Studie maakt duidelijk hoe spermine kan beschermen tegen de ziekte van Alzheimer en Parkinson

Studie maakt duidelijk hoe spermine kan beschermen tegen de ziekte van Alzheimer en Parkinson

Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben uitgelegd hoe spermine – een klein molecuul dat veel processen in de lichaamscellen reguleert – ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson kan voorkomen: het maakt bepaalde eiwitten onschadelijk door zich een beetje als kaas op pasta te gedragen en ze aan elkaar te laten klonteren. Deze ontdekking zou kunnen helpen dergelijke ziekten te bestrijden. Het onderzoek is nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschriftCommunicatie over de natuur.

Onze levensverwachting blijft stijgen – en daarmee ook de frequentie van ouderdomsziekten, waaronder neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en Parkinson. Deze ziekten worden veroorzaakt door ophopingen van schadelijke eiwitstructuren in de hersenen, bestaande uit verkeerd gevouwen amyloïde eiwitten. Hun vorm doet denken aan vezels of spaghetti. Tot op heden bestaat er geen effectieve therapie om dergelijke ophopingen te voorkomen of te elimineren.

Maar een molecuul genaamd spermine dat van nature in het lichaam voorkomt, biedt hoop. Onderzoekers onder leiding van studieleider Jinghui Luo van het Center for Life Sciences van het Paul Scherrer Instituut PSI hebben in experimenten ontdekt dat deze stof de levensduur van kleine nematodenwormen kan verlengen, hun mobiliteit op oudere leeftijd kan verbeteren en de energiecentrales van hun cellen – de mitochondriën – kan versterken. Concreet observeerden de onderzoekers hoe spermine het immuunsysteem van het lichaam ondersteunt bij het elimineren van zenuwbeschadigende ophopingen van amyloïde eiwitten.

De nieuwe bevindingen zouden kunnen dienen als basis voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën voor dergelijke ziekten.

Een centrale bemiddelaar van cellulaire processen

Sperma is een essentiële stof voor het organisme. Het is een van de zogenaamde polyaminen, dit zijn relatief kleine organische moleculen. Sperma, ruim 150 jaar geleden voor het eerst ontdekt, is vernoemd naar zaadvloeistof omdat het daar in bijzonder hoge concentraties voorkomt. Maar het wordt ook aangetroffen in veel andere cellen in het lichaam, vooral in de cellen die actief zijn en zich kunnen delen.

Spermine bevordert de celmobiliteit en -activiteit en controleert talrijke processen. Het interageert voornamelijk met de nucleïnezuren van het genoom en reguleert zo de expressie van genen en hun omzetting in eiwitten. Dit zorgt ervoor dat cellen goed kunnen groeien en delen en uiteindelijk afsterven. Sperma speelt ook een centrale rol in een belangrijk cellulair proces dat biomoleculaire condensatie wordt genoemd: in dit proces scheiden bepaalde macromoleculen, zoals eiwitten en nucleïnezuren, zich af en verzamelen zich in druppelachtige vorm in de cel, waardoor daar belangrijke reacties kunnen plaatsvinden.

In verband met neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer of Parkinson zijn er eerder aanwijzingen geweest dat spermine zenuwcellen kan beschermen en leeftijdsgerelateerd geheugenverlies kan verlichten. Tot nu toe ontbreekt het echter aan een nauwkeuriger begrip van de manier waarop spermine ingrijpt in zenuwbeschadigende processen - kennis die er medisch voordeel uit zou kunnen halen.

Ondersteuning bij het elimineren van cellulair afval

De groep van Jinghui Luo heeft dit nu nader onderzocht. Naast optische microscopie gebruikten de onderzoekers ook SAXS-verstrooiingstechnologie bij PSI's Synchrotron Light Source Switzerland SLS om de moleculaire dynamiek van deze processen op te helderen. Het onderzoek werd uitgevoerd in een glazen capillair (in vitro) en in een levend organisme (in vivo). De nematode C. elegans diende als modelorganisme.

Het bleek dat spermine biomoleculaire condensatie gebruikt om ervoor te zorgen dat de schadelijke eiwitten zich ophopen en tot op zekere hoogte samenklonteren. Dit maakt een proces mogelijk dat autofagie wordt genoemd en dat routinematig in onze cellen plaatsvindt: beschadigde of onnodige eiwitten worden in kleine membraanblaasjes gewikkeld en veilig afgebroken met behulp van enzymen - praktisch een natuurlijk recyclingproces.

Autofagie is effectiever bij het behandelen van grotere klonten eiwitten. En spermine is als het ware het bindmiddel dat de strengen bij elkaar houdt. Er zijn slechts zwak aantrekkelijke elektrische krachten tussen de moleculen, die ze organiseren maar ze niet stevig met elkaar verbinden.”

Jinghui Luo, studiedirecteur

Het geheel, zegt Luo, kan je je ook voorstellen als een bord spaghetti. “De spermine is als kaas: het bindt de lange, dunne noedels aan elkaar zonder ze aan elkaar te plakken, waardoor ze gemakkelijker verteerbaar worden.”

Op zoek naar: de juiste combinatie van ingrediënten

Sperma heeft ook invloed op andere ziekten, waaronder kanker. Ook hier is onderzoek nodig om de werkingsmechanismen te verduidelijken - dan zouden op spermine gebaseerde therapeutische benaderingen denkbaar zijn. Naast spermine zijn er nog vele andere polyaminen die belangrijke functies in het organisme vervullen en daarom van medisch belang zijn. Daarom heeft onderzoek op dit gebied een groot potentieel. “Als we de achterliggende processen beter begrijpen”, zegt Luo, “kunnen we als het ware smakelijkere en beter verteerbare gerechten bereiden, omdat we dan precies weten welke kruiden en in welke hoeveelheden de saus bijzonder lekker maakt.”

Bij deze zoektocht wordt ook gebruik gemaakt van kunstmatige intelligentie omdat het op basis van alle beschikbare data veel sneller kansrijke combinaties van ‘sausingrediënten’ kan berekenen. Luo wijst er ook op dat tijdsopgeloste verstrooiingsmeettechnieken en beeldvorming met hoge resolutie, die dergelijke processen in realtime en tot op subcellulair niveau in beeld kunnen brengen, ook belangrijk zijn voor dit en daaropvolgende studies. Afgezien van PSI zijn dergelijke methoden alleen beschikbaar bij een paar andere synchrotronfaciliteiten wereldwijd.

Bronnen: