Forscher identifizieren ein neues Gen, das an der seltenen lysosomalen Speicherstörung beteiligt ist
Bei einer seltenen Krankheit namens Mukolipidose Typ II schwellen Herz und Bauch an und die Knochen verformen sich.
Mukolipidose Typ II ist eine lysosomale Speicherstörung und verursacht Ödeme der inneren Organe und Skelettdysplasie. Kinder, bei denen die genetische Krankheit diagnostiziert wurde, sterben oft, bevor sie das siebte Lebensjahr erreichen. Jetzt haben Forscher der University of Michigan ein neues Gen identifiziert, das an der Krankheit beteiligt ist: TMEM251, das für die korrekte Funktion von Lysosomen notwendig ist.
Lysosomen sind Organellen in allen Zellen des Körpers – mit Ausnahme der roten Blutkörperchen –, die für die Aufnahme und Wiederverwertung des von Ihren Zellen produzierten Mülls verantwortlich sind. Wenn das Lysosom nicht richtig funktionieren kann, kann es diesen Müll nicht recyceln und lagert ihn stattdessen einfach in der Organelle ein.
Das Team unter der Leitung von Ming Li, Assistenzprofessor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie, entdeckte, dass TMEM251, wenn es defekt ist, nicht in der Lage ist, den Weg für die Enzyme zu kodieren, die für die korrekte Funktion von Lysosomen erforderlich sind, um sich innerhalb des Lysosoms zu bewegen. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
In den Lysosomen befinden sich etwa 50 bis 60 Enzyme, die abgenutzte Zellteile sowie Abfälle von außerhalb der Zelle verdauen. Das Lysosom recycelt auch diese Abfälle – Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide – wieder in verwertbares Material. Damit sich diese Enzyme jedoch innerhalb des Lysosoms bewegen können, benötigen sie ein Signal, das als Mannose-6-Phosphat-Biosyntheseweg oder M6P bezeichnet wird.
Es ist wie eine Briefmarke. Die Enzyme müssen dieses Signal haben, um in das Lysosom einzudringen. Wenn sie kein M6P haben, können sie nicht in das Lysosom gelangen. Folglich gibt es immer noch Lysosomen, aber kein einziges davon wäre funktionsfähig, weil ihnen diese Enzyme fehlen.“
Ming Li, Assistenzprofessor für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie
Lis Labor untersucht das Lysosom und insbesondere die Zusammensetzung der Membranproteine des Lysosoms. Das Lysosom hat die Fähigkeit, sein eigenes Membranprotein zu regulieren, indem es den Abbau dieser Proteine durch einen Prozess namens Ubiquitinierung auslöst. Dieser Prozess ermöglicht es Proteinen, von der Membran des Lysosoms in die Organelle zu wandern und dort abzubauen. Die Forscher wollten auch verstehen, welche Gene für die Lysosomenfunktion verantwortlich sind und was passiert, wenn diese Gene defekt sind.
Dazu nutzte das Team einen CRISPR-Knockout-Screen, der jedes Gen im menschlichen Genom auf zellulärer Ebene einzeln ausschaltete. Anschließend konnten die Forscher untersuchen, was im Lysosom als Reaktion auf die Löschung jedes Gens passiert. Konkret suchten die Forscher nach Genen, die für den Abbau des Lysosoms verantwortlich sein könnten.
Das Experiment ergab TMEM251.
„Dann stellte sich die Frage: Warum ist dieses Gen so wichtig für die menschliche Gesundheit? Und warum ist es so wichtig für die lysosomale Funktion?“ sagte Li.
Die Gruppe entdeckte, dass das TMEM251-Gen ein Enzym kodiert, das M6P aktiviert, einen Weg, den die meisten der 50 bis 60 Verdauungsenzyme in den Lysosomen benötigen. In einer Literaturrecherche fanden die Forscher auch eine Arbeit aus dem Jahr 2021, in der Mukolipidose-Typ-II-ähnliche Symptome beim Menschen beschrieben wurden, die auf ein defektes TMEM251-Gen zurückzuführen sind.
„Unsere Entdeckung beantwortete den molekularen Mechanismus dieser neuen menschlichen Krankheit“, sagte Li.
Das vom Gen TMEM251 kodierte Protein ist erforderlich, um ein weiteres Enzym namens GNPT zu aktivieren, das den M6P-Weg katalysiert. Die Forscher zeigten auch, dass TMEM251 im Golgi-Apparat lokalisiert ist, einer Struktur, die Lysosomen bildet. Dass die beiden Enzyme am Golgi lokalisiert sind, passt zu der Idee, dass die Proteine zusammenarbeiten müssen, um M6P zu lysosomalen Enzymen hinzuzufügen, sagte Li. Die Forscher nannten TMEM251 den GNPT-Spaltungs- und Aktivitätsfaktor (GCAF).
Anschließend überprüften die Forscher, was passieren würde, wenn sie das TMEM251-Gen im Zebrafisch ausschalten würden. Beim Vergleich des Wildtyp-Zebrafischs mit dem Zebrafisch, dessen TMEM251-Gen ausgeschaltet worden war, konnten die Forscher Defekte im Bauch, in der Skelett- und Knorpelentwicklung sowie im Herzen des Zebrafischs feststellen.
Co-Autor Xi Yang sagte, das Team schlage auch eine Therapiestrategie zur Bekämpfung der Krankheit beim Menschen vor. Die Therapie, die sich in einem sehr frühen Stadium befindet, basiert auf einer sogenannten „Enzymersatztherapie“. Die Forscher zeigten, dass, wenn sie das Enzym, das die M6P-Modifikation enthält, TMEM251-defizienten Zellen zugeführt wurde, dieses Enzym durch einen Prozess namens Endozytose in die Zelle eindringen und an ein fehlerhaft funktionierendes Lysosom abgegeben werden konnte.
„Wir wissen, dass die Pathogenese dieser Krankheit darauf zurückzuführen ist, dass Sie kein funktionsfähiges Lysosom haben“, sagte Yang, ein Forschungsspezialist in Lis Labor. „Diese Knockout-Zelle kann diese endozytierten funktionellen Enzyme tatsächlich nutzen, um ihr Lysosom wieder aufzubauen und es wieder funktionsfähig zu machen. Man kann den Mangel beheben, zumindest auf zellulärer Ebene.“
Das Team erhielt kürzlich ein Stipendium der National Institutes of Health, um das TMEM251-Gen weiter zu untersuchen, insbesondere wie das TMEM251-Enzym mit dem GNPT-Enzym interagiert, um die Entstehung von M6P zu erleichtern. Das Team möchte außerdem beschreiben, wie TMEM251 auf struktureller Ebene aussieht.
Zu den Co-Autoren des Papiers gehören Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui und Yanzhuang Wang von der UM MCDB. MCDB-Professor Cunming Duan und Postdoktorand Yingxiang Li halfen bei der Zebrafischarbeit. Woo Yung Cho kam vom BRCF Microscopy Core an der UM Medical School zum Team. Bala Bharathi Burugula und Jacob Kitzman von der Abteilung für Humangenetik der UM Medical School trugen ebenfalls dazu bei.
Quelle:
Referenz:
Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) reguliert die Lysosomenbiogenese durch Aktivierung des Mannose-6-phosphat-Weges. Naturkommunikation. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.
.
