Гиперэкспрессия белков теплового шока HSP70 у мышей с мутантным белком FUS сопровождается меньшими нейродегенеративными изменениями в структурах лимбической системы

Цель. Изучить морфологические изменения в структурах лимбической системы у мышей с гиперэкспрессией белков теплового шока молекулярной массой 70 кДа (70 kDa heat shock proteins, HSP70) и экспрессией мутантного белка fused-in-sarcoma («слитый при саркоме»; FUS) с развитием бокового амиотрофического склероза.

Материалы и методы. Объектом исследования служили мыши (n = 36) линии C57Bl/6 (wild-type) и трансгенных линий, разделенные на 6 групп по 6 мышей в каждой. Три группы были FUS-отрицательные: контрольная, с вне и внутриклеточной гиперэкспрессией белка 1А семейства HSP70: HSP70out и HSP70in; три группы – FUS-положительные: FUS[1-359], FUS[1-359]/HSP70out и FUS[1-359]/HSP70in. У всех FUS положительных мышей развивалась мышечная слабость вплоть до паралича. На 20-й неделе жизни мышей выводили из эксперимента, гистологические препараты головного мозга окрашивали гематоксилином и эозином, толуидиновым синим по Нисслю или иммунофлуоресцентными антителами к нейрональному ядерному маркеру (NeuN) для препаратов каудопутамена, септальных ядер и гиппокампа, а также к глиальному фибриллярному кислому белку (GFAP), белку S100β и синаптофизину для препаратов гиппокампа; подсчитывали количество клеток. Сравнение средних значений между группами проводили при помощи однофакторного дисперсионного анализа и теста Тьюки.

Результаты. В группах с экспрессией FUS наблюдались статистически значимые различия по сравнению с FUS отрицательными группами: (1) снижение количества нейронов и NeuN⁺-клеток в каудопутамене и миндалевидном теле, наиболее выраженное изменение отмечено в группе FUS[1-359]/HSP70out; (2) увеличение количества гиперхромных нейронов в основании гиппокампа, зоне Аммонова рога (CA1) и зубчатой извилине, прирост был значимо больше в группах FUS[1-359] и FUS[1-359]/HSP70out по сравнению с FUS[1-359]/ HSP70in; (3) рост количества GFAP⁺и S100β⁺-клеток в гиппокампе, увеличение было значимо больше в группах FUS[1-359] и FUS[1-359]/HSP70out по сравнению с FUS[1-359]/HSP70in.

Заключение. Одновременная гиперэкспрессия белка 1А семейства HSP70 и экспрессия мутантного белка FUS в цитоплазме клеток сопровождается меньшей выраженностью нейродегенеративных изменений в структурах лимбической системы по сравнению с экспрессией только мутантного белка FUS.

1. Feldman E.L., Goutman S.A., Petri S., et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet. 2022 Oct 15; 400(10360): 1363–1380. https://doi.org/10.1016/S0140-6736(22)01272-7. Epub 2022 Sep 15. PMID: 36116464

2. Shoesmith C. Palliative care principles in ALS. Handb Clin Neurol. 2023; 191: 139–155. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-824535-4.00007-0. PMID: 36599506

3. Yun Y., Ha Y. CRISPR/Cas9-Mediated Gene Correction to Understand ALS. Int J Mol Sci. 2020 May 27; 21(11): 3801. https://doi.org/10.3390/ijms21113801. PMID: 32471232

4. Grad L.I., Rouleau G.A., Ravits J., et al. Clinical Spectrum of Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS). Cold Spring Harb Perspect Med. 2017 Aug 1; 7(8): a024117. https://doi.org/10.1101/cshperspect.a024117. PMID: 28003278

5. Kwiatkowski T.J. Jr, Bosco D.A., Leclerc A.L., et al. Mutations in the FUS/TLS gene on chromosome 16 cause familial amyotrophic lateral sclerosis. Science. 2009 Feb 27; 323(5918): 1205–1208. https://doi.org/10.1126/science.1166066. PMID: 19251627

6. Nolan M., Talbot K., Ansorge O. Pathogenesis of FUS-associated ALS and FTD: insights from rodent models. Acta Neuropathol Commun. 2016 Sep 6; 4(1): 99. https://doi.org/10.1186/s40478-016-0358-8. PMID: 27600654

7. Venediktov A.A., Bushueva O.Y., Kudryavtseva V.A., et al. Closest horizons of Hsp70 engagement to manage neurodegeneration. Front Mol Neurosci. 2023 Sep 19; 16: 1230436. https://doi.org/10.3389/fnmol.2023.1230436. PMID: 37795273

8. Li Y., Gu J., Wang C., et al. Hsp70 exhibits a liquid-liquid phase separation ability and chaperones condensed FUS against amyloid aggregation. iScience. 2022 May 5; 25(6): 104356. https://doi.org/10.1016/j.isci.2022.104356. PMID: 35620440

9. Пьявченко Г.А., Венедиктов А.А., Кузьмин Е.А. и др. Морфофункциональные изменения у мышей после однократного введения высоких и низких доз Hsp70. Сеченовский вестник. 2023; 14(4): 31–41. https://doi.org/10.47093/22187332.2023.918.13. EDN: WALXAM

10. Bede P., Iyer P.M., Schuster C., et al. The selective anatomical vulnerability of ALS: ‘disease-defining’ and ‘disease-defying’ brain regions. Amyotroph Lateral Scler Frontotemporal Degener. 2016 Oct-Nov; 17(7–8): 561–570. https://doi.org/10.3109/21678421.2016.1173702. PMID: 27087114

11. Shelkovnikova T.A., Peters O.M., Deykin A.V., et al. Fused in sarcoma (FUS) protein lacking nuclear localization signal (NLS) and major RNA binding motifs triggers proteinopathy and severe motor phenotype in transgenic mice. J Biol Chem. 2013 Aug 30; 288(35): 25266–25274. https://doi.org/10.1074/jbc.M113.492017. Epub 2013 Jul 18. PMID: 23867462

12. Paxinos G., Franklin K.B.J. The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. 5th Edition. Academic Press. 2019. 376 p. eBook ISBN: 9780128161586

13. Bankhead P., Loughrey M.B., Fernández J.A, et al. QuPath: Opensource software for digital pathology image analysis. Sci Rep. 2017 Dec 4; 7(1): 16878. https://doi.org/10.1038/s41598-017-17204-5. PMID: 29203879

14. Gurskiy Y.G., Garbuz D.G., Soshnikova N.V., et al. The development of modified human Hsp70 (HSPA1A) and its production in the milk of transgenic mice. Cell Stress Chaperones. 2016 Nov; 21(6): 1055–1064. https://doi.org/10.1007/s12192-016-0729-x. PMID: 27511022

15. Mochizuki Y., Isozaki E., Takao M., et al. Familial ALS with FUS P525L mutation: two Japanese sisters with multiple systems involvement. J Neurol Sci. 2012 Dec 15; 323(1–2): 85–92. https://doi.org/10.1016/j.jns.2012.08.016. PMID: 22980027

16. Vorobyov V., Deev A., Sengpiel F., et al. Cortical and Striatal Electroencephalograms and Apomorphine Effects in the FUS Mouse Model of Amyotrophic Lateral Sclerosis. J Alzheimers Dis. 2021; 81(4): 1429–1443. https://doi.org/10.3233/JAD-201472. PMID: 33935079

17. Koga S., Murakami A., Soto-Beasley A.I., et al. Publisher Correction to: Diffuse argyrophilic grain disease with TDP43 proteinopathy and neuronal intermediate filament inclusion disease: FTLD with mixed tau, TDP-43 and FUS pathologies. Acta Neuropathol Commun. 2023 Jul 12;11(1):117. https://doi.org/10.1186/s40478-023-01621-x. Erratum for: Acta Neuropathol Commun. 2023 Jul 6; 11(1): 109. https://doi.org/10.1186/s40478-023-01611-z. PMID: 37438786

18. Murakami A., Nakamura M, Nakamura Y., et al. An autopsy case report of neuronal intermediate filament inclusion disease presenting with predominantly upper motor neuron features. Neuropathology. 2021 Oct; 41(5): 357–365. https://doi.org/10.1111/neup.12741. PMID: 34309938

19. Plekhova N.G., Radkov I.V., Zinoviev S.V., et al. Effect of Mild Traumatic Brain Injury on Behavioral Reactions and Neocortical Morphology in Rats. Bull Exp Biol Med. 2021 Mar;170(5):672– 676. https://doi.org/10.1007/s10517-021-05130-6. Epub 2021 Mar 31. PMID: 33788107

20. Kino Y., Washizu C., Kurosawa M., et al. FUS/TLS deficiency causes behavioral and pathological abnormalities distinct from amyotrophic lateral sclerosis. Acta Neuropathol Commun. 2015 Apr 25; 3: 24. https://doi.org/10.1186/s40478-015-0202-6. PMID: 25907258

21. Tzeplaeff L., Seguin J., Le Gras S., et al. Mutant FUS induces chromatin reorganization in the hippocampus and alters memory processes. Prog Neurobiol. 2023 Aug; 227: 102483. https://doi.org/10.1016/j.pneurobio.2023.102483. Epub 2023 Jun 15. PMID: 37327984

22. Ho W.Y., Agrawal I., Tyan S.H., et al. Dysfunction in nonsense-mediated decay, protein homeostasis, mitochondrial function, and brain connectivity in ALS-FUS mice with cognitive deficits. Acta Neuropathol Commun. 2021 Jan 6; 9(1): 9. https://doi.org/10.1186/s40478-020-01111-4. PMID: 33407930

23. Sun M., Yamashita T., Shang J., et al. Acceleration of TDP43 and FUS/TLS protein expressions in the preconditioned hippocampus following repeated transient ischemia. J Neurosci Res. 2014 Jan; 92(1): 54–63. https://doi.org/10.1002/jnr.23301. Epub 2013 Oct 28. PMID: 24265138

24. King A., Troakes C., Smith B., et al. ALS-FUS pathology revisited: singleton FUS mutations and an unusual case with both a FUS and TARDBP mutation. Acta Neuropathol Commun. 2015 Oct 9; 3: 62. https://doi.org/10.1186/s40478-015-0235-x. PMID: 26452761

25. Piavchenko G.A., Pokidova K.S., Kuzmin E.A., et al. Quantitative Immunofluorescence Mapping of HSP70’s Neuroprotective Effects in FUS-ALS Mouse Models. Appl. Sci. 2024; 14(24): 11614. https://doi.org/10.3390/app142411614