1 2. Az Agy Betegségei Az agy betegségeinek molekuláris biológiája 5. Prion betegség DIA 1, 2 A prion betegség emberben és állatokban is előfordul. (A) Emberi prion betegségek: Creutzfeld-Jakob betegség (CJD), vcjd (variant CJD), és kuru. (B) Állati prion betegségek szarvasmarha szivacsos agysorvadás (BSE, mad cow), és scrapie. A betegség eredete alapján megkülönböztetünk szórványos, öröklődő és szerzett prion betegséget. 1. A szórványos prion betegség megjósolhatatlanul, szórványosan fordul elő, nincs nyilvánvaló rizikó faktor, új mutáció hozza létre. 2. Az öröklődő prion betegség szülőkről utódra adódik át. 3. A szerzett prion betegség pedig fertőző. A prion betegségek progresszív, neurodegeneratív betegségek, melyek tünetei rendszerint felnőtt korban jelentkeznek, s a megjelenésüktől kezdve néhány hónapon belül bekövetkezhet a halál, de a típustól függően, több évig is élhet a páciens. A prion betegségek ritkán fordulnak elő, s ezeknek is csak egy kis hányada öröklődik. A legtöbb eset szórványos (például klasszikus CJD). A CDJ egyik variánsa (vcjd) fertőzött marhahúsevésből származik. Angliában a 90 as években nagy pánik tört ki a szarvasmarhák BSE (Bovine Spongiform Encephalitis = mad cow disease) fertőzése miatt. A betegség abból származott, hogy a marhákat olyan táppal etették, amelyek elkészítéséhez más marhákból származó húst is felhasználtak. Anglia évekig nem exportálhatott marhahúst, s nagy volt a félelem, hogy már sok ember elkaphatta a betegséget, ez azonban nem igazolódott be. Korábban a birkáknál és a kecskéknél írták le a scrapie betegséget, amit szintén prion okoz. A fertőző prion betegségnek egy másik formája kuru, mely egyes Pápua Új Guinea törzseknél jelentkezett a kannibalizmus eredményeként. Normálisan a prion fehérje (PrP C ) valószínűleg a réz sejtbe való transzportjában játszik szerepet. Az öröklődő prion betegségek a prion génben (PRNP) történő mutációk eredményei, melyek egy abnormális fehérjét produkálnak (PrP Sc ). Fertőző prion betegség esetén (hús, vagy agyvelő evés, vagy orvosi eredetű fertőzés) a PrP Sc a szervezetbe jut és ott átalakítja a normális fehérjéket PrP Sc vé. Nem ismert, hogy milyen mechanizmus végzi ezt az átalakítást. Érdekes, hogy ez a mutáns fehérje ellenáll a gyomorsavaknak, sőt a hőnek is. Az abnormális protein felhalmozódik az agyban és degradáló hatással van az idegsejtekre. Az idegsejt pusztulás következtében az agy szivacsossá válik, s ez vezet végül a prion betegségek tüneteihez, melyek közül a legfontosabb a dementia (szellemi leépülés). A fertőző prion betegségnek van egy olyan aspektusa, amely rendkívüli tudományos fontossággal bír. Ez ugyanis egy olyan betegség, amelyet nem egy genetikai anyaggal rendelkező mikroorganizmus okoz, hanem egy abnormális fehérje. 6a. Trinukleotid ripít betegségek DIA 3 A trinukleotid ripít betegségek egy olyan betegségcsoportot képeznek, melyet egy magas mutációs rátájú mechanizmus okoz. Ezt a mutációt különféle aminosavakat (főként glutamin és alanin) kódoló bázishármasok számának növekedése okozza. Rendszerint, egy gén egy adott lokuszában találhatók ezek az ismétlődések, melyek egy bizonyos szám alatt nem okoznak betegséget, e szám fölött viszont igen. A kutyafajták esetében kimutatták, hogy az ilyen ismétlődések számának növekedése vagy csökkenése az egyedfejlődésben szerepet játszó gének esetében befolyásolja az egyedek morfológiai felépítését. Lehetséges, hogy a normális agyi funkciókkal (például viselkedés) is ez a helyzet. Az ismétlődések száma az adott fehérje funkcióját módosítja, s normális esetben csak fenotípusos variációt okoz, egy küszöbértéken felüli ismétlődés azonban betegséghez vezet. Jelenleg 14 dokumentált trinukleotid ripít rendellenességet ismerünk az embernél, ebből 7-et a 28-as dián mutatunk be (nem kell megtanulni!). E betegségekből nyolcban a CAG tripletek ismétlődnek, s glutamin (Q) láncokat hoznak létre a fehérjében. Ezeket poli-glutamin (PolyQ) betegségeknek, (Q = Gln), a többi rendellenességet pedig nem-glutamin betegségeknek nevezzük. A PolyQ betegségek a neuronok progresszív degenerációját okozzák általában felnőtt korban. Az érintett gének különböző kromoszómákon helyezkednek el. A nem-polyq betegségek nem mutatnak specifikus tüneteket, s nem hasonlítanak a PolyQ betegségekre.
2 2. Az Agy Betegségei 6b. Huntington kór DIA 4, 5 Genetikai Háttér A Huntington kór (HD; Huntington's disease) egy genetikailag programozott idegsejt degeneráció az agy egyes területein. A HD gén a 4-es kromoszómán helyezkedik el, s 67 exonból áll. A HD egy glutamin expanzión alapuló betegség, melyet CAG tripletek túlzott elszaporodása okoz. Ha a tripletek száma 6 és 35 között van, az nem okoz problémát, 36 és 40 ismétlődés között megbetegedhet a hordozó, de ez nem feltétlenül következik be, 40 ripít felett azonban elkerülhetetlen a betegség kialakulása (felnőtt korban). A tripletek expanzióját az okozza, hogy a ripíteket tartalmazó régió a homológ DNS szakaszok miatt hurkot képez a DNS-en, s ezért a DNS polimeráz megcsúszik. A tripletek számának gyarapodása gyakoribb, mint a csökkenése. A HD kevesebb, mint. 0,01%-os elterjedtségű a nyugat-európai országokban, de helyileg ez a szám magasabb lehet. A HD autoszómális domináns öröklődésű. Minél nagyobb a ripítek száma annál hamarabb jelennek meg a betegség tünetei. Megjegyzés: Azért bázishármasokból álló ripítek fordulnak elő nagyobb arányban a gének kódoló régiójából, mert ezek számbeli változása nem okoz kereteltolódásos mutációt, ami a fehérjét tönkreteszi: az ilyen mutációval rendelkező embrió ugyanis elpusztul, ha fontos gént érintett a genetikai hiba, s így ez a mutáció nem terjed el a populációban. A nem-kódoló régióban előfordulnak egyéb ismétlődések is (például egy vagy két nukleotid). Érintett agyterületek: Különösen a bazális ganglionok (a mozgás koordinációban játszanak szerepet) idegsejtjeit érinti, de az agykéreg is károsodik, ami a gondolkodás, érzékelés és memóriazavarokat okoz. Az agy 25-30%-ot is veszíthet a súlyából a betegség végső stádiumában. Molekuláris és sejtbiológiai háttér: A huntingtin (HTT) gén minden sejtben kifejeződik, de különösen az agyban és a herében ér el magas koncentrációt. A HTT funkciója nem világos, a fehérje szerepet játszik a transzkripcióban, a jelfolyamatokban és a sejten belüli transzportban. A betegséget valószínűleg nem az okozza, hogy a HTT nem végzi el megfelelően a funkcióját, hanem a felhalmozódott mutáns fehérje (mhtt) toxikus hatása (funkciónyeréses mutáció). A poszt-transzlációs módosítások során a mutáns HTT-ből kivágódhatnak rövid, poli-glutamint tartalmazó fragmensek, melyek aggregátumokat képeznek (kicsapódnak). Az ilyen aggregátumok fehérjezárványokat (inclusion bodies) alakítanak ki mind a citoplazmában, mint a sejtmagban. Ezek az első patológiai elváltozások az agyban. Vitatott, hogy a zárványok maguk toxikusak-e a sejtekre, vagy éppen ellenkezőleg a sejt védekező reakcióját jelzik. A sejtek pusztulását okozó feltételezett útvonalak a következők: hatás a chaperonok-ra, a kaszpázokra, az energiatermelésre, vagy a génexpresszióra. 7. ALS (Amiotrófiás laterálszklerózis) DIA 6 Az ALS az egyik leggyakoribb neuro-muszkuláris betegség a világon, minden rassz és etnikum érintett. Százezer emberből egy vagy kettő ALS-ben betegszik meg évente. Az ALS egy progresszív, letális neurodegeneratív betegség, melyben a gerincvelő és az agy akaratlagos mozgásokat irányító motor neuronjai pusztulnak el. Mivel a beidegzés hiánya következtében, az izmok nem képesek működni, idővel elsorvadnak. A betegség pontos oka nem ismert. Annyit tudunk, hogy a Cu/Zn szuperoxid dizmutáz (SOD1) enzim génje az öröklődő ALS típusoknál körülbelül 20%-ban mutáns. A SOD1 egy antioxidáns, amely a szabad gyököket semlegesíti a sejtben. Az enzimműködés hiányában a szabadgyökök felhalmozódhatnak, s károsíthatják a DNS-t és a fehérjéket a motoneuronokban. A legújabb kutatások azonban azt mutatják, hogy nem a SOD1 hiánya okozza a betegséget, hanem a mutáns enzim által kiváltott citotoxikus hatás (funkciónyeréses, domináns negatív mutáció). Ezt az elképzelést támasztja alá, hogy a mutáns SOD1 protein aggregációkat találtak mind az öröklődő, mind a szórványos ASL esetében. Ezek az aggregációk károsíthatják mitokondriumokat, a proteaszómákat és a chaperonokat, ami végül apoptózishoz vezet. A betegséget jelenleg nem tudjuk gyógyítani. Egy híres ALS beteg, Steven Hawking, akit a modern kor egyik legkiemelkedőbb tudósának tartanak. Az ő esetében nem tipikus a betegség lefolyása, mivel már 70 éves elmúlt, s még mindig él (hosszú évek óta egyetlen úját használva képes kommunikálni).
3 2. Az Agy Betegségei 8. Parkinson kór A Parkinson kór (PD; Parkinson s disease) egy neurodegeneratív betegség, amely általában a mozgást, a beszédet és más funkciókat érinti. A betegség tünetei az izmok feszessége, remegés, lelassult mozgás, extrém esetben mozgásképtelenség DIA 7 Dopamin hipotézis. Az elsődleges probléma az, hogy a mozgató kéreg nem kap elég stimulust a bazális ganglionokból. Ennek fő oka a dopamin nem megfelelő képződése a substantia nigra nevű agyterület dopaminerg neuronjaiban, amelyek így nem stimulálják a bazális ganglion sejtjeit. Ez a Parkinson kór dopamin hipotézise. DIA 8 Ez a dia az emberi agy dopaminerg idegpályáit mutatja normális esetben (baloldal) és Parkinson kór esetében (jobb oldal). A piros nyilak gátlást jeleznek, a kékek pedig serkentést az idegi célstruktúrákban. A PD tüneteit a substantia nigra dopaminerg neuronjainak az elvesztése okozza. Ezek a neuronok a bazális ganglionokhoz vetülnek. A dopaminerg neuronok elvesztése megváltoztatja a bazális ganglionok aktivitását: gátlódik a közvetlen és serkentődik a közvetett pálya. Részletes ábramagyarázat (DIA 8) Közvetlen útvonal: Csökken a dopaninerg neuronok serkentő hatása a bazális ganglionban lévő gátló inter-neurononkra, amelyek így kisebb gátló hatást fejtenek ki a talamuszba vetülő gátló neuronokra, amelyek ezáltal erőteljesebb gátló hatással vannak a mozgató kéregbe vetülő serkentő neuronokra. Közvetett útvonal: Csökken a subtantia nigra-ból kiinduló neuronok gátló hatása a bazális ganglionban lévő gátló interneuronokra, ezért megnövekszik ez utóbbiak gátló hatása nucleus subthalamicus-ba tartó gátló neuronokra, amelyek így csökkent gátló hatással bírnak a nucleus subthalamicus-ból kiinduló serkentő neuronokra. A serkentő neuronok az így megnövekedett aktivitásuk révén a bazális nukleuszból induló gátló neuronokat serkentik, amelyek a talamusz mozgató kéreg felé tartó serkentő neuronok pályáit gátolják. A két útvonal hibás működése ugyanabba az irányba hat: csökkent mozgatókéreg aktiválása. Négy fő dopamin pályarendszer van az agyban, melyek közül a nigrostriatális (substantia nigra bazális ganglionok) érintett a leginkább, s okoz mozgásbeli problémákat. A többi dopaminerg pályarendszer összeomlása okozza a Parkinson kórral összefüggő egyéb tüneteket. A dopaminerg sejtek pusztulásának okát nem tudjuk pontosan. Az úgynevezett alfa szinuklein protein felhalmozódása okozhatja a sejtek pusztulását. Az alfa szinuklein valószínűleg egy mikrotubulus-asszociált fehérje. Az alfa szinuklein-ubikvitin komplexet nem lehet ugyanis a proteaszómákba irányítani, s a citoplazmában az úgynevezett Lewy testeket képzik. A legújabb kutatások azt mutatják, hogy a felhalmozódott alfa szinuklein gátolja a fehérje transzportot az endoplazmás retikulum és a Golgi apparátus között, s ez okozza a dopaminerg sejtek pusztulását. A fehérje aggregátumokkal kapcsolatba hozzák a vas felhalmozódását, amely toxikus hatású a sejtekre. A károsító hatás pontos mechanizmusa azonban nem ismert. A PD ritka öröklődő változatában az alfa szinuklein génben van mutáció. DIA 9 Kezelés Jelenleg nincs gyógymód a PD meggyógyítására, de a tüneteket tudjuk némileg enyhíteni. A legelterjedtebb gyógymód az L-DOPA bejuttatatása a szervezetbe, ahol azt a DOPA-dekarboxiláz enzim dopaminná alakítja. A fő probléma az, hogy ezeknek a molekuláknak csupán 1-5%-át veszik fel a dopaminerg neuronok, a maradék pedig mellékhatásokat okoz. Sőt, ez a kezelés azt eredményezi, hogy az endogén (saját belső) L-DOPA mennyisége csökken (negatív visszacsatolásos folyamatok révén), ami nem kívánt eredményhez vezet. (2) COMT inhibitorok gátolják a COMT enzimet (posztszinaptikus membránban helyezkedik el, s a szinaptikus résben lévő monoaminokat degradálja), s ezáltal megnyújtják a dopamin hatását. L-DOPA kezeléssel együtt alkalmazzák, nem túl hatékony terápia. (3) A dopamin agonisták (a dopamin receptorra a dopaminnal megegyező hatású szerek) alkalmazása szintén szerény terápiás értékkel bír. Mellékhatásuk, a szkizofréniánál már említett hallucinációk, vagy álmatlanság, stb. Ráadásul, a dopamin agonisták kezdetben hatékonyak, de idővel a dopamin receptorok érzékenysége csökken. DIA 10 A gyógyszeres kezelés eredménytelensége miatt a PD gyógyításában jelenleg alternatív megközelítésekkel is próbálkoznak, melyek a következőket foglalják magukba: génterápiás eljárások, őssejtekkel való kezelés és elektróda implantáció. (1) Idegen gének bevitele vírus vektorokkal. A tirozin hidroxiláz gén bevitele a substantia nigra-ba (dopaminképződést segíti). A GAD (glutamic acid decarboxylase; glutaminsav dekarboxiláz) gén bevitele a szubtalamikus magba (a GAD a GABA képződését katalizálja). A GABA gátolja a szubtalamikus neuronok túlzott aktivitását. (2) Őssejtek beültetése a substantia nigra-ba. Kétféle megközelítés: az őssejtek dopamin-termelő sejtekké való átalakítása in vitro differenciáltatással vagy génterápiával. (3) Egy alternatív megközelítés a PD kezelésében elektródák beültetése az agyba (nucleus subthalamicus és globus pallidus) és egy pacemaker-rel összekötni ezeket (DBS: deep brain stimulation; mélyagyi stimuláció).
4 2. Az Agy Betegségei 9. Alzheimer-kór DIA 11-13 Az Alzheimer kór (AD, Alzheimer s disease) a demenciák egyik típusa, 1904-ben írta le először Alois Alzheimer, német pszichiáter. Klinikai tünetei a feledékenység, számolási és olvasási zavar. E kognitív tüneteken kívül vannak a viselkedést, magatartást is érintők, mint a hallucinációk, agresszivitás. A betegek egy idő után már saját maguk ellátására is képtelenek lesznek, a gyakori elesések és kóborlások miatt állandó felügyeletre szorulnak. Ma Magyarországon az AD közvetve (rokonokat is beszámítva) 1 millió embert érint. A tényleges elváltozások a betegek agyában már évtizedekkel a klinikai tünetek megjelenése előtt kifejlődnek (így a kezelés is akkor kezdődik meg, amikor a visszafordíthatatlan elváltozások már megjelentek). Ilyen neuropatológiai eltérések az idegsejtek és a köztük lévő szinaptikus kapcsolatok számának csökkenése, az agy tömegének csökkenése és az agytekervények közötti árkok (sulcusok) tágulása. A betegség kialakulásának pontos mechanizmusa nem ismert, de több magyarázó modell is létezik: DIA 14, 15 (1) A Kóros Fehérjeképződési Modell szerint elsősorban a betegek agyában kialakuló fehérje aggregátumok okozzák a neuronok elhalását. (1a) Amiloid hipotézis: A szenilis plakkok az amiloid prekurzor protein (APP) kóros hasításaként létrejövő ß-amiloid lerakódásai. A ß-amiloid egy kb. 40 aminosavból álló polipeptid, mely a neuronok közötti térben csapzódik össze más fehérjékkel együtt és ezáltal az idegsejtek mikrokörnyezetét megváltoztatva okozza azok halálát. Megjegyzés: Normálisan az alfa-szekretáz enzim vágja el az APP-t, s így a fehérje extracelluláris fragmense a sejtek közötti térbe kerül (ezt követően, a gamma-szekretáz hatására a membránban maradt peptid fragment is az extra celluláris térbe kerül). Alzheimer kórban, az első vágást egy másik enzim a béta-szekretáz végzi, ami egy rövidebb fehérje szakasz extracelluláris térbe való kiválasztását eredményezi. Ezt követően, a gammaszekretáz a hosszabb maradék peptid (ß-amiloid) sejtek közötti térbe való kerülését katalizálja, ahol a peptid szakaszok aggregátumokat képeznek. (1b) Tau hipotézis: A neurofibrilláris fonadékok (neurofibrillary tangles = NFT) szintén fehérje aggregátumok. A neuronok életben maradásához elengedhetetlen, hogy a sejttest és a nyúlványvégződések között az intracelluláris transzport akadálytalan legyen. Ennek biztosítása a mikrotubulusok feladata. A mikrotubulushoz kapcsolódó tau-fehérje kóros hiperfoszforilációja a fehérje kicsapódásához, NFT kialakulásához vezet, valamint a tau elveszti eredeti mikrotubulus stabilizáló funkcióját, ezért a sejtváz szétesik és a neuron elpusztul. A két hipotézis tehát abban különbözik egymástól, hogy az AD oki tényezőjeként az egyik az amiloid-, a másik a foszforilált tau fehérje lerakódásokat jelöli meg. Viszont, mindkét hipotézis a lerakódások toxikusságában látja a betegség okát, nem pedig a normális fehérjék funkciójának hiányában. DIA 16, 17 (2) A Neurotranszmitter Modell szerint egyes ingerületátvivő mechanizmusok sérülése okozza az idegsejtek halálát. Persze, a dolog fordítva is történhet: az idegsejt már kóros anyagcseréje okozhatja a megváltozott szinaptikus működést. (2a) A kolinerg hipotézis szerint az acetil-kolin (ACh) csökkent mennyisége okozza a problémát. A ma alkalmazott gyógyszeres terápiák többsége ezen a szemléleten alapul: az acetil-kolin észteráz-gátló gyógyszerek megakadályozzák, hogy az enzim lebontsa a szinaptikus résbe jutott ACh-t, így annak koncentrációja megnő, és nagyobb valószínűséggel tudja aktiválni a posztszinaptikusan elhelyezkedő ACh-receptorokat. (2b) A glutamát hipotézis a glutamáttal működő szinapszisok kóros működéséből eredezteti a neuron elhalást: a glutamát posztszinaptikus receptorának (N-metil-D-Aszpartát, azaz NMDA - receptor) túlzott stimulációja nagy mennyiségű Ca 2+ bejutását eredményezi az idegsejtbe, ez pedig többek között a mitokondriális anyagcsere zavarához, gyulladásos mediátorok felszabadulásához vezet, majd sejthalálhoz. Így a másik útvonal a terápiában az NMDA-receptor gátló (antagonista) hatóanyagok adása. DIA 18 (3) A Genetikai Modell szerint egyes gének alléljai valószínűsítik az Alzheimer-kór kialakulását. Ilyen gén az idegrendszer lipid anyagcseréjében résztvevő apolipoprotein E, melynek apoe4 allélja az AD betegek körében háromszor gyakrabban fordul elő. A világon eddig húsz családban írták le az APP génjének mutációját. Ezen allél hordozóiban 100%-os penetranciával fordul elő az AD korai, familiáris (öröklött) típusa, így az APP-t szokás 1. típusú familiáris Alzheimer-demencia génnek is nevezni. Mai tudásunk szerint az AD betegek állapotromlását visszafordítani, vagy megállítani nem lehet, azonban minél hamarabb kerül a beteg szakemberhez és kezdődik meg a gyógyszeres terápia, annál eredményesebben lassítható a folyamat. A lassú, sporadikus előfordulású (vagyis nem öröklődő), 65 év
5 2. Az Agy Betegségei felett jelentkező AD általában 10-15 év alatt vezet halálhoz. A halál oka többnyire az elesések, a hosszantartó ágyban fekvés következményeként kialakuló fertőzések, tüdőgyulladás.