Οι ερευνητές εντοπίζουν ένα νέο γονίδιο που εμπλέκεται στη σπάνια διαταραχή λυσοσωμικής αποθήκευσης

Οι ερευνητές εντοπίζουν ένα νέο γονίδιο που εμπλέκεται στη σπάνια διαταραχή λυσοσωμικής αποθήκευσης

Μια σπάνια ασθένεια που ονομάζεται βλεννολιπίδωση τύπου II προκαλεί πρήξιμο της καρδιάς και της κοιλιάς και την παραμόρφωση των οστών.

Η βλεννολιπίδωση τύπου II είναι μια διαταραχή λυσοσωμικής αποθήκευσης και προκαλεί οίδημα εσωτερικών οργάνων και σκελετική δυσπλασία. Τα παιδιά που διαγιγνώσκονται με τη γενετική ασθένεια συχνά πεθαίνουν πριν φτάσουν την ηλικία των επτά ετών. Τώρα ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν εντόπισαν ένα νέο γονίδιο που εμπλέκεται στη νόσο: το TMEM251, το οποίο είναι απαραίτητο για τη σωστή λειτουργία των λυσοσωμάτων.

Τα λυσοσώματα είναι οργανίδια σε όλα τα κύτταρα του σώματος - εκτός από τα ερυθρά αιμοσφαίρια - που είναι υπεύθυνα για την απορρόφηση και την ανακύκλωση των αποβλήτων που παράγουν τα κύτταρα σας. Εάν το λυσόσωμα δεν μπορεί να λειτουργήσει σωστά, δεν μπορεί να ανακυκλώσει αυτά τα απόβλητα και αντ' αυτού απλώς τα αποθηκεύει στο οργανίδιο.

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Ming Li, επίκουρο καθηγητή μοριακής, κυτταρικής και αναπτυξιακής βιολογίας, ανακάλυψε ότι όταν το TMEM251 είναι ελαττωματικό, δεν είναι σε θέση να κωδικοποιήσει την οδό για τα ένζυμα που απαιτούνται για τη σωστή λειτουργία των λυσοσωμάτων για να κινηθούν μέσα στο λυσόσωμα. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Nature Communications.

Τα λυσοσώματα περιέχουν περίπου 50 έως 60 ένζυμα που αφομοιώνουν τα φθαρμένα κυτταρικά μέρη και τα απόβλητα έξω από το κύτταρο. Το λυσόσωμα ανακυκλώνει επίσης αυτά τα απόβλητα - πρωτεΐνες, νουκλεϊκά οξέα, υδατάνθρακες και λιπίδια - πίσω σε χρησιμοποιήσιμο υλικό. Ωστόσο, για να κινηθούν αυτά τα ένζυμα μέσα στο λυσόσωμα, απαιτούν ένα σήμα που ονομάζεται βιοσυνθετικό μονοπάτι μαννόζης-6-φωσφορικής ή M6P.

Είναι σαν γραμματόσημο. Τα ένζυμα πρέπει να έχουν αυτό το σήμα για να εισέλθουν στο λυσόσωμα. Εάν δεν έχουν M6P, δεν μπορούν να εισέλθουν στο λυσόσωμα. «Ως αποτέλεσμα, εξακολουθούν να υπάρχουν λυσοσώματα, αλλά κανένα από αυτά δεν θα ήταν λειτουργικό επειδή δεν έχουν αυτά τα ένζυμα».

Ming Li, επίκουρος καθηγητής μοριακής, κυτταρικής και αναπτυξιακής βιολογίας

Το εργαστήριο του Li μελετά το λυσόσωμα και, ειδικότερα, τη σύνθεση των πρωτεϊνών της μεμβράνης του λυσοσώματος. Το λυσόσωμα έχει την ικανότητα να ρυθμίζει τις δικές του μεμβρανικές πρωτεΐνες πυροδοτώντας τη διάσπαση αυτών των πρωτεϊνών μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ουβικουϊτινοποίηση. Αυτή η διαδικασία επιτρέπει στις πρωτεΐνες να μεταναστεύσουν από τη μεμβράνη του λυσοσώματος στο οργανίδιο και να διασπαστούν εκεί. Οι ερευνητές ήθελαν επίσης να καταλάβουν ποια γονίδια είναι υπεύθυνα για τη λειτουργία των λυσοσωμάτων και τι συμβαίνει όταν αυτά τα γονίδια είναι ελαττωματικά.

Για να γίνει αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε μια οθόνη νοκ-άουτ CRISPR που απενεργοποίησε ξεχωριστά κάθε γονίδιο στο ανθρώπινο γονιδίωμα σε κυτταρικό επίπεδο. Οι ερευνητές μπόρεσαν στη συνέχεια να εξετάσουν τι συμβαίνει στο λυσόσωμα ως απάντηση στη διαγραφή κάθε γονιδίου. Συγκεκριμένα, οι ερευνητές αναζήτησαν γονίδια που θα μπορούσαν να ευθύνονται για τη διάσπαση του λυσοσώματος.

Το πείραμα έδωσε TMEM251.

"Τότε το ερώτημα έγινε: Γιατί αυτό το γονίδιο είναι τόσο σημαντικό για την ανθρώπινη υγεία; Και γιατί είναι τόσο σημαντικό για τη λυσοσωμική λειτουργία;" είπε ο Λι.

Η ομάδα ανακάλυψε ότι το γονίδιο TMEM251 κωδικοποιεί ένα ένζυμο που ενεργοποιεί το M6P, ένα μονοπάτι που απαιτείται από τα περισσότερα από τα 50 έως 60 πεπτικά ένζυμα στα λυσοσώματα. Σε μια βιβλιογραφική αναζήτηση, οι ερευνητές βρήκαν επίσης ένα έγγραφο του 2021 που περιέγραφε συμπτώματα παρόμοια με τη βλεννολιπίδωση τύπου II σε ανθρώπους που οφείλονται σε ένα ελαττωματικό γονίδιο TMEM251.

«Η ανακάλυψή μας απάντησε στον μοριακό μηχανισμό αυτής της νέας ανθρώπινης ασθένειας», είπε ο Λι.

Η πρωτεΐνη που κωδικοποιείται από το γονίδιο TMEM251 απαιτείται για να ενεργοποιήσει ένα άλλο ένζυμο που ονομάζεται GNPT, το οποίο καταλύει την οδό M6P. Οι ερευνητές έδειξαν επίσης ότι το TMEM251 εντοπίζεται στη συσκευή Golgi, μια δομή που σχηματίζει λυσοσώματα. Το ότι τα δύο ένζυμα βρίσκονται στο Golgi ταιριάζει με την ιδέα ότι οι πρωτεΐνες πρέπει να συνεργαστούν για να προσθέσουν M6P στα λυσοσωμικά ένζυμα, είπε ο Li. Οι ερευνητές ονόμασαν το TMEM251 παράγοντα διάσπασης και δραστηριότητας GNPT (GCAF).

Στη συνέχεια, οι ερευνητές έλεγξαν τι θα συνέβαινε αν απενεργοποίησαν το γονίδιο TMEM251 σε ζέβρα. Συγκρίνοντας το ζέβρα άγριου τύπου με το ζέβρα του οποίου το γονίδιο TMEM251 είχε χτυπηθεί, οι ερευνητές μπόρεσαν να ανιχνεύσουν ελαττώματα στην κοιλιά, τη σκελετική ανάπτυξη και τον χόνδρο και την καρδιά του ζέβρα.

Ο συν-συγγραφέας Xi Yang είπε ότι η ομάδα προτείνει επίσης μια θεραπευτική στρατηγική για την καταπολέμηση της ασθένειας στους ανθρώπους. Η θεραπεία, η οποία βρίσκεται σε πολύ πρώιμο στάδιο, βασίζεται στη λεγόμενη «θεραπεία αντικατάστασης ενζύμων». Οι ερευνητές έδειξαν ότι όταν παρέδωσαν το ένζυμο που περιέχει την τροποποίηση M6P σε κύτταρα με έλλειψη TMEM251, αυτό το ένζυμο μπόρεσε να εισέλθει στο κύτταρο μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται ενδοκυττάρωση και να παραδοθεί σε ένα δυσλειτουργικό λυσόσωμα.

«Γνωρίζουμε ότι η παθογένεση αυτής της ασθένειας προέρχεται από την έλλειψη λειτουργικού λυσοσώματος», δήλωσε ο Yang, ειδικός ερευνητής στο εργαστήριο του Li. "Αυτό το νοκ-άουτ κύτταρο μπορεί πραγματικά να χρησιμοποιήσει αυτά τα ενδοκυττωμένα λειτουργικά ένζυμα για να ξαναχτίσει το λυσώσωμά του και να το κάνει ξανά λειτουργικό. Μπορείτε να διορθώσετε την ανεπάρκεια, τουλάχιστον σε κυτταρικό επίπεδο."

Η ομάδα έλαβε πρόσφατα επιχορήγηση από τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας για να μελετήσει περαιτέρω το γονίδιο TMEM251, συγκεκριμένα πώς το ένζυμο TMEM251 αλληλεπιδρά με το ένζυμο GNPT για να διευκολύνει το σχηματισμό του M6P. Η ομάδα θέλει επίσης να περιγράψει πώς φαίνεται το TMEM251 σε δομικό επίπεδο.

Οι συν-συγγραφείς της εργασίας περιλαμβάνουν τους Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui και Yanzhuang Wang από το UM MCDB. Ο καθηγητής του MCDB Cunming Duan και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης Yingxiang Li βοήθησαν στο έργο του zebrafish. Ο Woo Yung Cho εντάχθηκε στην ομάδα από το BRCF Microscopy Core στην Ιατρική Σχολή του UM. Οι Bala Bharathi Burugula και Jacob Kitzman από το Τμήμα Ανθρώπινης Γενετικής της Ιατρικής Σχολής του UM συνέβαλαν επίσης.

Πηγή:

Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν

Αναφορά:

Zhang, W., et al. (2022) Το GCAF (TMEM251) ρυθμίζει τη βιογένεση των λυσοσωμάτων μέσω της ενεργοποίησης της οδού της μαννόζης-6-φωσφορικής. Επικοινωνία με τη φύση. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.