulla förstadier. Med hjälp av studier av genförändrade möss som åsamkats ALS går det nu att kartlägga sjukdomens tidigaste stadier. Genom att hjälpa de proteiner som ligger bakom sjukdomen att anta sin rätta form finns det chans att vi ska kunna behandla proteinveckningssjukdomar i framtiden.

Livsviktig veckning

Våra tankar, våra rörelser och alla våra inre funktioner styrs på något sätt av proteiner. Proteiner är långa kedjor av olikformade aminosyror vars exakta ordningsföljd bestäms av arvsmassan. Aminosyrorna har också olika egenskaper, där vissa är feta medan andra är elektriskt laddade. När fett dras till fett, vänds de laddade delarna av proteinet utåt. Då veckas proteinkedjorna automatiskt ihop till små nystan i cellernas vattenrika innandöme, ungefär som små oljedroppar med ett skyddande skal av laddningar.

Människans gener kodar för drygt 30 000 olika proteiner. För att vi ska fungera, måste vart och ett av dessa hitta sin unika veckade form. Som regel hittar proteinerna den rätta formen på egen hand, även om denna veckningsprocess är ett konststycke i sig självt. Och skulle något gå snett kommer hjälparproteiner till undsättning och trasslar ut det felveckade proteinet. Efter ett tiotal försök verkar även de mest svårveckade proteinerna hamna rätt, och på detta sätt hålls proteinmaskineriet i styr. När proteinsjukdomarna uppstår slutar dessa hjälparproteiner att fungera och felaktigt veckade proteiner börjar okontrollerat anhopas.

När de felveckade proteinerna börjar klibba ihop med varandra, bildar de så småningom klumpar eller långa fibrer inuti cellen. För att inte skadan ska spridas till omgivande vävnad, begår den drabbade cellen ofta självmord, så kallad apoptos eller programmerad celldöd. Normalt är detta ett utmärkt försvar, som bland annat skyddar mot cancer. Men när det sker i nervceller som inte kan nybildas, är katastrofen ett faktum: nervsystemet bryts gradvis ner och slutar att fungera. Samtidigt fylls nervsystemet av ihopklibbat protein.

Frågan är: vad är hönan och vad är ägget? Vid en obduktion konfronteras forskarna med resterna av ett molekylärt slagfält, och det är svårt att urskilja hur förloppet egentligen började. Från genetiska analyser vet vi dock att det bara är ett fåtal av våra proteiner som har förmåga att utlösa problemen, kanske färre än 30 stycken. Vid en ytlig betraktelse är de alla mycket olika, men de har en sak gemensamt: deras strukturer och molekylära egenskaper har visat sig mycket svåra att studera.

ALS visar vägen

I mitten av 1990-talet kunde forskare slå fast att även sjukdomen ALS orsakas av fel i ett speciellt protein kallat superoxiddismutas, SOD. Proteinet finns i alla våra celler, där det skyddar oss genom att bryta ner skadliga syreradikaler. Totalt innehåller varje människa runt tre hekto av detta viktiga protein. Det är dock inte förlusten av proteinets funktion att oskadliggöra syreradikaler som ger upphov till ALS. I stället verkar SOD-proteinet anta en ny skadlig form som orsakar celldöd i det motoriska nervsystemet. De motoriska celler som drabbas finns bland annat i ryggmärgen. Sådana nervceller är långa och trådlika och förmedlar viljestyrda rörelser mellan hjärnan och musklerna. De celler som sträcker sig ända ner i tårna är mer än en meter långa och därmed också människans största celler (om än väldigt tunna).

När en motorisk nervcell dör bryts kontakten med hjärnan, och muskeln i dess ände förlamas – precis som vid ett kabelbrott. ALS liknar andra nervcellsnedbrytande sjukdomar, som alzheimer och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom. Skillnaden är att de båda senare drabbar hjärnan och orsakas av andra sorters proteiner. Förloppet är hos dessa sjukdomar också mer långdraget och smygande. Det kan bero på att hjärnan i det längsta försöker kompensera för nervceller som dör, exempelvis genom att leda nervsignalerna via andra nervbanor. Vid ALS är en sådan strategi inte möjlig – är den motoriska nervcellen skadad blir muskeln förlamad.

En egenskap som gör ALS till en bra sjukdomsmodell att studera är att det protein som ligger bakom sjukdomen är jämförelsevis lätt att undersöka. I dag känner vi till över 115 olika mutationer i SOD som är kopplade till den ärftliga formen av ALS. Dessa defekta SOD-varianter har vart och ett sin speciella särart. Därför kan de användas som ett slags molekylära rapportörer när man utforskar vad som ligger bakom sjukdomen.

Strukturell akilleshäl

För att fungera måste SOD-proteinet binda koppar- och zinkatomer. Dessa används normalt när enzymet bryter ner skadliga syreradikaler. Metallerna hålls fast av två långa öglor som sticker ut från var sin ände av proteinet. Innan metallerna har kommit på plats, är öglorna tämligen lösa och sladdriga. Öglornas fladdrande verkar också dra med sig de kanter som ska skydda proteinets inre feta delar från att klibba ihop med sin omgivning. Om man betänker att mer än en tredjedel av alla våra SOD-molekyler (motsvarande ett hekto protein) hela tiden utgörs av omogna former som saknar metaller, är det lätt att förstå att ett problem står för dörren.

Kanske har SOD-proteinets labila struktur uppkommit som en svårfrånkomlig kompromiss med dess roll som radikalätare där evolutionen har målat in sig i ett hörn. Oavsett orsaken är det intressant att notera att det halvt uppfläkta SOD-proteinet är mycket likt de fiberbildande förstadier som tidigare setts i exempelvis skelleftesjukan, dialysrelaterad amyloidos och systemisk amyloidos, tre sjukdomar som annars är tämligen olika ALS.

Det finns också annat som tyder på att det är ett halvt ihopvecklat protein som är boven i dramat. Med hjälp av genmodifierade bakterier går det att framställa stora mängder av de förändrade SOD-proteiner som orsakar ärftlig ALS, och sedan undersöka deras egenskaper. Analysen visar att flertalet av dessa förändringar bidrar till att ytterligare försvaga de redan instabila kanterna hos SOD-strukturen. Mest anmärkningsvärt är att dessa effekter direkt går att koppla till den förväntade överlevnadstiden hos de drabbade patienterna. De förändringar som har liten inverkan på proteinstabiliteten ger en förhållandevis långsam sjukdomsutveckling, medan de med stor påverkan medför ett hastigare förlopp.

Att ta reda på precis vad som händer i sjukdomens inledningsskeden, eller ännu hellre innan patienten utvecklar symtom, är knepigt. Det går inte att ta prov från levande människor, eftersom de berörda musklerna ohjälpligt skulle förlamas om man klippte ut en bit av det motoriska nervsystemet. Och i obduktionsmaterial är skadan så omfattande att informationen om hur det hela började har utplånats. Jakten på de utlösande faktorerna har därför tagits upp med hjälp av genförändrade möss.

Möss och maskar ger svar

I mössens arvsmassa klistrar vi in den mänskliga gen som kodar för SOD-proteinet. För att mössen ska utveckla ALS måste även mängden protein ökas tjugofaldigt innan symtomen uppträder. Förklaringen kan vara att mössens jämförelsevis korta livstid på 360 dagar inte räcker till för att de ska hinna utveckla nervskador om de bara har mänskliga halter av SOD-proteinet.

Insikterna från dessa försök har varit till ovärderlig nytta för att sprida ljus över sjukdomens tidiga förlopp. Dels kan vi se att den programmerade celldöden sätter i gång innan de karakteristiska proteinklumparna uppträder. Det stöder hypotesen att det är de små klibbiga förstadierna av SOD som utlöser sjukdomen. Dels förefaller koncentrationen av sådana förstadier vara högst i de motoriska nervcellerna där skadorna sedermera uppträder.

För närvarande håller vi på att jämföra de SOD-förstadier som vi har från mössen med de mer renodlade former som vi får fram från bakterierna. Tanken är att vi mer exakt ska kunna avgöra deras struktur. Vi har också skapat en rundmask med ALS. Dess 500 nervceller kan med hjälp av mikroskop studeras i levande djur. Vi har sett att de har tydliga ansamlingar av ihopklumpat SOD, men det är svårt att utläsa hur maskarna mår. Fördelen med maskarna är att vi kan analysera förändrade former av SOD som är mer lika de mänskliga än hos bakterier. Arbetet med maskarna är också förenat med färre etiska dilemman än vad som uppstår vid experiment med möss.

Genterapi och stödbandage

I en serie banbrytande försök har ett europeiskt forskarteam lyckats bryta sjukdomsprocessen hos möss med hjälp av genterapi. Man utnyttjar en sinnrik försvarsmekanism kallad RNA-interferens. Denna används för att stänga av främmande virusgener när dessa infekterat den egna arvsmassan. I experiment där tillverkningen av det förändrade SOD-proteinet tystas avstannar också nervdöden i musen, och de muskler som inte helt förlamats återtar till viss del sin funktion. Ännu är det många tekniska komplikationer som måste lösas innan liknande försök kan utföras på människor. Men experimenten visar att terapi som går ut på att slå ut själva SOD-proteinet fungerar.

En annan och mindre komplicerad strategi för att komma till rätta med SOD-proteinets bräcklighet är att skapa läkemedel i form av små molekylära stödbandage. I praktiken innebär det att man använder SOD som bete för att fiska fram små, organiska molekyler som binder till dess yta. Med utgångspunkt i proteinets struktur lägger man ut grova riktlinjer för var substansen ska binda och hur den bör se ut. Sedan letar man efter lämpliga napp i kemiska bibliotek med tiotusentals variationer på det utstakade temat.

Vi och andra forskargrupper håller redan på att ta fram substanser som häftar fast vid SOD-proteinernas yta, men vägen till ett fungerande läkemedel är lång och svåröverskådlig. Inte minst måste vi förvissa oss om att substansen inte ställer till skada i någon annan del av det cellulära maskineriet. En lycklig omständighet är att det går förhållandevis snabbt och enkelt att testa det potentiella läkemedlets effekter i de genförändrade bakterierna, maskarna och mössen.

Hjälp åt utmattade hjälpproteiner

En människa som föds med en defekt i SOD-proteinet lyckas ändå stå emot nervskador under större delen av en normal livstid. När det till slut brister, kollapsar det motoriska nervsystemet inom några få månader eller år. Frågan är vad som gör att vi håller oss friska fram till omkring 50 års ålder. Den bästa boten skulle vara att stärka de cellulära mekanismer som skyddar oss under ungdomen så att de orkar hänga med längre.

Ett mycket spännande resultat på detta område har nyligen kommit från studier av möss med ALS. Brittiska forskare har lyckats bromsa sjukdomsutvecklingen genom att ge mössen en substans som ökar halten av cellernas egna hjälparproteiner. Med sådan behandling ökar mössens överlevnadstid från 18 till 22 veckor.

Vitaliteten i cellernas egna skyddssystem ser därmed ut att ha en kritisk roll i sjukdomens utveckling, något som också antyds i vissa ovanliga fall hos människor. En japansk flicka utvecklade av någon anledning ärftlig ALS vid den exceptionellt låga åldern av sex år. Hennes släktingar som fått sjukdomen i medelåldern hade alla avlidit tämligen hastigt. Trots det tog sjukdomen aldrig riktigt fart i den unga flickan, och hon levde till dess hon fyllt 41 år.

Även om detta och andra avvikande sjukdomsfall inte kan användas som bevisföring ger de viktiga tankeställare. Under ytan ser det ut att pågå en tyst kamp mellan ett labilt protein och ett cellulärt underhållssystem som försöker att hålla detta i schack. I ett vidare perspektiv verkar just rubbningar i denna sköra balansgång vara den gemensamma nämnaren för de olika proteinsjukdomarna.

I Alzheimers sjukdom är det skadliga förstadiet en sammangyttring av ett litet antal korta och klibbiga proteinrester som klippts ut från ett större protein i hjärncellernas yttermembran. I ALS är motsvarande förstadium ett komplett protein som inte kan hålla ihop sitt skyddande skal. I båda fallen ökar belastningen på cellernas underhållssystem.

Kan det vara så att den programmerade celldöden slår till därför att underhållssystemet blivit utmattat? Att ALS och andra nervcellsskadande sjukdomar bryter ut just i 50-årsåldern kan vara kopplat till ett naturligt tröskelvärde för vad cellerna orkar med. Vid ungefär samma tidpunkt ökar också risken för att drabbas av flera andra åldersrelaterade sjukdomar.

Många angreppspunkter

Många proteiner har vuxit fram som en kompromiss mellan form och funktion. SOD och flera andra sjukdomskopplade proteiner verkar här ha råkat speciellt illa ut: för att inte klibba ihop behöver SOD hela tiden stöd från cellernas underhållssystem. Här ingår, förutom hjälparproteinerna, även de renhållningssystem som bryter ner och forslar bort uttjänta proteiner.

När detta system så småningom utmattas, sprider sig en kaskad av molekylära störningar. Att proteinsjukdomarna ter sig olika beror sannolikt på att underhållsmaskineriet består av tusentals komponenter vars specifika svar beror på både celltyp och belastning.

Vi får heller inte glömma att de sjukdomsalstrande proteinerna, trots flera likheter, skiljer sig mycket åt i sin sammansättning av aminosyror, i vilka halter de förekommer och även i vilken vävnad de uppträder. Samtidigt som denna mångfasetterade sjukdomsbild är en rik källa till information kan den också vara snårig och förvirrande. Speciellt när det gäller att sammanföra perspektiven från olika forskningsområden. Då, som alltid, är det viktigt att bana sin väg med Ockhams rakkniv, den grundläggande filosofiska princip som myntades redan under 1300-talet: om flera olika förklaringar till ett fenomen föreligger, bör man välja den enklaste.