Wissenschaftler entschlüsseln, wie TDP-43 in Neuronen bei ALS und Demenz toxische Verklumpungen bildet

TDP-43-Proteinaggregation in zytoplasmatischen Einschlüssen ist ein definierendes Merkmal von ALS, frontotemporaler Demenz (FTD) und mehreren anderen neurodegenerativen Erkrankungen. Dennoch blieb bislang weitgehend unverstanden, warum diese Einschlüsse unterschiedliche Formen annehmen – fadenartig, rund, granulär oder sphärisch. Diese in Nature Cell Biology veröffentlichte Studie liefert einen mechanistischen Rahmen, der erklärt, wie unterschiedliche Einschlussmorphologien entstehen, und identifiziert spezifische molekulare Akteure, die therapeutisch gezielt werden könnten.

Das Forschungsteam zeigte zunächst, dass die N-terminale Selbst-Oligomerisierungsdomäne (NTD) von TDP-43 ein zentraler Regulator der Einschlussmorphologie ist. Wenn TDP-43 ohne NTD oder vollständiges TDP-43 mit einer S48D-Mutation, die die NTD-vermittelte Selbstinteraktion unterbricht, in zytoplasmatischer Form exprimiert und proteotoxischem Stress ausgesetzt wurde (Arsenit oder Proteasomhemmung), bildeten die Zellen fadenartige statt runder, tröpfchenartiger Einschlüsse. Diese fadenartigen Strukturen waren gel-/feststoffartig, unlöslich und RNA-arm – konsistent mit pathologischen Aggregaten, die in ALS-Geweben beobachtet werden.

Um die Proteinzusammensetzung fadenartiger Einschlüsse zu identifizieren, setzte das Team APEX2-Proximity-Labeling in Kombination mit quantitativer Massenspektrometrie mittels Tandem-Mass-Tag ein. Nach milder Membranpermeabilisierung zur Entfernung von diffusem zytoplasmatischem TDP-43 wurden 66 Proteine gefunden, die in der Nähe fadenartiger Einschlüsse signifikant angereichert waren. Am stärksten angereichert waren Aktin-bindende Proteine – insbesondere Filamine (A, B, C) und α-Aktinine – neben Hitzeschockproteinen, Komponenten des Ubiquitin-Proteasom-Systems und Tubulinen. RNA-bindende Proteine wie FUS, HNRNPU und Stressgranulum-Komponenten waren abgereichert, was darauf hinweist, dass sich TDP-43 von Stressgranula trennt, um diese festen Aggregate zu bilden. Die Assoziation von fadenartigen TDP-43-Einschlüssen mit filamentösem Aktin wurde durch LifeAct-Markierung, hochauflösende Mikroskopie, Immunogold-Elektronenmikroskopie und Co-Immunopräzipitation bestätigt. Die pharmakologische Disruption von Aktinfilamenten (Cytochalasin D oder Blebbistatin) verhinderte die Fadenbildung, während die Disruption von Mikrotubuli (Nocodazol) keinen Effekt hatte.

Die Analyse von RNA-seq-Daten aus postmortalen Motoneuronen von ALS-Patienten ergab, dass die Expression von Filamin A im Vergleich zu Kontrollen um etwa das 4-Fache erhöht war, während das TDP-43-regulierte Gen STMN2 reduziert war. Immunfluoreszenz an ALS-Rückenmarksgewebe bestätigte, dass Filamin A in mehr als 90 % der betroffenen Motoneuronen zusammen mit TDP-43 in fadenartigen Einschlüssen ko-aggregiert war. Die Überexpression von Filamin A verstärkte den Zelltod in TDP-43-exprimierenden Zellen, und der shRNA-Knockdown des Drosophila-Filamin-Homologs (cher) rettete die TDP-43-induzierte Augendegeneration in Fliegen signifikant – was Filamin direkt in die TDP-43-Toxizität einbindet.

Mechanistisch wurde das Chaperon BAG3 – ein Nukleotidaustauschfaktor für HSP70, der normalerweise die Proteostase von Aktin-bindenden Proteinen reguliert – als zentraler Treiber der Bildung fadenartiger Einschlüsse identifiziert. Die Überexpression von BAG3 förderte die fadenartige Aggregation drastisch, während der Knockdown von BAG3 diese aufhob. Im Gegensatz dazu begünstigte BAG2, ein weiterer HSP70-Ko-Chaperon, die Bildung kleiner, runder TDP-43-Einschlüsse. Die Studie belegt damit, dass sowohl die intrinsische Selbst-Oligomerisierung von TDP-43 als auch seine Wechselwirkungen mit der Chaperonmaschinerie (HSP70, BAG2, BAG3, HSPB8) und Aktin-bindenden Proteinen gemeinsam den Typ des sich bildenden Einschlusses bestimmen – mit potenziell unterschiedlichen Konsequenzen für die Neurotoxizität.