Abb. 1: Ubiquitinierte Inklusionen (UBI) als neuropathologisches Merkmal der ALS: UBI stellen sich im Zytoplasma, dem Zellkern oder in den dendritischen Fortsätzen dar.
Interessanterweise sind UBI ebenfalls ein neuropathologisches Merkmal der fronto-temporalen lobulären Degeneration (einer seltenen Demenz) mit Ubiquitininklusionen (FTLD-U), die teilweise mit einer Motoneuronendegeneration (MND) einhergehen kann. Seit Jahrzehnten war bekannt, dass eine klinische Überlappung zwischen FTLD-U und ALS besteht (Abb. 2).
Abb 2: Überlappung der ALS und Frontotemporalen lobären Degeneration (FTLD). Ubiquitinierte Inklusionen (UBI) sind ein übereinstimmendes morphologisches Merkmal einer Subgruppe der FTLD („FTLD-U“) und der ALS. Die SOD1-assoziierte ALS zeigt keine UBI. Die ALS kann in einer Untergruppe mit einer Demenz verknüpft sein. Für die SOD1-ALS wird diese Beziehung nicht beschrieben.
Neuropathologisch übereinstimmend ist das Vorliegen von UBI, die seit 2006 molekular charakterisiert sind. Der molekulare Hauptbestandteil der UBI ist TDP-43 (transactive response DNA-binding protein mit einem Molekulargewicht von 43 kDa). Damit sind Aggregationen von TDP-43 ein übereinstimmendes molekulares Merkmal zwischen der ALS und FTLD-U. Dieser Zusammenhang wird durch verschiedene Fallberichte unterstützt, in denen eine TDP-43-Mutation innerhalb einer Familie zu einer FTD geführt hat, während andere Betroffene der gleichen Familien eine ALS erlitten haben. In den Jahren 2008 bis 2010 wurden 38 unterschiedliche TDP-43-Mutationen in verschiedenen Familien mit ALS identifiziert. 4% der FALS sowie 1,5% der „sporadischen ALS“ lassen sich mit Mutationen im TDP-43-Gen assoziieren.
TDP-43 ist ein hochkonserviertes Protein, dessen physiologische Bedeutung in der Prozessierung von mRNA liegt und wahrscheinlich an der Interaktion von RNA, einzelsträngiger DNA und bestimmten Proteinen beteiligt ist. Es übernimmt offensichtlich regulatorische Aufgaben in der Transkription und im RNA-Splicing. Die pathologischen Aggregationen von TDP-43 bestehen aus hyperphosphorylierten und N-terminal verkürzten TDP-43-Proteinen. Sie liegen bei der sporadischen ALS und FALS gleichermaßen vor. Eine Ausnahme macht die SOD1-assoziierte FALS, bei der bisher keine UBI oder TDP-43-positive Inklusionen identifiziert wurden.
FUS
Im Jahr 2009 wurden erstmalig Mutationen im FUS-Gen bei der ALS beschrieben(FUS - Fused in Sarcoma). In den Jahren 2009 bis 2010 wurden mehr als 35 unterschiedliche FUS-Mutationen identifiziert, die für etwa 4% der FALS und weniger als 1% der „sporadischen“ ALS verantwortlich sind. FUS-Inklusionen finden sich in neuronalen und glialen Zellen, während die zytoplasmatische Anreicherung von FUS-Aggregationen weniger ausgeprägt ist als bei TDP-43. FUS ist physiologischerweise ein ubiquitär exprimiertes Protein, das ein multifunktionales DNA-RNA-Bindungsprotein darstellt und an der Zellproliferation, DNA-Reparatur, RNA-Prozessierung und Transkriptionsregulation beteiligt ist. FUS-Mutationen kommen bei der ALS, aber auch bei einem Teil der Patienten mit FTLD-U vor (Abb. 3). Die Mehrheit der FTLD-U zeigt eine kombinierte Akkumulation von TDP-43 und FUS. Dabei ist bemerkenswert, dass eine Interaktion zwischen TDP-43 und FUS durch eine gemeinsame Wechselwirkung mit dem Protein Optineurin besteht, das ebenfalls mit der FALS assoziiert ist.
Abb 3: Intraneuronale Inklusionen bei der ALS und Frontotemporalen lobären Degeneration (FTLD). FTLD ist zu etwa 50% neuropathologisch durch eine Akkumulation von TDP-43 charakterisiert (FTLD-U). Die weiteren 50% der FTLD-Patienten zeigen eine Assoziation mit dem Mikrotubuli-assoziierten Protein Tau (MAPT). Für die FTLD-T (assoziiert mit Tau) wurde bisher keine Überlappung mit der ALS berichtet. Akkumulationen des Proteins FUS (Fused in Sarcoma) kommen bei der ALS, aber bei einem Teil der Patienten mit FTLD-U vor. Die Mehrheit der FTLD-U zeigt eine kombinierte Anreicherung von TDP-43 und FUS.
Ataxin-2
Ataxin-2 wurde 1996 mit der spinocerebellären Ataxie Typ 2 (SCA-2) assoziiert. Im Jahr 2010 konnte überraschenderweise eine Verbindung zwischen dem Ataxie-2-Gen und der ALS hergestellt werden. Bei Patienten mit einer „sporadischen“ ALS ist eine genetische Variante des Ataxin-2-Gens überrepräsentiert. Innerhalb des Ataxin-2-Gens befindet sich eine hochrepetitive Polyglutamin-Sequenz, die bei 4,7% der ALS-Patienten eine Expansion aufweist, während in der Normalbevölkerung diese Veränderung bei lediglich 1,4% nachweisbar war. ALS-Patienten mit einer Ataxin-2-Expansion haben einen frühen Krankheitsbeginn (Abb. 4). Ataxin-2 weist eine interessante Verbindung zur TDP-43-Pathologie auf: zwischen Ataxin-2 und TDP-43 besteht eine direkte Protein-Interaktion, die von bestimmten RNA-Molekülen vermittelt wird. Dabei ist denkbar, dass die Polyglutamin-Expansion im Ataxin-2-Gen die Interaktion mit TDP-43 stört und zu einer pathologischen Akkumulation von Ataxin-2 führt. Bemerkenswert ist, dass auch Patienten mit einer SCA-2 (neben den Ablagerungen von Ataxin-2) Inklusionen von TDP-43 zeigen. Diese Assoziationen unterstützten die Hypothese, dass TDP-43 und Ataxin-2 komplementäre Faktoren der Neurodegeneration sind. Ataxin-2 ist ein RNA-Bindungsprotein und an der RNA-Translation beteiligt. Damit teilt Ataxin-2 ein gemeinsames molekulares Merkmal mit TDP-43 und FUS, die übereinstimmend DNA- und RNA-Bindungsproteine darstellen. Zu vermuten ist, dass Veränderungen an TDP-43, FUS und Ataxin-2 zu einer fehlerhaften RNA-Prozessierung führen, die einen neurodegenerativen Prozess einleiten.
SOD1
Im Jahr 1993 wurden erstmals Mutationen im SOD1-Gen nachgewiesen. Das SOD1-Gen ist für 15 bis 20 % der FALS–Patienten verantwortlich und als Krankheitsursache für 1-2 % aller ALS-Patienten anzusehen. Grundsätzlich sind Patienten mit einer SOD1-assozierten FALS von anderen FALS-Fällen ohne SOD1-Mutation oder von einer sporadischen ALS nicht zu unterscheiden. SOD1 ist ein evolutionär hochkonserviertes Protein, das in eukaryotischen Zellen ubiquitär exprimiert wird und an der Detoxifizierung von freien Sauerstoffradikalen beteiligt ist. Der Pathomechanismus der SOD1-Mutationen wird über einen negativ-dominanten Effekt realisiert. Zahlreiche SOD1-Mutationen bleiben ohne Wirkung auf die Enzymaktivität, so dass ein Funktionsverlust des SOD1-Proteins als Ursache der SOD1-assoziierten FALS nicht anzunehmen ist. SOD1-Mutationen führen zu einem toxischen Effekt, der in einer Degeneration motorischer Neurone resultiert. Weiterhin zeigen die Ergebnisse komplexer gentechnischer Mausmodelle, dass bei einer isolierten Expression von SOD1-Mutanten in motorischen Neuronen ein geringgradiger Phänotyp ausgebildet wird. Erst bei einer zusätzlichen Expression von mutierten SOD1-Proteinen in den astroglialen Zellen kommt es zur Ausbildung des kompletten Phänotyps. Diese Beobachtung zeigt, dass an der Pathogenese der SOD1-assoziierten ALS astrogliale Zellen wesentlich beteiligt sind.
Abb. 4: Verbindung zwischen ALS und spinocerebellärer Ataxie Typ 2 (SCA-2) durch Ataxin-2. ALS-Patienten mit einer hochrepetitiven Polyglutamin-Sequenz in Ataxin-2 haben einen frühen Krankheitsbeginn. Auch Patienten mit einer SCA-2 zeigen (neben den Ablagerungen von Ataxin-2) Inklusionen von TDP-43. Ataxin-2 und TDP-43 sind möglicherweise komplementäre Faktoren der Neurodegeneration.
Die Bildung von SOD1-positiven Inklusionen in motorischen Nervenzellen des Myelons ist ein frühes und prominentes Merkmal der SOD1-assoziierten FALS. Pathoanatomisch bestehen die intraneuronalen Inklusionen aus SOD1-haltigen Fibrillen, die wahrscheinlich durch eine Konversion der zuvor löslichen Form der SOD1 in amyloidartigen Aggregationen entstehen. Auch bei „sporadischen“ ALS-Patienten findet sich bei einem Teil der untersuchten Population eine Ablagerung von SOD1-positiven Inklusionen, die als intrazytoplasmatische Formationen bekannt sind (Lewy Body-Like Hyaline Inclusions). Die Bedeutung der SOD1-positiven Inklusionen bei der „sporadischen“ ALS ist bisher ungeklärt, jedoch ein möglicher Hinweis auf eine grundsätzliche Bedeutung des SOD1-Moleküls in der ALS-Pathogenese.