C4ST-1: nowy cel terapeutyczny w chorobie Alzheimera

Jak C4ST-1 kształtuje równowagę redoks w neuronach?

Najnowsze badania wskazują na kluczową rolę enzymu C4ST-1 (chondroitin 4-O-sulfotransferazy-1) w regulacji homeostazy redoks neuronów i jego potencjalny związek z patogenezą choroby Alzheimera. Naukowcy odkryli, że dysfunkcja tego enzymu może prowadzić do zwiększonego stresu oksydacyjnego i nasilenia agregacji patologicznego białka tau, co otwiera nowe perspektywy terapeutyczne dla chorób neurodegeneracyjnych.

Stres oksydacyjny odgrywa kluczową rolę w powstawaniu i progresji chorób neurodegeneracyjnych, w tym choroby Alzheimera. Liczne dowody wskazują na akumulację stresu oksydacyjnego w mózgach pacjentów z chorobą Alzheimera oraz u myszy modelowych. Nawet łagodne zaburzenia poznawcze charakteryzują się podwyższonymi poziomami utlenionych białek i lipidów, co wskazuje na wczesne zmiany w równowadze redoks.

Jak brak C4ST-1 wpływa na macierz zewnątrzkomórkową i antyoksydacyjne mechanizmy?

Badania przeprowadzone na liniach komórkowych Neuro-2a (N2A) i C17.2 wykazały, że delecja genu kodującego C4ST-1 znacząco wpływa na wzorzec sulfacji chondroitynianu siarczanowego (CS) – ważnego składnika macierzy zewnątrzkomórkowej tkanki nerwowej. W komórkach pozbawionych C4ST-1 zaobserwowano istotny spadek 4-sulfowanych jednostek disacharydowych (jednostek A) i wzrost niesulfowanych jednostek (jednostek O). Ta zmiana strukturalna CS wiązała się z wyraźnym obniżeniem wewnątrzkomórkowego stężenia glutationu (GSH) – kluczowego neuroprotekcyjnego antyoksydantu, oraz ze zwiększeniem poziomu reaktywnych form tlenu (ROS). Ponowna ekspresja C4ST-1 w komórkach z jego niedoborem częściowo przywracała prawidłowy poziom GSH, potwierdzając bezpośredni związek między aktywnością tego enzymu a stanem redoks komórki.

Glutation (GSH), tripeptyd składający się z glutaminianu, cysteiny i glicyny, jest istotną substancją neuroprotekcyjną w ośrodkowym układzie nerwowym. Jego dysregulacja wiąże się z rozwojem chorób neurodegeneracyjnych. Komórkowy wychwyt cysteiny, prowadzony głównie przez transporter aminokwasów pobudzających 1 (EAAC1), stanowi etap ograniczający szybkość produkcji GSH w neuronach; dysfunkcja EAAC1 zmniejsza poziomy GSH w mózgu i wpływa na neurodegenerację. Transporter cystyna-glutaminian xCT (SLC7A11) ulega ekspresji i funkcjonuje w określonych typach komórek neuronalnych w warunkach patologicznych, takich jak neuroinflammacja i stres oksydacyjny.

Czy modyfikacje NCAN i rola xCT otwierają nowe perspektywy?

Szczególnie interesującym odkryciem było ustalenie mechanizmu molekularnego leżącego u podstaw tego zjawiska. Okazuje się, że proteoglikan neurokan (NCAN) zmodyfikowany przez CS tworzy kompleks z transporterem cystyny xCT i wariantem CD44 (CD44v). W warunkach deficytu C4ST-1 dochodzi do zmniejszenia modyfikacji NCAN przez łańcuchy CS, co prowadzi do destabilizacji kompleksu NCAN/CD44v/xCT i obniżenia poziomów białek xCT i CD44v. Ponieważ xCT jest kluczowym transporterem odpowiedzialnym za dostarczanie cystyny niezbędnej do syntezy GSH, jego dysfunkcja bezpośrednio przekłada się na obniżenie zdolności antyoksydacyjnych komórki.

Transporter xCT jest głównie eksponowany w astrocytach, stanowiąc główne źródło GSH w mózgu. Jednak aktywacja neuronalnego xCT również odgrywa znaczącą rolę w produkcji GSH, szczególnie w warunkach stresu oksydacyjnego i neuroinflammacji, gdzie jego ekspresja jest indukowana jako kluczowy mechanizm samoobrony. Jest to niezbędne, gdy dostarczanie GSH przez astrocyty jest niewystarczające. W badaniach nad rakiem wykazano, że transporter cystyny xCT tworzy kompleks z cząsteczką adhezyjną CD44 wariant (CD44v), zwiększając produkcję GSH i odporność na stres oksydacyjny. Biorąc pod uwagę, że CD44 jest również receptorem dla kwasu hialuronowego i CS, badacze postawili hipotezę, że proteoglikan NCAN uczestniczy w regulacji kompleksu xCT/CD44 i mechanizmu regulacji GSH.

Co sprzyja wewnątrzkomórkowej agregacji białek?

Konsekwencją zmiany środowiska redoks wywołanej niedoborem C4ST-1 była zwiększona skłonność do wewnątrzkomórkowej agregacji białek. Komórki z delecją C4ST-1 wykazywały znacząco wyższy sygnał barwnika ProteoStat (wskaźnika agregacji białek) nawet w warunkach podstawowych, bez dodatkowego stresu. Ponadto, zaobserwowano w nich nasilone uszkodzenia błon lizosomów, co sugeruje zaburzenia w degradacji zagregowanych białek. Komórki te były również bardziej wrażliwe na działanie bafilomycyny A1 – inhibitora pompy protonowej, co dodatkowo potwierdza dysfunkcję lizosomów.

Przesunięcia oksydacyjne w środowisku wewnątrzkomórkowym powodują denaturację i agregację białek. Badacze oceniali wewnątrzkomórkową agregację białek za pomocą barwnika fluorescencyjnego ProteoStat, analogu tioflaviny T. Leczenie inhibitorem proteasomu MG132, w celu wymuszenia agregacji, zwiększyło sygnał ProteoStat w komórkach N2A i C4ST-1KO. W stanie podstawowym (bez leczenia), intensywność sygnału ProteoStat w komórkach C4ST-1KO była znacząco wyższa niż w komórkach N2A. Podobnie w komórkach C17.2 niedobór C4ST-1 zwiększał sygnał ProteoStat w stanie podstawowym. Wynik ten został potwierdzony analizą cytometrii przepływowej (FACS). Te rezultaty sugerują, że niedobór C4ST-1 sprzyja wewnątrzkomórkowej agregacji białek nawet w stanie podstawowym, przy braku stresu.

Jak niedobór C4ST-1 przyspiesza patologię tau?

W kontekście patogenezy choroby Alzheimera, badacze wykazali, że niedobór C4ST-1 znacząco zwiększa agregację białka tau po wprowadzeniu tzw. “zarodków” (seeds) tau. W komórkach N2A pozbawionych C4ST-1, ekspresja zmutowanego białka tau (P301L) w obecności zarodków tau prowadziła do nasilonej agregacji patologicznego, hiperfosforylowanego tau (wykrywanego przeciwciałem AT8). Z kolei w komórkach C17.2 z deficytem C4ST-1, zaobserwowano tworzenie się niefosforylowanych fragmentów tau, prawdopodobnie powstałych w wyniku proteolitycznego cięcia. Sugeruje to, że stres oksydacyjny wywołany niedoborem C4ST-1 może promować agregację tau poprzez różne mechanizmy, zależne od typu komórek.

Białko tau jest białkiem wysoko ekspresjonowanym przede wszystkim w aksonach neuronów, gdzie wiąże się i stabilizuje mikrotubule. Funkcja ta jest niezbędna do utrzymania morfologii komórki i transportu aksonalnego. W stanie patologicznym dochodzi do hiperfosforylacji białka tau, powodującej odłączenie tau od mikrotubul. W konsekwencji mikrotubule stają się niestabilne, a transport aksonalny jest upośledzony. Ponadto, odłączone cząsteczki tau nieprawidłowo agregują ze sobą, tworząc nierozpuszczalne struktury fibrylarne. Ta akumulacja w neuronie tworzy splątki neurofibrylarne. Gromadzenie się nieprawidłowego tau nadaje neuronowi toksyczność, prowadząc do śmierci komórki. Co więcej, uważa się, że to patogenne tau jest uwalniane do przestrzeni zewnątrzkomórkowej, pobierane przez inne zdrowe neurony jako zarodek i następnie rozprzestrzenia patologię w całym mózgu. Tworzenie tego nieprawidłowego tau jest kluczowe dla wystąpienia patologii tau, a najnowsze badania donoszą, że stres oksydacyjny sprzyja agregacji tau poprzez tworzenie wewnątrzcząsteczkowego wiązania disiarczkowego między dwiema resztami cysteiny (Cys291 i Cys322) w białku tau.

Czy wyniki przedkliniczne wskazują na nowe cele terapeutyczne?

Warto podkreślić, że sam niedobór C4ST-1 nie inicjował agregacji tau, ale znacząco nasilał ten proces po wprowadzeniu zarodków tau. Wskazuje to, że C4ST-1 nie jest czynnikiem przyczynowym, ale raczej czynnikiem środowiskowym, który poprzez indukcję stresu oksydacyjnego i dysfunkcję lizosomów przyspiesza propagację patologii tau. W kontekście długoterminowych procesów starzenia i przewlekłego stanu zapalnego, niedobór C4ST-1 może działać jako czynnik uwrażliwiający lub przyspieszający agregację tau.

Interesująco, wcześniejsze badania wykazały, że zmniejszona ekspresja arylosulfatazy B (ARSB) – enzymu odpowiedzialnego za degradację 4-sulfowanego CS, również powoduje obniżenie wewnątrzkomórkowego poziomu GSH i zwiększenie stresu oksydacyjnego. Sugeruje to, że poziomy 4-sulfacji CS muszą być ściśle regulowane w optymalnym zakresie dla utrzymania homeostazy komórkowej. ARSB został zidentyfikowany jako gen kandydujący dla sporadycznej choroby Alzheimera, a jego deficyt u myszy wiąże się ze zmianami parametrów związanych z chorobą Alzheimera w hipokampie i korze mózgowej. Dodatkowo, badanie podłużne u pacjentów psychiatrycznych zidentyfikowało ARSB jako nowy biomarker krwi do śledzenia upośledzenia pamięci krótkotrwałej, kluczowego wczesnego objawu choroby Alzheimera.

Badania na myszach wykazały, że bardzo stare osobniki (powyżej 30 miesięcy) mają znacząco obniżoną ekspresję C4ST-1 w porównaniu z młodszymi zwierzętami, co koreluje z pogorszeniem zdolności poznawczych w teście rozpoznawania nowych obiektów. Ponadto, usunięcie ekspresji C4ST-1 u dorosłych myszy prowadzi do zwiększonego lęku i nieprawidłowych zachowań społecznych, a deficyty te są odwracane przez przywrócenie ekspresji C4ST-1. Te wcześniejsze odkrycia silnie sugerują, że zmiany w ekspresji C4ST-1 i 4-sulfacji CS mogą być powiązane z rozwojem choroby Alzheimera u ludzi.

Odkrycia te sugerują, że utrzymanie odpowiedniego poziomu sulfacji CS poprzez regulację aktywności C4ST-1 może stanowić nowy cel terapeutyczny w chorobach neurodegeneracyjnych związanych ze stresem oksydacyjnym. W przyszłości monitorowanie ekspresji C4ST-1 i stanu 4-sulfacji CS mogłoby służyć jako biomarker wczesnych zmian neurodegeneracyjnych, a terapie ukierunkowane na poprawę homeostazy redoks mogłyby stanowić element leczenia choroby Alzheimera i innych tauopatii.

Podsumowanie

Enzym C4ST-1 (chondroitin 4-O-sulfotransferaza-1) odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu równowagi redoks w neuronach poprzez regulację sulfacji chondroitynianu siarczanowego w macierzy zewnątrzkomórkowej. Delecja genu kodującego C4ST-1 prowadzi do istotnych zmian w strukturze CS, co skutkuje obniżeniem poziomów glutationu i wzrostem reaktywnych form tlenu w komórkach neuronalnych. Mechanizm molekularny tego zjawiska opiera się na destabilizacji kompleksu proteoglikanu neurokanu z transporterem cystyny xCT i wariantem CD44, co bezpośrednio zaburza zdolności antyoksydacyjne komórki. Konsekwencją dysfunkcji C4ST-1 jest zwiększona wewnątrzkomórkowa agregacja białek, uszkodzenie lizosomów oraz nasilona agregacja patologicznego białka tau w obecności jego zarodków. Badania wskazują, że niedobór C4ST-1 nie inicjuje patologii tau, ale znacząco przyspiesza jej propagację poprzez indukcję stresu oksydacyjnego. Obserwacje na starzejących się myszach potwierdzają związek obniżonej ekspresji C4ST-1 z pogorszeniem funkcji poznawczych, co wraz z wcześniejszymi odkryciami dotyczącymi arylosulfatazy B sugeruje, że precyzyjna regulacja 4-sulfacji CS jest kluczowa dla homeostazy neuronalnej. Odkrycia te otwierają nowe perspektywy terapeutyczne w chorobie Alzheimera i innych chorobach neurodegeneracyjnych, wskazując na potencjał modulacji aktywności C4ST-1 jako strategii zapobiegającej stresowi oksydacyjnemu i agregacji patologicznych białek.