Vědci identifikují nový gen zapojený do vzácné poruchy lysozomálního střádání

Vědci identifikují nový gen zapojený do vzácné poruchy lysozomálního střádání

Vzácné onemocnění zvané mukolipidóza typu II způsobuje otoky srdce a břicha a deformaci kostí.

Mukolipidóza typu II je porucha lysozomálního střádání a způsobuje edém vnitřních orgánů a skeletální dysplazii. Děti s diagnostikovaným genetickým onemocněním často umírají dříve, než dosáhnou věku sedmi let. Nyní vědci z University of Michigan identifikovali nový gen podílející se na onemocnění: TMEM251, který je nezbytný pro správnou funkci lysozomů.

Lysozomy jsou organely ve všech buňkách v těle - kromě červených krvinek - které jsou zodpovědné za absorpci a recyklaci odpadu, který vaše buňky produkují. Pokud lysozom nemůže správně fungovat, nemůže tento odpad recyklovat a místo toho jej jednoduše uloží do organely.

Tým vedený Ming Li, odborným asistentem molekulární, buněčné a vývojové biologie, zjistil, že když je TMEM251 defektní, není schopen zakódovat cestu pro enzymy potřebné pro správnou funkci lysozomů k pohybu v lysozomu. Studie byla publikována v Nature Communications.

Lysozomy obsahují asi 50 až 60 enzymů, které tráví opotřebované buněčné části a odpad z vnějšku buňky. Lysozom také recykluje tyto odpady – bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy a lipidy – zpět na využitelný materiál. Aby se však tyto enzymy mohly pohybovat v lysozomu, vyžadují signál nazývaný manóza-6-fosfátová biosyntetická dráha nebo M6P.

Je to jako poštovní známka. Enzymy musí mít tento signál, aby mohly vstoupit do lysozomu. Pokud nemají M6P, nemohou se dostat do lysozomu. "V důsledku toho stále existují lysozomy, ale žádný z nich by nebyl funkční, protože postrádají tyto enzymy."

Ming Li, odborný asistent molekulární, buněčné a vývojové biologie

Liova laboratoř studuje lysozom a zejména složení membránových proteinů lysozomu. Lysozom má schopnost regulovat své vlastní membránové proteiny spuštěním rozkladu těchto proteinů prostřednictvím procesu zvaného ubikvitinace. Tento proces umožňuje proteinům migrovat z membrány lysozomu do organely a tam se rozkládat. Výzkumníci také chtěli pochopit, které geny jsou zodpovědné za funkci lysozomů a co se stane, když jsou tyto geny defektní.

K tomu tým použil CRISPR knockout screen, který individuálně vypínal každý gen v lidském genomu na buněčné úrovni. Vědci pak byli schopni zkoumat, co se děje v lysozomu v reakci na deleci každého genu. Konkrétně vědci hledali geny, které by mohly být zodpovědné za rozpad lysozomu.

Experiment poskytl TMEM251.

"Pak vyvstala otázka: Proč je tento gen tak důležitý pro lidské zdraví? A proč je tak důležitý pro funkci lyzozomů?" řekl Li.

Skupina zjistila, že gen TMEM251 kóduje enzym, který aktivuje M6P, dráhu vyžadovanou většinou z 50 až 60 trávicích enzymů v lysozomech. Při hledání literatury vědci také našli dokument z roku 2021, který popisoval symptomy podobné mukolipidóze typu II u lidí, které jsou způsobeny defektním genem TMEM251.

"Náš objev odpověděl na molekulární mechanismus této nové lidské nemoci," řekl Li.

Protein kódovaný genem TMEM251 je nutný k aktivaci dalšího enzymu zvaného GNPT, který katalyzuje dráhu M6P. Výzkumníci také ukázali, že TMEM251 je lokalizován do Golgiho aparátu, což je struktura, která tvoří lysozomy. To, že se tyto dva enzymy nacházejí v Golgi, odpovídá myšlence, že proteiny musí spolupracovat, aby přidaly M6P k lysozomálním enzymům, řekl Li. Výzkumníci pojmenovali TMEM251 jako faktor štěpení a aktivity GNPT (GCAF).

Vědci poté zkontrolovali, co by se stalo, kdyby u zebřičky vypnuli gen TMEM251. Porovnáním divokého typu zebřičky se zebřičkou, jejíž gen TMEM251 byl vyřazen, byli vědci schopni odhalit defekty v břiše, vývoji kostry a chrupavek a srdci.

Spoluautor Xi Yang řekl, že tým také navrhuje terapeutickou strategii pro boj s nemocí u lidí. Terapie, která je ve velmi rané fázi, je založena na tzv. „enzymové substituční terapii“. Vědci ukázali, že když dopravili enzym obsahující modifikaci M6P do buněk s deficitem TMEM251, tento enzym byl schopen vstoupit do buňky procesem zvaným endocytóza a být dopraven do nefunkčního lysozomu.

"Víme, že patogeneze tohoto onemocnění pochází z toho, že nemáme funkční lysozom," řekl Yang, výzkumný specialista v Liově laboratoři. "Tato knockoutovaná buňka může skutečně použít tyto endocytované funkční enzymy k přestavbě svého lysozomu a jeho opětovné funkčnosti. Nedostatek můžete napravit, alespoň na buněčné úrovni."

Tým nedávno obdržel grant od National Institutes of Health na další studium genu TMEM251, konkrétně toho, jak enzym TMEM251 interaguje s enzymem GNPT, aby usnadnil tvorbu M6P. Tým chce také popsat, jak TMEM251 vypadá na strukturální úrovni.

Mezi spoluautory článku patří Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui a Yanzhuang Wang z UM MCDB. Profesor MCDB Cunming Duan a postdoktorand Yingxiang Li pomáhali s prací se zebřičkami. Woo Yung Cho se připojil k týmu z BRCF Microscopy Core na UM Medical School. Přispěli také Bala Bharathi Burugula a Jacob Kitzman z oddělení lidské genetiky na lékařské fakultě UM.

Zdroj:

University of Michigan

Odkaz:

Zhang, W., a kol. (2022) GCAF(TMEM251) reguluje biogenezi lysozomů prostřednictvím aktivace manóza-6-fosfátové dráhy. Komunikace přírody. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.