Årsagen til ME patienters motionsintolerance er fundet

Forskere fra National Institute of Health (NIH) i USA har vist, at proteinet Wiskott-Aldrich Syndrome Protein Family Member 3 (WASF3) ødelægger mitokondriernes respiration, og dette medfører motionsintolerance hos ME patienter (1). Artiklen er her:

WASF3 disrupts mitochondrial respiration and may mediate exercise intolerance in myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome

I det følgende gennemgås afsnittene i artiklen, men først lidt basisviden.

Basisviden

Mitokondrier er cellernes kraftværker. De danner energi under forbrug af ilt (respiration). Mitokondrier består af 5 dele, kaldet mitokondriekompleks I-V. For at virke optimalt dannes superkomplekser af to enheder af kompleks III og en enhed af kompleks IV, de kaldes III2+IV. Kompleks IV kaldes også for cytochrome c oxidase. Komplekset har to under-enheder kaldet mitocondrially encoded cytochrome oxidase 1 og 2 (MTCO1 og MTCO2 (COX1 og COX2) ). Mitokondriers forbrug af ilt og hermed deres evne til at danne energi kan måles med et SeaHorse apparat. Resultatet angives som oxygen consumption rate (OCR).

Protein kinaser er enzymer, der kan sætte en fosfat-gruppe på et protein. Dette kaldes fosforylering, og er en metode celler anvender til at aktivere eller inaktivere proteinet. F. eks kan kinase p38 (MAPK14) fosforylere proteinet p53 (TP53) et sted på proteinet kaldet Ser46. Herved aktiveres p53.

Protein fosfataser er enzymer, der kan fjerne en fosfatgruppe fra et protein.  Et eksempel på en fosfatase er Protein fosfatase 1 (PP1).

Endoplasmatisk Retikulum (ER) er et organel i cellen, der bl.a. sørger for foldning og kvalitetskontrol af de proteiner, som cellen producerer. ER stress kan opstå af flere årsager, f.eks. viral infektion. Ved ER stress lukkes ned for protein translation. Vigtige ER proteiner: 

PERK (EIF2AK3) - en kinase, der fungerer som stress-sensor. Ved ER stress sætter PERK en fosfat-gruppe på proteinet eIF2alfa (EIF2S1), hvorved proteinet inaktiveres og translation standser. 

GRP78 (BIP, HSPA5) er involveret i foldning og samling af proteiner i ER og er et nøgleprotein i regulering af ER homøostasen. Mitokondrie-proteinet ATAD3A stabiliserer GRP78 og reducerer ER stress.

Dvs ved et normalt ER stress respons er niveauet af både PERK og GRP78 forhøjede.

Afsnittene i artiklen:

Nedsat mitokondrie funktion i en patient med kronisk træthed

Forskerne undersøgte en 38-årig kvinde med kronisk træthed og motionsintolerance. Kvinden var fra en familie med en kræft-forårsagende mutation i genet TP53. Kvindens motionsintolerance startede efter, at hun havde mononukleose som 16-årig. Mononukleose er kendt for at udløse ME, men kvinden havde ikke fået diagnosen. Hendes far og bror havde også TP53 mutationen, men de havde ikke kronisk træthed. Kvindens bror var rask. Kvinden (benævnt S1) og broren (benævnt S2) blev undersøgt i relation til kræftgenet. Broren fungerede som rask kontrolperson. Der blev udtaget fibroblast celler fra huden på dem begge til nærmere undersøgelse. Forskerne fandt, at kvinden (S1) i forhold til broren (S2) havde:

• lavere OCR, dvs lavere iltforbrug
• formindsket niveau af proteinerne MTCO1 og MTCO2
• øget fosforylering af proteinet p53 ved Ser46
• øget aktivering af kinasen p38 (MAPK14)
• normal aktivering af kinaserne MKK3 og JNK
• øget niveau af WASF3

Øget fosforylering af p53 betyder, at der var et celle stress respons. Det stemte overens med det øgede aktivitet af p38. Men hvad aktiverede p38? Normalt ville MKK3 og JNK være aktiverede, men noget andet påvirkede den biokemiske stivej. Og det var WASF3, som også kan aktivere p38 MAPK signalerings stivejen. 

WASF3 er i et studie fra 2011 udpeget, som det gen, der er mest associeret med ME (2). Manglende iltforbrug og mitokondrie dysfunktion er allerede påvist hos ME patienter. 

Niveauet af MTCO1 var formindsket med ca. 34%, og niveauet af WASF3 var øget med ca.  40%. Var der en sammenhæng mellem mitokondrie dysfunktion og WASF3? Og kunne det have relation til ME?

WASF3 undertrykker mitokondriel respiration

For at undersøge sammenhængen mellem niveauet af WASF3 og mitokondriernes funktion manipulerede forskerne celler fra kvinden S1. Cellernes niveau af WASF3 blev reduceret (=knock down), og cellernes funktion blev igen undersøgt i forhold til normale celler fra den raske bror S2. Kvindens celler uden WASF3 viste nu: 

• forbedret mitokondriel funktion
• øget niveau af under-enheder til mitokondrie kompleks IV
• nedsat fosforylering af p53 og p38, men ikke JNK

Der blev foretaget en del yderligere kontrolforsøg med andre cellekulturer for at sikre, at reduktionen af WASF3 virkelig kunne forbedre mitokondriernes funktion. Og det blev eftervist, at kvindens mutation i TP53 genet ikke havde noget at gøre med den defekte regulering af WASF3.

Overekspression af WASF3 formindsker motionskapaciteten og mitokondriernes metabolisme hos mus

Forskerne frembragte mus med øget ekspression af WASF3. Musene havde:

• øget niveau af WASF3 i muskler
• formindsket niveau af under-enheder i  mitokondrie kompleks IV
• ikke øget WASF3 i hjerte, hjerne eller lever, men der var en mindre reduktion af kompleks IV under-enheder
• reprogrammering af metabolismen mod glykolyse (= glucose forbrænding)
• højere niveau af laktat i blodet
• lavere niveau af glykogen i muskler
• ca 50% reduktion af den maximale motionskapacitet
• normal gribestyrke
• normal levetid

Tidligere forskning har vist, at ME patienter har forhøjet niveau af laktat i blodet under hvile, og dette korrelerer med deres postexertional malaise (PEM). 

WASF3 er lokaliseret til mitokondrierne og regulerer samlingen af respiratoriske superkomplekser

Forsøg med muse myoblast celle kultur (C2C12) med øget niveau af WASF3 viste:

• WASF3 findes både i cellens cytoplasma og i association til mitokondrierne
• WASF3 er fosforyleret, når det er i kontakt med mitokondrier
• når WASF3 er lokaliseret til mitokondrierne, ødelægges dannelsen af mitkondrie superkomplekser III2+IV

Forsøg både med C2C12 med øget WASF3 og med muskelceller fra mus med øget WASF3 viste:

• ca. 50% reduktion af III2+IV aktivitet, mens kompleks I aktivitet var lidt højere

Forhøjet ekspression af WASF3 i ME patienters muskler er associeret med ER stress

Idet S1's symptomer var identiske med ME patienters, undersøgte forskerne muskel biopsier fra ME patienter og sammenlignede med biopsier fra raske kontrolpersoner. Her fandt man, at ME patienter havde: 

• øget niveau af WASF3
• formindsket niveau af mitokondrie kompleks IV under-enheder
• øget niveau af ER stress sensoren PERK (EIF2AK3)
• lavere niveau af GRP78 (BIP, HSPA5)
• niveauet af kompleks IV under-enheder korrelerede omvendt både med niveauet af WASF3 og PERK

Dette resultat tyder på, at den biokemiske ER stress stivej er forrringet. Fænomenet "ER Stress Response Failure" menes at resultere i metaboliske forstyrrelser.

For yderligere at teste sammenhængen mellem ER stress og WASF3, blev en menneske celle kultur (myoblasts) behandlet med kemikalier, således ER stress blev induceret. Herefter kunne måles:

• øget niveau af WASF3
• nedsat niveau af kompleks IV under-enhed MTCO1
• øget niveau af PERK (EIF2AK3)
• øget niveau af BIP (GRP78, HSPA5)

Så blev mus udsat for lipopolysakkararid (LPS), som er et endotoxin, der er kendt for at inducere ER stress. Herefter blev der udtaget muskelprøver fra musene. De viste:

• øget niveau af WASF3
• øget niveau af PERK (EIF2AK3)
• øget niveau af BIP (GRP78, HSPA5))
• formindsket niveau af kompleks IV under-enhed MTCO1

Det betyder, at den træthed, der følge efter LPS kan relateres til WASF3. 

Farmakologisk inhibering af ER stress mindsker WASF3 og hjælper dannelsen af superkomplekser og respiration

ER stress vil normalt medføre nedlukning af protein translation. PERK kinase aktivitet vil medføre en fosforylering af protein translations faktor eIF2alfa (EIF2S1), som inaktiverer translations faktoren. Dette var ikke tilfældet med kvinden S1. Kvindens eIF2alfa var meget mindre fosforyleret end hendes brors, og hermed stadig aktivt. Det betyder, at der var ER Stress Response Failure hos kvinden, ligesom der også var det i ME patienternes muskel biopsier.

Der findes forskellige kemiske stoffer, som kan inhibere ER stress. To af disse inhibitorer, tauroursodeoxycholic acid og salubrinal, blev afprøvet på fibroblast celler fra kvinden S1. Salubrinal havde en effekt, idet niveauet af både PERK og WASF3 blev reduceret.

Salubrinal inhibere enzymet protein fosfatase 1 (PP1), og dette medfører, at fosfat-gruppen ikke fjernes fra proteinet eIF2alfa. Hermed bliver der lukket ned for protein translation, som en normal del af ER stress responset. Salubrinal behandlingen fik genskabt mitokondrie komplekserne og respirationen blev forbedret.

Diskussion

Under dette afsnit skriver forskerne bl.a.:

I dette studie har vi vist, at WASF3 induceret af ER stress ødelægger dannelsen af respiratoriske superkomplekser og reducerer mitokondriernes forbrug af ilt. Dette giver en molekylær forklaring på energimangel symptomer ved motionsintolerance og postexertional malaise (PEM) i en patient med kronisk træthed.

I overensstemmelse med dette blev der fundet forhøjet ER stress og WASF3 niveau i association med reduceret niveau af mitokondrie kompleks IV under-enheder i muskelbiopsier fra ME patienter. Vigtigt er det, at farmakologisk inhibering af ER stress i celler fra den 38-årige patient nedbragte niveauet af WASF3 og forbedrede superkompleks dannelsen og respiration, hvilket giver udsigt til terapeutiske muligheder for at lindre træthedssymptomer hos patienter med ME.

Ydermere skriver forskerne i dette afsnit, at forekomst af WASF3 bør overvejes i andre relaterede træthedstilstande, som f.eks. long COVID.

Referencer

1) Wang PY, Ma J, Kim YC, Son AY, Syed AM, Liu C, Mori MP, Huffstutler RD, Stolinski JL, Talagala SL, Kang JG, Walitt BT, Nath A, Hwang PM. WASF3 disrupts mitochondrial respiration and may mediate exercise intolerance in myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Aug 22;120(34):e2302738120. doi: 10.1073/pnas.2302738120. Epub 2023 Aug 14. PMID: 37579159. 

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302738120

2) Pihur V, Datta S, Datta S. Meta analysis of Chronic Fatigue Syndrome through integration of clinical, gene expression, SNP and proteomic data. Bioinformation. 2011 Apr 22;6(3):120-4. doi: 10.6026/97320630006120. PMID: 21584188; PMCID: PMC3089886.

https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/21584188/