A kutatók egy új gént azonosítottak, amely részt vesz a ritka lizoszómális tárolási rendellenességben

A kutatók egy új gént azonosítottak, amely részt vesz a ritka lizoszómális tárolási rendellenességben

A II-es típusú mucolipidosis nevű ritka betegség a szív és a has megduzzadását, valamint a csontok deformálódását okozza.

A II-es típusú mucolipidosis egy lizoszómális tárolási rendellenesség, amely belső szervek ödémáját és csontváz diszpláziát okoz. A genetikai betegséggel diagnosztizált gyermekek gyakran meghalnak hét éves koruk előtt. A Michigani Egyetem kutatói most egy új, a betegségben szerepet játszó gént azonosítottak: a TMEM251-et, amely szükséges a lizoszómák megfelelő működéséhez.

A lizoszómák a test összes sejtjében – a vörösvérsejtek kivételével – organellumok, amelyek felelősek a sejtek által termelt hulladék felszívásáért és újrahasznosításáért. Ha a lizoszóma nem tud megfelelően működni, akkor nem tudja újrahasznosítani ezt a hulladékot, hanem egyszerűen az organellumban tárolja.

A Ming Li, a molekuláris, sejt- és fejlődésbiológia adjunktusa által vezetett csapat felfedezte, hogy ha a TMEM251 hibás, nem képes kódolni a lizoszómák megfelelő működéséhez szükséges enzimek útvonalát a lizoszómán belüli mozgáshoz. A tanulmány a Nature Communications-ben jelent meg.

A lizoszómák körülbelül 50-60 enzimet tartalmaznak, amelyek megemésztik az elhasználódott sejtrészeket és a sejten kívüli hulladékot. A lizoszóma ezeket a hulladékokat – fehérjéket, nukleinsavakat, szénhidrátokat és lipideket – is hasznosítható anyaggá hasznosítja. Ahhoz azonban, hogy ezek az enzimek a lizoszómán belül mozoghassanak, szükségük van egy jelre, amelyet mannóz-6-foszfát bioszintetikus útvonalnak vagy M6P-nek neveznek.

Olyan, mint egy postai bélyeg. Az enzimeknek rendelkezniük kell ezzel a jellel, hogy beléphessenek a lizoszómába. Ha nincs M6P-jük, nem tudnak bejutni a lizoszómába. "Ennek eredményeként még mindig vannak lizoszómák, de egyik sem lenne működőképes, mert hiányoznak belőlük ezek az enzimek."

Ming Li, a molekuláris, sejt- és fejlődésbiológia adjunktusa

Li laboratóriuma a lizoszómát, és különösen a lizoszóma membránfehérjéinek összetételét vizsgálja. A lizoszóma képes szabályozni saját membránfehérjéit azáltal, hogy beindítja ezeknek a fehérjéknek a lebomlását az ubiquitinációnak nevezett folyamaton keresztül. Ez a folyamat lehetővé teszi, hogy a fehérjék a lizoszóma membránról az organellumba vándoroljanak, és ott lebomlanak. A kutatók azt is szerették volna megérteni, hogy mely gének felelősek a lizoszóma működéséért, és mi történik, ha ezek a gének hibásak.

Ehhez a csapat egy CRISPR knockout képernyőt használt, amely egyenként kapcsolta ki az emberi genom minden génjét sejtszinten. A kutatók ezután megvizsgálhatták, mi történik a lizoszómában az egyes gének deléciójára adott válaszként. A kutatók konkrétan olyan géneket kerestek, amelyek felelősek lehetnek a lizoszóma lebontásáért.

A kísérlet TMEM251-et eredményezett.

"Ezután a kérdés az volt: miért olyan fontos ez a gén az emberi egészség szempontjából? És miért olyan fontos a lizoszóma működése szempontjából?" - mondta Li.

A csoport felfedezte, hogy a TMEM251 gén olyan enzimet kódol, amely aktiválja az M6P-t, amely útvonal a lizoszómák 50-60 emésztőenzimének többsége számára szükséges. Egy szakirodalmi kutatás során a kutatók egy 2021-es tanulmányt is találtak, amely a hibás TMEM251 génnek tulajdonítható, II. típusú mucolipidosis-szerű tüneteket írt le embereknél.

"Felfedezésünk választ adott ennek az új emberi betegségnek a molekuláris mechanizmusára" - mondta Li.

A TMEM251 gén által kódolt fehérje szükséges egy másik enzim, a GNPT aktiválásához, amely az M6P útvonalat katalizálja. A kutatók azt is kimutatták, hogy a TMEM251 a Golgi-készülékben található, amely lizoszómákat képez. Az, hogy a két enzim a Golgiban található, összhangban van azzal az elképzeléssel, hogy a fehérjéknek együtt kell működniük ahhoz, hogy az M6P-t hozzáadják a lizoszómális enzimekhez, mondta Li. A kutatók a TMEM251-et GNPT hasítási és aktivitási faktornak (GCAF) nevezték el.

A kutatók ezután megvizsgálták, mi történne, ha kikapcsolnák a TMEM251 gént a zebrahalban. A vad típusú zebradán és a zebrahal összehasonlításával, amelynek TMEM251 génjét kiütötték, a kutatók képesek voltak kimutatni a zebrahal hasának, csontváz- és porcfejlődésének, valamint szívének rendellenességeit.

A társszerző, Xi Yang elmondta, hogy a csapat terápiás stratégiát is javasol az emberekben előforduló betegség leküzdésére. A nagyon korai stádiumban lévő terápia az úgynevezett „enzimpótló terápián” alapul. A kutatók kimutatták, hogy amikor az M6P módosítást tartalmazó enzimet eljuttatták a TMEM251-hiányos sejtekhez, ez az enzim az endocitózisnak nevezett folyamaton keresztül be tudott jutni a sejtbe, és egy rosszul működő lizoszómába került.

"Tudjuk, hogy ennek a betegségnek a patogenezise abból adódik, hogy nincs működőképes lizoszómája" - mondta Yang, Li laboratóriumának kutatója. "Ez a knockout sejt valójában felhasználhatja ezeket az endocitált funkcionális enzimeket, hogy újjáépítse lizoszómáját, és újra működőképessé tegye azt. Korrigálhatja a hiányt, legalábbis sejtszinten."

A csapat a közelmúltban támogatást kapott az Országos Egészségügyi Intézettől a TMEM251 gén további tanulmányozására, különösen arra, hogy a TMEM251 enzim hogyan lép kölcsönhatásba a GNPT enzimmel az M6P képződésének elősegítése érdekében. A csapat azt is szeretné leírni, hogyan néz ki a TMEM251 szerkezeti szinten.

A cikk társszerzői közé tartozik Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui és Yanzhuang Wang az UM MCDB-től. Az MCDB professzora, Cunming Duan és posztdoktori munkatárs, Yingxiang Li segítettek a zebrahal munkában. Woo Yung Cho csatlakozott a csapathoz az UM Medical School BRCF Microscopy Core csapatától. Bala Bharathi Burugula és Jacob Kitzman, az UM Medical School Humán Genetikai Tanszékéről is hozzájárultak.

Forrás:

Michigani Egyetem

Referencia:

Zhang, W. és mtsai. (2022) A GCAF(TMEM251) a mannóz-6-foszfát útvonal aktiválásával szabályozza a lizoszóma biogenezist. A természet kommunikációja. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.