Minskad stress-respons i hjärnceller ger bättre minne och inlärning

Celler kan aktivera den integrerade stress-responsen (ISR) som svar på olika sorters stress. ISR minskar proteinsyntesen och prioriterar proteiner som kan åtgärda stressen. Då bildar cellerna i hippocampus färre proteiner som behövs för att lagra minnen. Forskare i USA blockerade ISR i en musmodell av Downs syndrom och detta normaliserade proteinsyntesen, långtidsminnet och synaptisk plasticitet.

Integrerad Stress-Respons aktiverad av PKR i hippocampus hos DS-möss

Forskarna från Kalifornien och Texas ville ta reda på hur cellers reglering av proteiner (proteostasen) bidrar till den kognitiva funktionsnedsättningen vid Downs syndrom. Hjärnan måste kunna svara på flera olika sorters stress som orsakas av både inre och yttre faktorer, som exempelvis oxidativ stress, cytokiner, för många felveckade proteiner i cellen, brist på tillväxtfaktorer, svält, syrebrist, virus, bakterier, eller oxidanter. Den integrerade stress-responsen är en central mekanism för att åtgärda stressen i cellen genom att reglera hastigheten i proteinsyntesen.

Forskarna studerade DS-musen Ts65Dn och fokuserade på hippocampus, som är central för minne och inlärning. De började med att mäta hastigheten i proteinsyntesen där. Det visade sig att DS-mössen bildade 32-39 % färre proteiner i hippocampus än vilda möss. Forskarna frågade sig därför om ISR var aktiverat? ISR triggas om translationsfaktorn eIF2 fosforyleras, och mängden fosforylerad eIF2 bekräftade att ISR var aktiverat hos DS-mössen. För att ta reda på om detta gäller också människor med Downs syndrom, så mätte man först fosforylerad eIF2 i hjärnvävnad från avlidna personer med DS och fann att ISR var aktiverat även där. Sedan kunde man med hjälp av inducerade stamceller från personer med Downs syndrom också konstatera att ISR var aktiverat i T21-cellerna, men inte i en cellinje där den extra kromosomen av okänd anledning saknades. Forskarna kunde utesluta påverkan på proteinsyntesen via andra signalvägar, och ringa in att det endast var en kinas som triggade ISR i DS-mössens hippocampus; PKR.

Blockering av ISR gör att långtidsminnet blir bra hos DS-möss

Personer med Down Syndrom har svårare att lösa uppgifter som är beroende av hippocampus. Forskarna lät därför mössen genomföra uppgifter som är beroende av hippocampus – att känna igen en plats och ett föremål efter ett dygn. DS-mössen klarade testerna sämre än de vilda mössen. Sedan behandlade man DS-mössen och de vilda mössen med ett farmakologiskt ämne (PKRi) som blockerar PKR. Detta återställde DS-mössens långtidsminne för föremål och förbättrade minnet för plats, och hade ingen effekt på de vilda mössen. Det finns också DS-möss som saknar PKR helt och hållet genom genetisk modifiering, och de hade lika bra långtidsminne som de vilda mössen för föremål och nästan lika bra för plats. Såväl genetisk som farmakologisk blockering av PKR i DS-möss gör långtidsminnet bra.

Blockering av ISR förbättrar synaptisk plasticitet hos DS-möss

Forskarna undersökte därefter hjärnvävnad från mössens hippocampus för att se hur den synaptiska plasticiteten påverkats. De registrerade den sena fasen av Long-Term Potentiation (LTP) i skivor av hippocampus från mössen. I den sena fasen av LTP kan nya synapser bildas med hjälp av proteinsyntes, och långtidsminnen bildas. Den sena LTP:n var försvagad i vävnadsproven från DS-mössen. Genetisk blockering av PKR räddade den sena LTP:n, och farmakologisk blockering förbättrade den också.

Blockering av ISR korrigerar delvis proteinsyntesen

Forskarna jämförde sedan genernas transkription respektive translation i hjärnan hos DS-möss och vilda möss. Forskarna identifierade 662 gener som hade normal transkription men som avvek minst 50% i translationen hos DS-mössen. 80% av den translation som var minskad hos DS-mössen, hade normala nivåer hos de DS-möss vars PKR var genetiskt blockerad.

Minskad ISR räddar proteinsyntesen, långtidsminnet och synaptisk plasticitet i DS-möss

Fosforylerad eIF2 minskar proteinsyntesen genom att hämma aktiviteten hos eIF2B. För att motverka neddragningen av proteinsyntesen kan man antingen minska fosforyleringen av eIF2 eller stimulera aktiviteten i eIF2B. Forskarna korsade DS-musen Ts65Dn för att få fram en mus där bara en av de två generna för eIF2 kunde fosforyleras. De lägre nivåerna av fosforylerad eIF2 hos den nya musen ledde till att translationen och proteinsyntesen normaliserades, liksom den sena LTP:n och långtidsminnet. Forskarna prövade också att behandla DS-musen Ts65Dn med ett ämne (ISRIB) som aktiverar eIF2B. Detta räddade också den sena LTP:n och långtidsminnet. Både genetisk och farmakologisk minskning av ISR kan alltså rädda långtidsminnet och synaptisk plasticitet i DS-möss.

Summation of excitatory and inhibitory signals - från Wikimedia

Minskad ISR minskar den bromsande synaptiska signaleringen i DS-möss

Tidigare studier har visat att försvagningen av sen LTP och långtidsminne i DS-musen beror på en förstärkning av den inhiberande synaptiska signaleringen. Den inhiberande signaleringen (”bromsen”) var förstärkt, men den excitatoriska signaleringen (”gasen”) var inte påverkad i hippocampus hos DS-musen. Forskarna ville se hur minskad ISR påverkar denna ”broms”. I skivor från hippocampus kunde de mäta att den bromsande signaleringen blev normal hos alla behandlade DS-möss: den DS-mus som saknar PKR, hos DS-musen med farmakologiskt blockerad PKR, hos DS-musen som korsats så att bara ena genkopian av eIF2 fosforyliseras, samt hos DS-musen som behandlats med ISRIB för aktivering av eIFB. Minskning av den integrerade stressresponsen genom behandling av PKR, eIF2 eller eIF2B normaliserar den bromsande synaptiska signaleringen.

ISR minskar bildandet av långtidsminnen vid kognitiva funktionsnedsättningar

Forskarna hävdar att ISR mycket väl kan visa sig vara den centrala mekanismen bakom den intellektuella funktionsnedsättningen hos personer med Downs syndrom, och anser att det är osannolikt att en enskild gen kan ha samma betydelse. ISR kontrollerar det translationella programmet i proteinsyntesen, och genom att korrigera detta i DS-musen Ts65Dn så återställdes minne och inlärning. Om den yttersta orsaken till intellektuell funktionsnedsättning hos personer med DS beror på obalanser i proteostasen, vilket uppfattas som en generisk stress av ISR i hjärnan, så lönar det sig inte att rikta in behandling på enskilda gener enligt forskarna.

De lyfter också fram att andra behandlingar som haft positiv effekt på minne och inlärning hos DS-möss kan förklaras genom deras effekter på ISR: Minocycline, som förbättrar minnet hos Ts65Dn, minskar nivåerna av fosforylerad eIF2. Fluoxetin, som förbättrar långtidsminnet hos Ts65Dn, hämmar PKR. När det gäller SAG 1.1, som aktiverar Sonic HedgeHog (SHH) och förbättrar minnet hos Ts65Dn, är det inte känt om det påverkar ISR, men ett annat ämne som aktiverar SHH sänker nivån av fosforylerad eIF2. Litium förbättrar LTP och minne i Ts65Dn och stimulerar eIF2B. Fysisk träning som rapporterats förbättra kognitiv funktion i Ts65Dn, har visat sig blockera ISR i hippocampus i en musmodell för Alzheimers sjukdom. Farmakologisk behandling med ett syntetiskt ämne som liknar BDNF återställer LTP och långtidsminne hos Ts65Dn, och det är känt att BDNF stimulerar eIF2B.

Forskarna framhåller att farmakologisk eller genetisk modulering av ISR kan bli en lovande strategi för att mildra många olika kognitiva funktionsnedsättningar som orsakas av en proteostas ur balans.

Läs mer:

Activation of the ISR Mediates the Behavioral and Neurophysiological Abnormalities in Down Syndrome (2019, Nov: Ping Jun Zhu, Sanjeev Khatiwada, Ya Cui, Lucas C Reineke, Sean W Dooling, Jean J Kim, Wei Li, Peter Walter, Mauro Costa-Mattioli. PMID31727829, UCSF ISR-DS2019 (pdf))

In Down Syndrome Mouse Model, Scientists Reverse Intellectual Deficits with Drugs (UCSF News, Nov 14, 2019)

Treating Down Syndrome By Treating Stress (Harvard Blog, Nov 19, 2019)

Relaterat på Svenska Downföreningens hemsida:

Färre hoptrasslade proteiner ger färre för tidigt åldrade celler (Aug 2019)

Hur Trisomi 21 påverkar cellernas proteiner (Jan 2018)

På väg mot behandling av Trisomi 21 (Jan 2016)