Tutkijat tunnistavat uuden geenin, joka liittyy harvinaiseen lysosomaaliseen varastointihäiriöön

Tutkijat tunnistavat uuden geenin, joka liittyy harvinaiseen lysosomaaliseen varastointihäiriöön

Harvinainen sairaus, jota kutsutaan tyypin II mukolipidoosiksi, aiheuttaa sydämen ja vatsan turvotusta ja luiden muodonmuutoksia.

Tyypin II mukolipidoosi on lysosomin varastointihäiriö ja aiheuttaa sisäelinten turvotusta ja luuston dysplasiaa. Lapset, joilla on diagnosoitu geneettinen sairaus, kuolevat usein ennen seitsemän vuoden ikää. Nyt Michiganin yliopiston tutkijat ovat tunnistaneet taudin aiheuttavan uuden geenin: TMEM251, joka on välttämätön lysosomien oikealle toiminnalle.

Lysosomit ovat organelleja kaikissa kehon soluissa - paitsi punasoluissa - jotka ovat vastuussa solujen tuottaman jätteen imemisestä ja kierrätyksestä. Jos lysosomi ei toimi kunnolla, se ei voi kierrättää tätä jätettä, vaan varastoi sen yksinkertaisesti organelliin.

Molekyyli-, solu- ja kehitysbiologian apulaisprofessori Ming Li:n johtama tiimi havaitsi, että kun TMEM251 on viallinen, se ei pysty koodaamaan lysosomien oikean toiminnan edellyttämien entsyymien reittiä liikkuakseen lysosomissa. Tutkimus julkaistiin Nature Communicationsissa.

Lysosomit sisältävät noin 50–60 entsyymiä, jotka sulattavat kuluneita soluosia ja solun ulkopuolelta tulevaa jätettä. Lysosomi myös kierrättää nämä jätteet – proteiinit, nukleiinihapot, hiilihydraatit ja lipidit – takaisin käyttökelpoiseksi materiaaliksi. Kuitenkin, jotta nämä entsyymit voivat liikkua lysosomissa, ne tarvitsevat signaalin, jota kutsutaan mannoosi-6-fosfaatin biosynteesireitiksi tai M6P:ksi.

Se on kuin postimerkki. Entsyymeillä on oltava tämä signaali päästäkseen lysosomiin. Jos heillä ei ole M6P:tä, he eivät pääse lysosomiin. "Tämän seurauksena lysosomeja on edelleen, mutta mikään niistä ei toimisi, koska niistä puuttuu nämä entsyymit."

Ming Li, molekyyli-, solu- ja kehitysbiologian apulaisprofessori

Li:n laboratorio tutkii lysosomia ja erityisesti lysosomin kalvoproteiinien koostumusta. Lysosomilla on kyky säädellä omia kalvoproteiinejaan käynnistämällä näiden proteiinien hajoaminen ubiquitinaatioksi kutsutun prosessin kautta. Tämä prosessi mahdollistaa proteiinien siirtymisen lysosomikalvolta organelliin ja hajoamisen siellä. Tutkijat halusivat myös ymmärtää, mitkä geenit ovat vastuussa lysosomien toiminnasta ja mitä tapahtuu, kun nämä geenit ovat viallisia.

Tätä varten ryhmä käytti CRISPR-poistonäyttöä, joka sammutti yksilöllisesti jokaisen ihmisen genomin geenin solutasolla. Tutkijat pystyivät sitten tutkimaan, mitä lysosomissa tapahtuu vastauksena kunkin geenin deleetioon. Erityisesti tutkijat etsivät geenejä, jotka voisivat olla vastuussa lysosomin hajoamisesta.

Koe tuotti TMEM251:tä.

"Sitten kysymys tuli: miksi tämä geeni on niin tärkeä ihmisten terveydelle? Ja miksi se on niin tärkeä lysosomaaliselle toiminnalle?" Li sanoi.

Ryhmä havaitsi, että TMEM251-geeni koodaa entsyymiä, joka aktivoi M6P:n, reitin, jota useimmat lysosomien 50-60 ruoansulatusentsyymistä tarvitsevat. Kirjallisuuden haussa tutkijat löysivät myös vuoden 2021 paperin, jossa kuvattiin tyypin II mukolipidoosin kaltaisia ​​oireita ihmisillä, jotka johtuvat viallisesta TMEM251-geenistä.

"Löytömme vastasi tämän uuden ihmissairauden molekyylimekanismiin", Li sanoi.

TMEM251-geenin koodaama proteiini tarvitaan aktivoimaan toinen entsyymi nimeltä GNPT, joka katalysoi M6P-reittiä. Tutkijat osoittivat myös, että TMEM251 on lokalisoitu Golgin laitteeseen, rakenteeseen, joka muodostaa lysosomeja. Se, että nämä kaksi entsyymiä sijaitsevat Golgissa, sopii ajatukseen, että proteiinien on toimittava yhdessä M6P:n lisäämiseksi lysosomaalisiin entsyymeihin, Li sanoi. Tutkijat nimesivät TMEM251:n GNPT:n pilkkoutumis- ja aktiivisuustekijäksi (GCAF).

Sitten tutkijat tarkistivat, mitä tapahtuisi, jos he sammuttaisivat seeprakalan TMEM251-geenin. Vertaamalla villityypin seeprakalaa seeprakalaan, jonka TMEM251-geeni oli poistettu, tutkijat pystyivät havaitsemaan puutteita seeprakalan vatsassa, luuston ja ruston kehityksessä sekä sydämessä.

Toinen kirjoittaja Xi Yang sanoi, että tiimi ehdottaa myös terapeuttista strategiaa taudin torjumiseksi ihmisillä. Hyvin varhaisessa vaiheessa oleva hoito perustuu niin sanottuun "entsyymikorvaushoitoon". Tutkijat osoittivat, että kun he toimittivat M6P-modifikaatiota sisältävän entsyymin TMEM251-puutteellisille soluille, tämä entsyymi pystyi pääsemään soluun endosytoosiksi kutsutun prosessin kautta ja toimittamaan vialliseen lysosomiin.

"Tiedämme, että tämän taudin patogeneesi johtuu toimivan lysosomin puuttumisesta", sanoi Yang, Li:n laboratorion tutkimusasiantuntija. "Tämä knockout-solu voi itse asiassa käyttää näitä endosytooituja toiminnallisia entsyymejä lysosominsa uudelleen rakentamiseen ja sen toimivuuden palauttamiseen. Voit korjata puutteen, ainakin solutasolla."

Ryhmä sai äskettäin kansallisilta terveysinstituuteilta apurahan tutkiakseen edelleen TMEM251-geeniä, erityisesti kuinka TMEM251-entsyymi on vuorovaikutuksessa GNPT-entsyymin kanssa M6P:n muodostumisen helpottamiseksi. Tiimi haluaa myös kuvailla, miltä TMEM251 näyttää rakenteellisella tasolla.

Paperin kirjoittajia ovat Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui ja Yanzhuang Wang UM MCDB:stä. MCDB:n professori Cunming Duan ja tohtori Yingxiang Li auttoivat seeprakalatyössä. Woo Yung Cho liittyi tiimiin UM Medical Schoolin BRCF Microscopy Core -yksiköstä. Myös Bala Bharathi Burugula ja Jacob Kitzman UM Medical Schoolin ihmisgenetiikan osastolta osallistuivat.

Lähde:

Michiganin yliopisto

Viite:

Zhang, W. et ai. (2022) GCAF(TMEM251) säätelee lysosomien biogeneesiä aktivoimalla mannoosi-6-fosfaattireitin. Luontoviestintä. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.