Forskere identificerer et nyt gen involveret i den sjældne lysosomale lagringsforstyrrelse

Forskere identificerer et nyt gen involveret i den sjældne lysosomale lagringsforstyrrelse

En sjælden sygdom kaldet mucolipidosis type II får hjertet og maven til at hæve og knoglerne deformeres.

Mucolipidosis type II er en lysosomal oplagringsforstyrrelse og forårsager ødem i indre organer og skeletdysplasi. Børn diagnosticeret med den genetiske sygdom dør ofte, før de fylder syv år. Nu har forskere ved University of Michigan identificeret et nyt gen involveret i sygdommen: TMEM251, som er nødvendigt for lysosomers korrekte funktion.

Lysosomer er organeller i alle celler i kroppen - undtagen røde blodlegemer - som er ansvarlige for at absorbere og genbruge det affald, dine celler producerer. Hvis lysosomet ikke kan fungere ordentligt, kan det ikke genbruge dette affald og i stedet opbevarer det blot i organellen.

Holdet, ledet af Ming Li, assisterende professor i molekylær-, cellulær- og udviklingsbiologi, opdagede, at når TMEM251 er defekt, er det ude af stand til at kode vejen for de enzymer, der kræves for, at lysosomernes korrekte funktion kan bevæge sig i lysosomet. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Communications.

Lysosomer indeholder omkring 50 til 60 enzymer, der fordøjer slidte celledele og affald uden for cellen. Lysosomet genbruger også dette affald – proteiner, nukleinsyrer, kulhydrater og lipider – tilbage til brugbart materiale. Men for at disse enzymer kan bevæge sig inden for lysosomet, kræver de et signal kaldet mannose-6-phosphat biosyntesevejen eller M6P.

Det er ligesom et frimærke. Enzymerne skal have dette signal for at komme ind i lysosomet. Hvis de ikke har M6P, kan de ikke komme ind i lysosomet. "Som et resultat er der stadig lysosomer, men ingen af ​​dem ville være funktionelle, fordi de mangler disse enzymer."

Ming Li, assisterende professor i molekylær, cellulær og udviklingsbiologi

Lis laboratorium studerer lysosomet og især sammensætningen af ​​lysosomets membranproteiner. Lysosomet har evnen til at regulere sine egne membranproteiner ved at udløse nedbrydningen af ​​disse proteiner gennem en proces kaldet ubiquitinering. Denne proces tillader proteiner at migrere fra lysosommembranen ind i organellen og nedbrydes der. Forskerne ønskede også at forstå, hvilke gener der er ansvarlige for lysosomfunktionen, og hvad der sker, når disse gener er defekte.

For at gøre dette brugte holdet en CRISPR knockout-skærm, der individuelt slukkede for hvert gen i det menneskelige genom på cellulært niveau. Forskerne var derefter i stand til at undersøge, hvad der sker i lysosomet som reaktion på deletionen af ​​hvert gen. Specifikt ledte forskerne efter gener, der kunne være ansvarlige for nedbrydningen af ​​lysosomet.

Forsøget gav TMEM251.

"Så blev spørgsmålet: Hvorfor er dette gen så vigtigt for menneskers sundhed? Og hvorfor er det så vigtigt for lysosomal funktion?" sagde Li.

Gruppen opdagede, at TMEM251-genet koder for et enzym, der aktiverer M6P, en vej, der kræves af de fleste af de 50 til 60 fordøjelsesenzymer i lysosomer. I en litteratursøgning fandt forskerne også et papir fra 2021, der beskrev mucolipidosis type II-lignende symptomer hos mennesker, der skyldes et defekt TMEM251-gen.

"Vores opdagelse besvarede den molekylære mekanisme af denne nye menneskelige sygdom," sagde Li.

Proteinet kodet af TMEM251-genet er påkrævet for at aktivere et andet enzym kaldet GNPT, som katalyserer M6P-vejen. Forskerne viste også, at TMEM251 er lokaliseret til Golgi-apparatet, en struktur, der danner lysosomer. At de to enzymer er placeret ved Golgi passer med ideen om, at proteinerne skal arbejde sammen for at tilføje M6P til lysosomale enzymer, sagde Li. Forskerne kaldte TMEM251 for GNPT-spaltnings- og aktivitetsfaktoren (GCAF).

Forskerne tjekkede derefter, hvad der ville ske, hvis de slukkede for TMEM251-genet i zebrafisk. Ved at sammenligne vildtypezebrafisken med zebrafisken, hvis TMEM251-gen var blevet slået ud, var forskerne i stand til at påvise defekter i zebrafiskens underliv, skelet- og bruskudvikling og hjerte.

Medforfatter Xi Yang sagde, at holdet også foreslår en terapeutisk strategi til at bekæmpe sygdommen hos mennesker. Terapien, som er i et meget tidligt stadie, er baseret på en såkaldt "enzymerstatningsterapi". Forskerne viste, at når de leverede enzymet indeholdende M6P-modifikationen til TMEM251-mangelfulde celler, var dette enzym i stand til at trænge ind i cellen gennem en proces kaldet endocytose og blive leveret til et defekt lysosom.

"Vi ved, at patogenesen af ​​denne sygdom kommer fra ikke at have et funktionelt lysosom," sagde Yang, en forskningsspecialist i Lis laboratorium. "Denne knockout-celle kan faktisk bruge disse endocytoserede funktionelle enzymer til at genopbygge sit lysosom og gøre det funktionelt igen. Man kan rette op på manglen, i det mindste på celleniveau."

Holdet modtog for nylig et tilskud fra National Institutes of Health til yderligere at studere TMEM251-genet, specifikt hvordan TMEM251-enzymet interagerer med GNPT-enzymet for at lette dannelsen af ​​M6P. Teamet ønsker også at beskrive, hvordan TMEM251 ser ud på et strukturelt niveau.

Medforfattere til papiret inkluderer Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui og Yanzhuang Wang fra UM MCDB. MCDB-professor Cunming Duan og postdoc Yingxiang Li hjalp med zebrafiskarbejdet. Woo Yung Cho sluttede sig til holdet fra BRCF Microscopy Core på UM Medical School. Bala Bharathi Burugula og Jacob Kitzman fra Institut for Human Genetik ved UM Medical School bidrog også.

Kilde:

University of Michigan

Reference:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) regulerer lysosombiogenese gennem aktivering af mannose-6-phosphatvejen. Naturkommunikation. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.