Napake v regulaciji izražanja TDP-43 pri amiotrofični lateralni sklerozi in frontotemporlani lobarni degeneraciji

Amiotrofična lateralna skleroza (ALS) in frontotemporalna lobarna degeneracija (FTLD) sta dve skrajni fenotipski manifestaciji onesposobljujoče, progresivne nevrodegenerativne bolezni, ki se konča smrtno. Etiologija bolezni je še vedno slabo pojasnjena in učinkovitega zdravila ne poznamo. Značilnost širšega spektra sorodnih bolezni so netopni citoplazemski vključki, kamor se odlaga sicer jedrni protein TDP-43; takšna inkluzijska telesca so opazili pri 95 % bolnikov z ALS in 50 % bolnikov s FTLD, zato boleznim pogosto pravimo tudi proteinopatije TDP-43. Raziskave, usmerjene v odkrivanje vzroka agregacije TDP-43 in s tem povezanih molekularnih procesov, so bistvene za razumevanje bolezenskega procesa in razvoj inovativnih načinov zdravljenja ALS in FTLD. Sodobne raziskave nakazujejo, da na pojav ter razvoj ALS in FTLD vplivajo spremembe tako nivoja izražanja TDP-43 kot lokalizacije v celici in hitrosti njegove razgradnje. Raziskali bomo regulatorne mehanizme izražanja gena za TDP-43 na nivoju RNA in vpletenost teh procesov v proteinopatije TDP-43. Nedavno odkritje, da so ponovitve heksanukleotidnega zaporedja GGGGCC v genu C9orf72 odgovorne za pojav ALS/FTLD, potrjuje pomen molekularnih mehanizmov, ki delujejo a nivoju RNA, za razvoj bolezni.   S testom »pull-down« smo pokazali, da 3'-neprevedljiva regija mRNA TDP-43 veže proteina TDP-43 in FUS. V okviru predlaganega projekta bomo z uporabo proteomskih pristopov skušali identificirati RNA-vezavne proteine, ki se vežejo na mRNA TDP-43 in nadzirajo njeno procesiranje, transport in translacijo, ter proteine, ki interagirajo s heksanukleotidnimi ponovitvami GGGGCC. S tehnologijo predstavitve na bakteriofagu bomo poiskali enoverižne fragmente protiteles (t.i. scFv, angl. single-chain variable fragments of antibodies) z vezavno afiniteto do zaporedja GGGGCC, na podlagi katerih bomo skušali razviti diagnostična sredstva za detekcijo nukleotidnih ponovitev.   Še en pomemben dejavnik, ki ga povezujemo z ALS in FTLD, je celični stres. Oksidativni stres dokazano izzove kopičenje napak pri vgrajevanju nukleotidov v nastajajočo RNA pri transkripciji in aminokislin v nastajajočo polipeptidno verigo pri translaciji. Preliminarni rezultati naših raziskav so pokazali, da se pod vplivom oksidativnega stresa spremeni izoelektrična točka proteina TDP-43 zaradi vgrajevanja napačnih aminokislinskih ostankov. V okviru predlaganega projekta zato nameravamo karakterizirati obseg in vrste napak v primarni strukturi TDP-43 pod pogoji oksidativnega stresa.   Pomen zgornjih ugotovitev za razvoj bolezni bomo preverili na transgenih mišjih modelih (z mutiranimi geni TDP-43), na induciranih pluripotentnih matičnih celicah z mutacijami v genu TDP-43 ter na posmrtno odvzetem možganskem in hrbtenjačnem tkivu bolnikov z ALS/FTLD proteinopatijami TDP-43.   Prispevki predlaganega projekta za razvoj znanosti bodo sledeči: - identifikacija RNA-vezavnih proteinov, ki se vežejo na mRNA TDP-43 ali na heksanukleotidne ponovitve GGGGCC, - pojasnitev funkcije ter bolenzenske vloge teh RNA-vezavnih proteinov, - razvoj orodij za detekcijo in diagnostiko heksanukleotidnih ponovitev GGGGCC na RNA in - proučitev obsega vgrajevanja napačnih aminokislin v TDP-43 pod pogoji oksidativnega stresa.

Znanstvena uspešnost projekta je prikazana z objavo devetih izvirnih znanstvenih člankov, enega preglednega ter enenega znanstvenega prispevka, ki skupaj imajo 395 citatov (vir Scopus) do zdaj. Za čas projekti smo sodelujoči imeli več deset posterjev in predavanj na konferencah. Nekatera predavanja so tudi bila vabljena predavanja. Vse te aktivnosti so bile vpisane v COBISS.

Predlagani projekt je omogočil vrhunsko raziskovanje, ki je zelo pozitivno vplivalo na področje molekularnih raziskav procesov nevrodegeneracije v Sloveniji. Poleg tega se je s tem projektom tudi nadaljevalo zelo uspešno sodelovanje med prijavitelji projekta iz Slovenije z Centrom za nevrodegenerativne raziskave na King’s College-u v Londonu (KCL) ter z MRC laboratorijem za molekularno biologijo iz Cambridge-a v Združenem kraljestvu. Predlagani projekt je tudi omogočil slovenskim znanstvenikom večje vključevanje v evropske in svetovne iniciative za ALS. Ena takih je vključevanje v Project MinE, mednarodni konzorcij za podrobno genetsko analizo ALS, kjer sodelujemo z več kot 150 vzorci DNA Slovenskih bolnikov z ALS. Pri tem smo tudi bili soavtorji na pomembni raziskavi objavljeni v Nature Genetics v drugi polovici lanskega leta (van Rheenen et al, Nature Genetics 2016). Že več let sodelujemo tudi z ENCALS (European Network for the Cure of ALS) in v letu 2017 smo v Sloveniji organizatorji redne letne konference. K projektu so prispevali mladi podoktorski raziskovalci in ena mlada raziskovalka, ki je v okvirju štipendije Ad Futura tudi gostovala eno leto na UC San Diego pri znamenitem znastveniku prof. dr. Don Clevlandu. Kot strokovnjak na področju molekularnih osnov nevrogedegenerativnih bolezni je imel leta 2016 vodja projekta tudi strokovno predavanje na slovenski psihogeriatrični konferenci.