Một số rối loạn não diễn ra khá rõ ràng, chẳng hạn như tổn thương trực tiếp thùy trán do chấn động hoặc chấn thương sọ não. Những rối loạn khác, như bệnh Alexander, lại giống như cơ chế hoạt động lẩn tránh. Người mắc chứng rối loạn di truyền này bị suy giảm chức năng của tế bào hình sao; những tế bào hỗ trợ nơ-ron theo nhiều cách khác nhau. Não bộ và các nơ-ron cuối cùng cũng suy thoái cùng với hệ thống tế bào hình sao hỗ trợ.

Bệnh Alexander xuất phát từ các đột biến ở gen mã hóa protein sợi thần kinh đệm (GFAP). Protein dạng sợi này là một loại sợi trung gian (intermediate filament), vốn là thành phần cấu trúc giúp định hình tế bào và các bộ phận bên trong.

Tiến sĩ Su-Chun Zhang cho biết: “Kể từ khi tìm hiểu về căn bệnh này, tôi luôn tự hỏi hai câu hỏi cơ bản. GFAP làm gì trong tế bào hình sao? Và tại sao đột biến GFAP lại gây ra bệnh Alexander?”.

Nghiên cứu được công trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, cho thấy vai trò của GFAP trong việc duy trì ty thể đóng vai trò như bộ máy tạo năng lượng của tế bào. Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện cách các đột biến GFAP gây rối loạn sự phối hợp nhịp nhàng giữa quá trình ty thể tách (fission) và nhập (fusion) lại,  vốn cần thiết để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào.

Ty thể di chuyển một cách phối hợp và linh hoạt, liên tục kết hợp với nhau trong quá trình nhập và tách. Việc di chuyển phức tạp này cho phép tế bào tăng hoặc giảm sản xuất năng lượng khi cần thiết. Nghiên cứu trước đó từng gợi ý rằng GFAP có liên quan đến chức năng ty thể, nhưng cơ chế kết nối vẫn chưa rõ ràng. Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học bắt đầu bằng việc xác định vị trí của GFAP trong tế bào và so sánh với vị trí của ty thể.

Nhóm nghiên cứu sau đó dùng chỉnh sửa gen để vô hiệu hóa GFAP trong một nhóm tế bào hình sao và so sánh với nhóm bình thường. Họ ghi nhận sự giảm mạnh số lượng ty thể ở các tế bào thiếu GFAP.

Bác sĩ Zhang nói rằng: “Khi quan sát mối quan hệ không gian giữa ty thể và GFAP trong tế bào hình sao, điều này thật đáng chú ý. Các sợi GFAP bao quanh gần như mọi ty thể. Không có GFAP, ty thể nhập lại thành một chuỗi rất dài. Gần như chỉ còn một ty thể duy nhất trong tế bào. Điều này xác nhận giả thuyết của chúng tôi, và bước tiếp theo là tìm hiểu cách nó hoạt động”. 

Nhóm thực hiện thí nghiệm chứng minh rằng GFAP thúc đẩy quá trình fission (tách ty thể), chứ không phải cản trở nhập (fusion). Họ cho thấy GFAP có thể hỗ trợ quá trình tách bằng cách neo giữ protein Drp1 (dynamin-related protein 1), một thành phần thiết yếu của cơ chế phân chia ty thể. Và phát hiện thấy sợi GFAP khởi động quá trình phân chia bằng cách quấn quanh ty thể và tạo lực siết. Các sợi này sau đó đóng vai trò như một giàn giáo để Drp1 gắn vào. Drp1 tạo thành một vòng xoắn siết chặt dần, cắt ty thể thành hai phần. 

Tiến sĩ Su-Chun Zhang cho biết: “Chúng tôi phát hiện rằng tại mọi điểm sợi GFAP tiếp xúc với ty thể, Drp1 cũng xuất hiện đúng tại vị trí đó. Và sau đó chúng tôi quan sát thấy ty thể bắt đầu tách đôi”. Và chứng minh GFAP không chỉ là một dấu ấn sinh học của tế bào hình sao; nó thực sự có chức năng cụ thể. GFAP không chỉ là một protein khung giữ các bào quan lại với nhau, mà còn là một tác nhân chủ động trong quá trình phân chia ty thể.

Sau đó, nhóm nghiên cứu liên hệ phát hiện này với bệnh Alexander bằng việc chứng minh rằng các đột biến GFAP gây bệnh khiến tế bào tạo ra quá nhiều sợi GFAP, dẫn đến quá mức quá trình phân chia ty thể trong tế bào hình sao. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu cơ chế bệnh sinh của bệnh Alexander cũng như phát triển các liệu pháp điều trị.