Pemblokir CDK5 Memiliki Efek Luar Biasa pada Alzheimer

Ahli saraf MIT telah menemukan cara untuk membalikkan degenerasi saraf dan gejala penyakit Alzheimer lainnya dengan mengganggu enzim yang biasanya terlalu aktif di otak pasien Alzheimer.

Ketika para peneliti merawat tikus dengan peptida yang memblokir versi hiperaktif dari enzim yang disebut CDK5, mereka menemukan pengurangan dramatis dalam degenerasi saraf dan kerusakan DNA di otak. Tikus-tikus ini juga menunjukkan peningkatan dalam kemampuan mereka untuk melakukan tugas-tugas seperti belajar menavigasi labirin air.

“Kami menemukan bahwa efek peptida ini luar biasa,” kata Li-Huei Tsai, direktur Institut Pembelajaran dan Memori Picower MIT dan penulis senior studi tersebut. “Kami melihat efek luar biasa dalam hal mengurangi degenerasi saraf dan respons peradangan saraf, dan bahkan menyelamatkan defisit perilaku.”

Dengan pengujian lebih lanjut, para peneliti berharap bahwa peptida pada akhirnya dapat digunakan sebagai pengobatan untuk pasien penyakit Alzheimer dan bentuk lain dari demensia yang memiliki overaktivasi CDK5. Peptida tidak mengganggu CDK1, enzim esensial yang secara struktural mirip dengan CDK5, dan ukurannya serupa dengan obat peptida lain yang digunakan dalam aplikasi klinis.

Ilmuwan Riset Picower Institute Ping-Chieh Pao adalah penulis utama makalah ini, yang muncul minggu ini di Prosiding National Academy of Sciences.

Menargetkan CDK5

Tsai telah mempelajari peran CDK5 dalam penyakit Alzheimer dan penyakit neurodegeneratif lainnya sejak awal kariernya. Sebagai pascadoktoral, dia mengidentifikasi dan mengkloning gen CDK5, yang mengkode sejenis enzim yang dikenal sebagai kinase yang bergantung pada siklin. Sebagian besar kinase yang bergantung pada siklin terlibat dalam mengendalikan pembelahan sel, tetapi CDK5 tidak. Sebaliknya, itu memainkan peran penting dalam pengembangan sistem saraf pusat, dan juga membantu mengatur fungsi sinaptik.

CDK5 diaktifkan oleh protein yang lebih kecil yang berinteraksi dengannya, yang dikenal sebagai P35. Ketika P35 berikatan dengan CDK5, struktur enzim berubah, memungkinkannya untuk memfosforilasi – menambahkan molekul fosfat ke – targetnya. Namun, pada penyakit Alzheimer dan penyakit neurodegeneratif lainnya, P35 dibelah menjadi protein yang lebih kecil yang disebut P25, yang juga dapat berikatan dengan CDK5 tetapi memiliki waktu paruh lebih lama daripada P35.

Saat terikat ke P25, CDK5 menjadi lebih aktif di dalam sel. P25 juga memungkinkan CDK5 untuk memfosforilasi molekul selain target biasanya, termasuk protein Tau. Protein Tau hiperfosforilasi membentuk kekusutan neurofibrillary yang merupakan salah satu ciri khas penyakit Alzheimer.

Dalam pekerjaan sebelumnya, lab Tsai telah menunjukkan bahwa tikus transgenik yang direkayasa untuk mengekspresikan P25 mengembangkan degenerasi saraf yang parah. Pada manusia, P25 telah dikaitkan dengan beberapa penyakit, termasuk tidak hanya penyakit Alzheimer tetapi juga penyakit Parkinson dan demensia frontotemporal.

Perusahaan farmasi telah mencoba menargetkan P25 dengan obat molekul kecil, tetapi obat ini cenderung menimbulkan efek samping karena juga mengganggu kinase yang bergantung pada siklin lainnya, sehingga tidak ada yang diuji pada pasien.

Tim MIT memutuskan untuk mengambil pendekatan berbeda untuk menargetkan P25, dengan menggunakan peptida, bukan molekul kecil. Mereka mendesain peptida mereka dengan urutan yang identik dengan segmen CDK5 yang dikenal sebagai loop T, yang merupakan struktur penting untuk pengikatan CDK5 ke P25. Seluruh peptida hanya terdiri dari 12 asam amino – sedikit lebih panjang dari kebanyakan obat peptida yang ada, yang panjangnya lima sampai 10 asam amino.

“Dari sudut pandang obat peptida, biasanya lebih kecil lebih baik,” kata Tsai. “Peptida kami hampir berada dalam ukuran molekul ideal itu.”

Efek dramatis

Dalam tes pada neuron yang tumbuh di piring laboratorium, para peneliti menemukan bahwa pengobatan dengan peptida menyebabkan penurunan aktivitas CDK5 yang moderat. Tes tersebut juga menunjukkan bahwa peptida tidak menghambat kompleks CDK5-P35 normal, juga tidak mempengaruhi kinase yang bergantung pada siklin lainnya.

Ketika para peneliti menguji peptida pada model tikus penyakit Alzheimer yang memiliki CDK5 hiperaktif, mereka melihat segudang efek menguntungkan, termasuk pengurangan kerusakan DNA, peradangan saraf, dan hilangnya neuron. Efek ini jauh lebih jelas pada studi tikus daripada tes pada sel kultur.

Perawatan peptida juga menghasilkan perbaikan dramatis pada model tikus yang berbeda dari Alzheimer, yang memiliki bentuk mutan dari protein Tau yang menyebabkan kekusutan neurofibrillary. Setelah perawatan, tikus-tikus itu menunjukkan penurunan patologi Tau dan kehilangan neuron. Seiring dengan efek di otak, para peneliti juga mengamati peningkatan perilaku. Tikus yang diberi peptida bekerja jauh lebih baik dalam tugas yang membutuhkan pembelajaran untuk menavigasi labirin air, yang bergantung pada memori spasial, daripada tikus yang diberi peptida kontrol (versi peptida acak yang digunakan untuk menghambat CDK5-P25).

Dalam studi tikus tersebut, para peneliti menyuntikkan peptida dan menemukan bahwa itu mampu melintasi penghalang darah-otak dan mencapai neuron hippocampus dan bagian otak lainnya.

Para peneliti juga menganalisis perubahan ekspresi gen yang terjadi pada neuron tikus setelah pengobatan dengan peptida. Di antara perubahan yang mereka amati adalah peningkatan ekspresi sekitar 20 gen yang biasanya diaktifkan oleh keluarga pengatur gen yang disebut MEF2. Laboratorium Tsai sebelumnya telah menunjukkan bahwa aktivasi MEF2 dari gen-gen ini dapat memberikan ketahanan terhadap kerusakan kognitif pada otak orang dengan Tau kusut, dan dia berhipotesis bahwa pengobatan peptida mungkin memiliki efek yang serupa.

“Pengembangan lebih lanjut dari penghambat peptida tersebut menuju kandidat terapi utama, jika terbukti selektif untuk target dan relatif bebas dari efek samping klinis, pada akhirnya dapat mengarah pada pengobatan baru untuk gangguan neurodegeneratif mulai dari penyakit Alzheimer hingga demensia Frontotemporal hingga penyakit Parkinson,” kata Stuart Lipton, seorang profesor ilmu saraf di Scripps Research, yang tidak terlibat dalam penelitian ini.

Tsai sekarang berencana untuk melakukan penelitian lebih lanjut pada model penyakit tikus lain yang melibatkan degenerasi saraf terkait P25, seperti demensia frontotemporal, demensia yang diinduksi HIV, dan gangguan kognitif terkait diabetes.

“Sangat sulit untuk mengatakan dengan tepat penyakit mana yang paling menguntungkan, jadi saya pikir lebih banyak pekerjaan yang dibutuhkan,” katanya.

---

INFO LEBIH LANJUT:

Penelitian ini didanai oleh National Institutes of Health.

SUMBER:

Institut Teknologi Massachusetts (MIT)

REFERENSI:

Ping-Chieh Pao, Jinsoo Seo, Audrey Lee, +14, and Li-Huei Tsai . Peptida turunan Cdk5 menghambat aktivitas Cdk5/p25 dan meningkatkan fenotipe neurodegeneratif. Diedit oleh Hollis Cline, Institut Penelitian Scripps, Departemen Ilmu Saraf, La Jolla, CA; diterima 20 Oktober 2022; diterima 7 Maret 2023. Prosiding National Academy of Sciences (PNAS) 120 (16) e2217864120. https://doi.org/10.1073/pnas.2217864120