FMN minskar toxicitet hos Alzheimers-peptider

Felveckning och aggregat av amyloid-beta-peptider anses vara en orsak till utveckling av Alzheimers sjukdom, som är den vanligaste neurodegenerativa sjukdomen. Ansamling av peptiderna i aggregat, eller så kallade plack, leder till att hjärnans neuroner, nervceller, förlorar funktioner eller dör. Uppskattningsvis lever 45–50 miljoner människor lever med den progressiva och obotliga sjukdomen idag. I och med en växande och åldrande världsbefolkning förutspås antalet diagnostiserade patienter att öka ytterligare.

Aggregering av amyloid-beta42 utlöser celldöd

Amyloid-beta42 är en av två isoformer av amyloidpeptider som återfinns i hög koncentration i hjärnor hos Alzheimers-patienter och den har visats vara mer toxisk och mer benägen att bilda aggregat än den vanligaste isoformen, amyloid-beta40. Ökad produktion och aggregering av amyloid-beta42 tros utlösa stor stress i det endoplasmatiska nätverket i nervceller. När stressnivåerna överstiger cellens buffringskapacitet aktiveras ett celldödsprogram för att ta bort celler med obotliga skador, och delar av hjärnan dör.

Aggregering av amyloid-beta42-peptider är också inblandad i avvikande funktionalitet i mitokondrier i cellerna, vilket kan öka den oxidativa stressen i neuroner. Dessa hjärnceller är mer mottagliga för oxidativ stress än andra celler på grund av högre metabolisk aktivitet och lägre antioxidativ aktivitet. Oxidativ stress kan förvärra sjukdomsförloppet för Alzheimers sjukdom då det kan leda till skador på cellstrukturer, proteiner, lipider och DNA.

FMN-tillskott ökar motståndskraft

Studien, som nyligen publicerades i Nature Communications, visar att jästceller som uttrycker de toxiska amyloid-beta42-peptiderna som får FMN-tillskott visar lägre nivåerna av felveckade proteiner. Dessutom ökar FMN-tillskottet jästcellernas motståndskraft mot oxidativ stress.

− Den här studien gjordes i syfte att hitta underliggande mekanismer för att reglera amyloid-beta-aggregering in vivo, i detta fall i jästceller. Det finns idag inget känt botemedel mot sjukdomen. Därför letar forskare efter potentiella måltavlor för behandlingar och potentiella läkemedel som kan sättas in i ett tidigt skede. Ju snabbare vi hittar en behandling som kan sättas in tidigt i sjukdomsförloppet, desto större chanser har patienterna. Nästa steg skulle vara att bevisa att FMN-tillskott också ökar överlevnadsgraden hos andra modellorganismer, till exempel C. elegans eller i cellinjer från däggdjur. Under ideala omständigheter skulle vi i så fall även vilja göra kliniska försök och så småningom testa behandling på patienter, säger Xin Chen, medicine doktor, på avdelningen för systembiologi, som är förstaförfattare till studien.

FMN1-deletetion påverkar överlevnad hos cellerna

För att identifiera toxicitetsmodifierare för amyloid-beta42 använde forskarna en så kallad SGA ”genome-wide synthetic genetic interaction array” (SGA) med bagerijäst, Saccharomyces cerevisiae, som modellorganism.

I samarbete med professor Thomas Nyström och hans forskargrupp vid Göteborgs universitet använde Dina Petranovics grupp på Chalmers ett bibliotek av muterade jäststammar bestående av cirka 5 500 stammar med enstaka gendeletioner, som täcker mer än 80 procent av jästgenomet. De skapade ett nytt bibliotek som kombinerade uttryck av amyloid-beta42 med varje gendeletionsstam. Baserat på screeningresultatet såg man att cirka 400 gendeletioner ökade toxiciteten för amyloid-beta42 märkbart, och av dem valdes genen FMN1 för vidare studier. FMN1 kodar för ett riboflavinkinas, ett essentiellt enzym som är ansvarigt för att katalysera fosforyleringen av riboflavin (vitamin B2) till sin aktiva form, flavinmonukleotid, FMN.

"Riboflavin har potential att ge skyddande effekter"

− En av anledningarna till att vi fokuserade på just riboflavinmetabolismen var att FMN1-genen har en motsvarighet i människans celler, som visade sig vara relevant hos Alzheimerspatienter. Dessutom har andra modeller visat att riboflavin har potential att ge skyddande effekter på neuroner. Om detta så småningom visar sig vara relevant i kliniska försök, kan det kanske finnas en behandling baserad på en liten molekyl, som kan vara enklare, billigare och bekvämare än många andra alternativ, säger Xin Chen.

Forskarna visade också att transkriptionsnivåerna för den mänskliga motsvarigheten, RFK, minskas markant i Alzheimers-patienternas hjärnvävnader. Det tyder på en bevarad evolutionär funktion av riboflavinkinas i de processer som styr reglering av proteiner i celler.

FMN-tillskott förbättrar cellkapacitet för att klara av oxidativ stress

En stor uppsättning av experiment på amyloid-beta42-jäststammar visade att FMN-tillskott till odlingsmedium minskade celltoxiciteten som inducerats av peptiden, det vill säga överlevnadsgraden hos cellerna ökade. Celler som växte med FMN-tillskott visade lägre nivåer av felveckade proteiner, förändrad cellulär metabolism och hade förbättrad cellkapacitet för att klara av oxidativ stress.
FMN-tillskott ledde också till en global transkriptionsrespons i cellerna och förändrade metaboliska reaktionsvägar relaterade till de ökade förhållandena mellan reducerade och oxiderade former av redox-cofaktorer. Den förbättrade redoxjämvikten kan vara fördelaktig för tolerans för oxidativ stress och bidra till minskad amyloid-beta42-toxicitet.

Nästa steg för forskarna är att testa de gynnsamma effekterna av FMN-tillskott i andra modellorganismer (som C. elegans, Drosophila, möss eller däggdjurscellinjer) och undersöka ytterligare effekterna av FMN-tillskott i andra modeller för neurodegenerativa sjukdomar, till exempel Huntingtons och Parkinsons sjukdom.

Läs den vetenskapliga publikationen i Nature Communications:

• FMN reduces Amyloid-β toxicity in yeast by regulating redox status and cellular metabolism

Läs också: 

• Amyloid-β peptide-induced cytotoxicity and mitochondrial dysfunction in yeast
• Interplay of Energetics and ER Stress Exacerbates Alzheimer's Amyloid-β (Aβ) Toxicity in Yeast