LRRK2 vid idiopatisk Parkinsons sjukdom

Datum: mars 2019
Förberedd av SIC-medlem: Lorraine V. Kalia, läkare, PhD
författare: J. Timothy Greenamyre, läkare, PhD; Andrew West, PhD; Connie Marras, läkare, PhD
Redaktör: Stella M. Papa, läkare

Cirka 10 % av fallen av Parkinsons sjukdom (PD) orsakas av mutationer i enstaka genen. Av dessa är den vanligaste orsaken till autosomalt dominant PD en mutation av Leucin-Rich Repeat Kinase 2 (LRRK2), vilket står för cirka 3 % av PD-fallen. Även om det allmänt anses att patogena mutationer i LRRK2 ger en toxisk funktionsökning – ökad LRRK2-kinasaktivitet – som är starkt involverad i patogenesen, är rollen för vildtyps-LRRK2 i idiopatisk PD (iPD), vilket står för 90 % av fallen, mindre tydlig. Med tanke på att LRRK2-hämmare är på väg in i kliniska prövningar bad vi experter inom området att diskutera LRRK2:s roll i iPD på fenotypisk nivå (Dr. Marras) och på molekylär nivå (Dr. West och Dr. Greenamyre).

Dr. Marras

Om man antar att kliniska särdrag vid Parkinsons sjukdom återspeglar den underliggande biologiska processen, kan fenotypiska likheter eller skillnader mellan iPD och LRRK2-associerad Parkinsons sjukdom ge insikt i det underliggande biologiska sambandet mellan de två grupperna. Oavsett skulle det vara användbart för både kliniker och kliniska forskare om kliniska ledtrådar till förekomsten av en LRRK2-mutation identifierades. Detta kommer snart att bli relevant för praktiken när LRRK2-specifika behandlingar kommer till kliniska prövningar.

I en systematisk granskning av rapporter som tillhandahåller klinisk information på individnivå om 724 individer med LRRK2-mutationer som rapporterats i litteraturen fann man en klinisk fenotyp som överensstämmer med iPD, med sen debut hos majoriteten, god respons på levodopa och gemensam utveckling av motoriska fluktuationer och dyskinesier (Trinh et al, 2018). De kliniska fenotyperna för LRRK2 PD och iPD har jämförts direkt i flera studier. I dessa studier har LRRK2 PD visat sig ha en fenotyp som till stor del överlappar den för iPD, men med vissa skillnader som kan detekteras på gruppnivå. Bärare av LRRK2 G2019S-mutationen har rapporterats ha lägre motoriska Unified Parkinson's disease Rating Scale-poäng än iPD (Marras et al, 2016; Ben Romdhan et al, 2018), lägre depressionspoäng (Marras et al, 2016) och bättre luktidentifiering (Marras et al, 2016) efter justering för sjukdomsvaraktighet, vilket tyder på en mer godartad fenotyp. Något överraskande, med tanke på dessa fynd, är dock att gruppen med LRRK2-mutationer hade en högre andel fenotyp av postural instability gait disorder (PIGD) än de med iPD (Marras et al, 2016). Detsamma fann man i en studie begränsad till individer med tidig debut av PD (Alcalay et al, 2009).

Generaliseringar relaterade till fenotypen av LRRK2-associerad PD kan vara alltför förenklade, eftersom de kliniska egenskaperna kan skilja sig åt beroende på mutation. En jämförelse av rapporterade R1441- och G2019S-mutationer tyder på att motoriska fluktuationer kan vara vanligare hos den senare men fortfarande vanliga hos båda (Trinh et al, 2018). Individer med G2385R-riskvarianterna har visat sig ha större motorisk svårighetsgrad än iPD- eller G2019S LRRK2-PD under en given sjukdomsvaraktighet. Resultat från flera studier tyder på att snabbare sjukdomsprogression, mätt med motoriska poäng eller uppkomsten av motoriska komplikationer, kan vara mer aggressiv när det gäller att manifestera bärare av riskvarianter som är vanliga i asiatiska populationer (Gao et al., 2013; Oosterveld et al., 2015). En nyligen genomförd metaanalys av asiatiska fall-kontrollstudier av G2385R-variantbärare jämfört med icke-bärare replikerade dock inte dessa observationer om motorisk svårighetsgrad och drog slutsatsen att fenotypen i stort sett överlappar med iPD (Di et al., 2018). Motstridiga resultat kan delvis relatera till populationsstratifiering, med regional variation i genetisk och miljömässig påverkan på fenotypen. Dessutom kan metodologiska begränsningar i studier, inklusive olika metoder för utvärdering av fall och kontroller, förklara variationen i resultat. I nuläget saknas bevis för viktiga fenotypiska skillnader mellan LRRK2-mutationer.

Det är av stort intresse att veta om icke-motoriska egenskaper relaterade till iPD kan förutsäga uppkomsten av motorisk parkinsonism hos individer som bär på LRRK2-mutationer. Om så är fallet kan det finnas en möjlighet att intervenera med PD-förebyggande strategier i denna högriskgrupp. Att identifiera sådana individer blir alltmer relevant i takt med att kliniska prövningar som inriktar sig på LRRK2-kinasaktivitet börjar. Lägre RBDSQ-poäng och bättre luktsinne hos individer med LRRK2-mutationer jämfört med iPD (Marras et al, 2016) väcker dock hypotesen att icke-motoriska egenskaper kan vara mindre prediktiva för framtida motoriska manifestationer vid LRRK2 G2019S PD än vid iPD. Vi saknar för närvarande longitudinella studier som undersöker sambandet mellan fenotypiska egenskaper hos icke-manifesterande bärare och framtida utveckling av PD.

Föregående diskussion behandlar endast sambandet mellan LRRK2-mutationer och en klinisk fenotyp av Parkinsons sjukdom. Dramatisk patologisk heterogenitet inom en enda familj som bär på LRRK2 R1441C-mutationer har tidigare rapporterats, allt från typisk Lewybody-patologi till tau-positiva neurofibrillära trassel till ospecifik nigral degeneration (Wszolek et al, 2004). Trots den patologiska heterogeniteten rapporterades den kliniska fenotypen vara typisk för iPD för det mesta, med en supranukleär blickpares hos endast en av de fyra patologiskt undersökta individerna. Flera grupper har screenat kohorter av patologiskt bevisad PSP och MSA (Sanchez-Contreras et al., 2017) eller kliniskt diagnostiserad atypisk parkinsonism (Tan et al., 2006) och funnit en mycket låg frekvens av LRRK2-varianter.

Sammantaget tyder litteraturen på att även om det kan finnas vissa skillnader i fenotyp på gruppnivå som kan detekteras när ett stort antal individer studeras, är det på individnivå inte möjligt att identifiera en distinkt fenotyp som tyder på en LRRK2-mutation. Att identifiera individer med LRRK2-mutationer kommer snart att bli viktigt, i takt med att kliniska prövningar som direkt riktar sig mot LRRK2-aktivitet initieras och LRRK2-mutationsbärare rekryteras. Internationella identifieringsinsatser börjar organiseras, med oselekterad genetisk testning av patienter med Parkinsons sjukdom som identifieringsstrategi. Denna oselekterade metod är logisk med tanke på den ospecifika och heterogena fenotypen av LRRK2 Parkinsons sjukdom.

Dr. West

LRRK2 är kopplat till iPD på flera sätt, där varje länk tyder på närvaron av en subpopulation av iPD där LRRK2 kan bidra mer betydande till sjukdomen än i andra (de flesta) fall av iPD.

För det första finns det minst sex kända patogena (stora effektmutationer) som saknar full livstidspenetrans för utveckling av Parkinsons sjukdom. På grund av bristen på fullständig penetrans av LRRK2-mutationer har många Parkinsonspatienter identifierats med patogena LRRK2-mutationer som inte har en familjehistoria av sjukdomen. I dessa "sporadiska" fall av sjukdom är LRRK2 otvetydigt en viktig bidragande faktor till sjukdomsmottaglighet. Vi vet dock inte om LRRK2 är viktigt för sjukdomsprogression hos LRRK2-mutationsbärare som redan har sjukdomen, en nyans som kan ha avgörande betydelse för framgången eller misslyckandet med LRRK2-riktade behandlingar.

För det andra kommer ett samband mellan iPD och LRRK2 från genetiska associationsstudier med vanliga genetiska varianter som inte är patogena i sig själva. PD är vanligtvis inte en ärftlig sjukdom och har mindre av en genetisk komponent än många andra neurologiska sjukdomar. Ändå delar LRRK2 en liten del av den gemensamma genetiska mottagligheten som ligger bakom iPD. Hos individer som bär PD-associerade varianter i LRRK2 kan betydelsen av LRRK2-dysfunktion vara högre i dessa iPD-fall än i andra iPD-fall.

För det tredje har biomarkörstudier i biovätskor, hjärnvävnad och immunceller belyst möjligheten att LRRK2 är överaktivt i en subpopulation av iPD. Förändringar i sjukdomen kan dock vara svåra att tolka; till exempel skyddande svar som senare omvandlas till skadliga svar, eller förändringar som är reaktionära och saknar konsekvens för sjukdomsprogression.

Med dessa förbehåll i åtanke tyder vart och ett av dessa samband mellan LRRK2 och iPD på förekomsten av en subpopulation av iPD där LRRK2 är viktigare vid sjukdom än i andra iPD-fall. Därför kommer LRRK2-riktade behandlingar bäst att tillämpas på grupper av iPD-fall med en eller flera direkta genetiska och/eller biokemiska kopplingar till sjukdom.

Dr. Greenamyre

Vildtyps-LRRK2:s roll i iPD har varit okänd, till stor del eftersom LRRK2 är ett protein med låg förekomst och dess aktivitet har varit omöjlig att analysera med cellulär upplösning. Vi utvecklade en ny närhetsanalys för LRRK2 med förmågan att bestämma aktivitet cell för cell (Di Maio et al, 2018). Vi rapporterade nyligen att i hjärnor från individer med iPD-vildtyp (icke-muterad) aktiverades LRRK2 onormalt i dopaminneuroner och detta korrelerade med fosforylering av dess substrat, Rab10. Dessutom reproducerades denna nigrostriatala neuron LRRK2-aktivering (ökad kinasaktivitet) i två gnagarmodeller: rotenonråttan och virusmedierad α-synuklein-överuttryck.

Vad har iPD, rotenonmodellen och α-synukleinöveruttryck gemensamt som kan orsaka LRRK2-aktivering? En möjlighet är att de alla är associerade med oxidativ stress. För att testa om oxidativa mekanismer är ansvariga behandlades cellerna med fysiologiska koncentrationer av H2O2 och analyserades för LRRK2-aktivering. Vi fann att H2O2 aktiverade LRRK2 och detta förhindrades genom samtidig behandling med antioxidanten α-tokoferol. Det verkar således som att oxidativ stress kan aktivera LRRK2-kinasaktivitet.

Vilka är konsekvenserna nedströms av avvikande LRRK2-aktivitet? LRRK2 har implicerats i endosomal, lysosomal och autofagisk funktion. I ett arbete som skickas in för publicering katalogiserade och karakteriserade vi först de endolysosomala och autofagiska defekterna i nigrostriatala dopaminneuroner från iPD-patienter. Därefter visade vi att var och en av dessa defekter reproducerades i rotenonråttmodellen. Slutligen fann vi att systemisk behandling av rotenonråttor med en hjärnpenetrerande LRRK2-kinashämmare förhindrade alla de avvikelser som hittades i iPD-hjärnorna.

Tillsammans indikerar dessa resultat att (i) LRRK2 aktiveras vid iPD genom oxidativa mekanismer; (ii) avvikande LRRK2-aktivitet leder till endolysosomala och autofagiska defekter och patologisk ackumulering av α-synuklein; och (iii) alla dessa avvikelser förhindras genom LRRK2-kinashämning.

Vår publikation om LRRK2-aktivering visade att behandling av råttor med bekämpningsmedlet rotenon aktiverar LRRK2 – och yrkesmässig exponering för rotenon är en riskfaktor för PD. Därför undrade vi om aktivering av LRRK2 är en vanlig mekanism för miljögifter kopplade till PD-risk. I en annan studie som förbereds för publicering fann vi att, liksom rotenon, aktiverar de PD-kopplade miljögifterna paraquat och trikloretylen (TCE) också LRRK2.

Sammanfattningsvis finns det starka bevis för att vildtyps-LRRK2 spelar en central roll i patogenesen av iPD. I detta sammanhang finns det anledning att vara optimistisk om att användningen av LRRK2-riktade läkemedel kan ha nytta långt utöver de 3 % av fallen som orsakas av LRRK2-mutationer.

Referensprojekt

Alcalay RN, Mejia-Santana H, Tang MX, et al. Motorisk fenotyp hos LRRK2 G2019S-bärare vid Parkinsons sjukdom med tidig debut. Arch Neurol 2009;66:1517-1522.

Ben Romdhan S, Farhat N, Nasri A, et al. LRRK2 G2019S Parkinsons sjukdom med mer benign fenotyp än idiopatisk. Acta Neurol Scand 2018;138:425-431.

Di W, Zeng Z, Li J, et al. Sambandet mellan LRRK2 G2385R och fenotypen av Parkinsons sjukdom i den asiatiska befolkningen: en metaanalys av jämförande studier. Parkinson's Disease 2018;2018:3418306.

Di Maio R, Hoffman EK, Rocha EM, et al LRRK2-aktivering vid idiopatisk Parkinsons sjukdom. Sci Transl Med. 2018;10:eaar5429.

Gao C, Pang H, Luo XG, et al. LRRK2 G2385R-variantbärare av kvinnlig Parkinsons sjukdom är mer mottagliga för motoriska fluktuationer. J Neurol 2013;260:2884-2889.

Marras C, Alcalay RN, Caspell-Garcia C, et al. Motorisk och icke-motorisk heterogenitet vid LRRK2-relaterad och idiopatisk Parkinsons sjukdom. Movement Disorders 2016;31:1192-1202.

Oosterveld LP, Allen JC, Jr., Ng EY, et al. Större motorisk progression hos patienter med Parkinsons sjukdom som bär på LRRK2-riskvarianter. Neurology 2015;85:1039-1042.

Sanchez-Contreras M, Heckman MG, Tacik P, et al. Studie av LRRK2-variation i tauopati: Progressiv supranukleär pares och kortikobasal degeneration. Movement Disorders 2017;32:115-123.

Tan EK, Skipper L, Chua E, et al. Analys av 14 LRRK2-mutationer vid Parkinsons plus syndrom och Parkinsons sjukdom med sen debut. Movement Disorders 2006;21:997-1001.

Trinh J, Zeldenrust FMJ, Huang J, et al. Genotyp-fenotyp-relationer för Parkinsons sjukdomsgenerna SNCA, LRRK2, VPS35: MDSGene systematisk granskning. Movement Disorders 2018;33:1857-1870.

Wszolek ZK, Pfeiffer RF, Tsuboi Y, et al. Autosomal dominant parkinsonism associerad med variabel synuklein- och tau-patologi. Neurology 2004;62:1619-1622.