Istraživači identificiraju novi gen koji je uključen u rijetki lizosomski poremećaj skladištenja

Istraživači identificiraju novi gen koji je uključen u rijetki lizosomski poremećaj skladištenja

Rijetka bolest zvana mukolipidoza tipa II uzrokuje oticanje srca i abdomena i deformaciju kostiju.

Mukolipidoza tipa II lizosomski je poremećaj skladištenja i uzrokuje edem unutarnjih organa i skeletnu displaziju. Djeca s dijagnosticiranom genetskom bolešću često umiru prije nego navrše sedam godina. Sada su istraživači sa Sveučilišta u Michiganu identificirali novi gen koji je uključen u bolest: TMEM251, koji je neophodan za ispravnu funkciju lizosoma.

Lizosomi su organele u svim stanicama u tijelu - osim crvenih krvnih stanica - koje su odgovorne za apsorpciju i recikliranje otpada koje proizvode vaše stanice. Ako lizosom ne može pravilno funkcionirati, ne može reciklirati ovaj otpad i umjesto toga ga jednostavno pohranjuje u organele.

Tim, predvođen Ming Lijem, asistentom profesora molekularne, stanične i razvojne biologije, otkrio je da kada je TMEM251 neispravan, nije u stanju kodirati put za enzime potrebne za ispravnu funkciju lizosoma za kretanje unutar lizosoma. Studija je objavljena u časopisu Nature Communications.

Lizosomi sadrže oko 50 do 60 enzima koji probavljaju istrošene stanične dijelove i otpad izvan stanice. Lizosom također reciklira ovaj otpad – proteine, nukleinske kiseline, ugljikohidrate i lipide – natrag u iskoristiv materijal. Međutim, kako bi se ti enzimi kretali unutar lizosoma, potreban im je signal koji se naziva biosintetski put manoza-6-fosfata ili M6P.

To je kao poštanska marka. Enzimi moraju imati ovaj signal da bi ušli u lizosom. Ako nemaju M6P, ne mogu ući u lizosom. "Kao rezultat toga, još uvijek postoje lizosomi, ali nijedan od njih ne bi bio funkcionalan jer im nedostaju ti enzimi."

Ming Li, docent molekularne, stanične i razvojne biologije

Lijev laboratorij proučava lizosom i, posebno, sastav proteina membrane lizosoma. Lizosom ima sposobnost reguliranja vlastitih membranskih proteina pokrećući razgradnju tih proteina kroz proces koji se naziva ubikvitinacija. Ovaj proces omogućuje proteinima da migriraju iz membrane lizosoma u organele i tamo se razgrade. Istraživači su također htjeli razumjeti koji su geni odgovorni za funkciju lizosoma i što se događa kada su ti geni neispravni.

Kako bi to učinio, tim je koristio CRISPR knockout screen koji je pojedinačno isključio svaki gen u ljudskom genomu na staničnoj razini. Istraživači su zatim mogli ispitati što se događa u lizosomu kao odgovor na brisanje svakog gena. Točnije, istraživači su tražili gene koji bi mogli biti odgovorni za raspad lizosoma.

Eksperiment je dao TMEM251.

"Tada se postavilo pitanje: Zašto je ovaj gen toliko važan za ljudsko zdravlje? I zašto je toliko važan za funkciju lizosoma?" rekao je Li.

Skupina je otkrila da gen TMEM251 kodira enzim koji aktivira M6P, put koji je potreban većini od 50 do 60 probavnih enzima u lizosomima. U pretraživanju literature, istraživači su također pronašli rad iz 2021. koji opisuje simptome slične mukolipidozi tipa II kod ljudi koji su posljedica neispravnog gena TMEM251.

"Naše otkriće odgovorilo je na molekularni mehanizam ove nove ljudske bolesti", rekao je Li.

Protein kodiran genom TMEM251 potreban je za aktiviranje drugog enzima nazvanog GNPT, koji katalizira put M6P. Istraživači su također pokazali da je TMEM251 lokaliziran na Golgijevom aparatu, strukturi koja tvori lizosome. To što su dva enzima smještena na Golgiju odgovara ideji da proteini moraju raditi zajedno kako bi dodali M6P lizosomskim enzimima, rekao je Li. Istraživači su TMEM251 nazvali GNPT čimbenik cijepanja i aktivnosti (GCAF).

Istraživači su potom provjerili što bi se dogodilo da isključe gen TMEM251 kod zebrica. Uspoređujući divlji tip zebrice s zebricom čiji je gen TMEM251 izbačen, istraživači su uspjeli otkriti nedostatke u abdomenu, razvoju kostura i hrskavice te srcu zebrice.

Koautor Xi Yang rekao je da tim također predlaže terapijsku strategiju za borbu protiv bolesti kod ljudi. Terapija, koja je u vrlo ranoj fazi, temelji se na takozvanoj “enzimskoj nadomjesnoj terapiji”. Istraživači su pokazali da kada su isporučili enzim koji je sadržavao modifikaciju M6P u stanice s nedostatkom TMEM251, ovaj enzim je mogao ući u stanicu kroz proces koji se zove endocitoza i dostaviti lizosomu koji ne funkcionira.

"Znamo da patogeneza ove bolesti dolazi od nedostatka funkcionalnog lizosoma", rekao je Yang, stručnjak za istraživanje u Lijevom laboratoriju. "Ova izbačena stanica zapravo može koristiti ove endocitozirane funkcionalne enzime da ponovno izgradi svoj lizosom i učini ga ponovno funkcionalnim. Možete ispraviti nedostatak, barem na staničnoj razini."

Tim je nedavno dobio potporu od Nacionalnog instituta za zdravlje za daljnje proučavanje gena TMEM251, konkretno kako enzim TMEM251 stupa u interakciju s enzimom GNPT kako bi se olakšalo stvaranje M6P. Tim također želi opisati kako TMEM251 izgleda na strukturnoj razini.

Koautori rada su Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui i Yanzhuang Wang iz UM MCDB. Profesor MCDB-a Cunming Duan i postdoktorand Yingxiang Li pomogli su u radu na zebricama. Woo Yung Cho pridružio se timu iz BRCF Microscopy Core na UM Medical School. Bala Bharathi Burugula i Jacob Kitzman s Odsjeka za ljudsku genetiku Medicinskog fakulteta UM također su pridonijeli.

Izvor:

Sveučilište u Michiganu

Referenca:

Zhang, W. i sur. (2022) GCAF(TMEM251) regulira biogenezu lizosoma putem aktivacije manoza-6-fosfatnog puta. Komunikacija s prirodom. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.