I ricercatori identificano un nuovo gene coinvolto nella rara malattia da accumulo lisosomiale

I ricercatori identificano un nuovo gene coinvolto nella rara malattia da accumulo lisosomiale

Una malattia rara chiamata mucolipidosi di tipo II provoca il rigonfiamento del cuore e dell’addome e la deformazione delle ossa.

La mucolipidosi di tipo II è una malattia da accumulo lisosomiale e provoca edema degli organi interni e displasia scheletrica. I bambini a cui viene diagnosticata la malattia genetica spesso muoiono prima di raggiungere i sette anni. Ora i ricercatori dell'Università del Michigan hanno identificato un nuovo gene coinvolto nella malattia: TMEM251, necessario per il corretto funzionamento dei lisosomi.

I lisosomi sono organelli presenti in tutte le cellule del corpo, ad eccezione dei globuli rossi, responsabili dell'assorbimento e del riciclaggio dei rifiuti prodotti dalle cellule. Se il lisosoma non può funzionare correttamente, non può riciclare questi rifiuti e li immagazzina semplicemente nell'organello.

Il team, guidato da Ming Li, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo, ha scoperto che quando TMEM251 è difettoso, non è in grado di codificare il percorso degli enzimi necessari per il corretto funzionamento dei lisosomi per muoversi all'interno del lisosoma. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.

I lisosomi contengono circa 50-60 enzimi che digeriscono le parti cellulari usurate e i rifiuti provenienti dall'esterno della cellula. Il lisosoma ricicla anche questi rifiuti – proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi – trasformandoli in materiale utilizzabile. Tuttavia, affinché questi enzimi possano muoversi all’interno del lisosoma, richiedono un segnale chiamato via biosintetica del mannosio-6-fosfato, o M6P.

È come un francobollo. Gli enzimi devono avere questo segnale per entrare nel lisosoma. Se non hanno M6P, non possono entrare nel lisosoma. “Di conseguenza, ci sono ancora lisosomi, ma nessuno di essi sarebbe funzionale perché mancano di questi enzimi”.

Ming Li, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo

Il laboratorio di Li studia il lisosoma e, in particolare, la composizione delle proteine ​​di membrana del lisosoma. Il lisosoma ha la capacità di regolare le proprie proteine ​​di membrana innescando la degradazione di queste proteine ​​attraverso un processo chiamato ubiquitinazione. Questo processo consente alle proteine ​​di migrare dalla membrana lisosomiale nell'organello e lì essere scomposte. I ricercatori volevano anche capire quali geni sono responsabili della funzione dei lisosomi e cosa succede quando questi geni sono difettosi.

Per fare ciò, il team ha utilizzato uno schermo knockout CRISPR che ha disattivato individualmente ciascun gene nel genoma umano a livello cellulare. I ricercatori hanno quindi potuto esaminare cosa accade nel lisosoma in risposta alla delezione di ciascun gene. Nello specifico, i ricercatori hanno cercato i geni che potrebbero essere responsabili della rottura del lisosoma.

L'esperimento ha prodotto TMEM251.

"Quindi la domanda è diventata: perché questo gene è così importante per la salute umana? E perché è così importante per la funzione lisosomiale?" Li ha detto.

Il gruppo ha scoperto che il gene TMEM251 codifica per un enzima che attiva M6P, un percorso richiesto dalla maggior parte dei 50-60 enzimi digestivi nei lisosomi. In una ricerca in letteratura, i ricercatori hanno anche trovato un articolo del 2021 che descriveva sintomi simili alla mucolipidosi di tipo II negli esseri umani dovuti a un gene TMEM251 difettoso.

"La nostra scoperta ha risposto al meccanismo molecolare di questa nuova malattia umana", ha detto Li.

La proteina codificata dal gene TMEM251 è necessaria per attivare un altro enzima chiamato GNPT, che catalizza la via M6P. I ricercatori hanno anche dimostrato che TMEM251 è localizzato nell’apparato del Golgi, una struttura che forma i lisosomi. Il fatto che i due enzimi si trovino nel Golgi concorda con l’idea che le proteine ​​debbano lavorare insieme per aggiungere M6P agli enzimi lisosomiali, ha detto Li. I ricercatori hanno chiamato TMEM251 il fattore di scissione e attività GNPT (GCAF).

I ricercatori hanno poi verificato cosa accadrebbe se disattivassero il gene TMEM251 nel pesce zebra. Confrontando il pesce zebra selvatico con quello il cui gene TMEM251 era stato eliminato, i ricercatori sono stati in grado di rilevare difetti nell'addome, nello sviluppo dello scheletro e della cartilagine e nel cuore del pesce zebra.

Il coautore Xi Yang ha affermato che il team propone anche una strategia terapeutica per combattere la malattia negli esseri umani. La terapia, che è in una fase molto iniziale, si basa sulla cosiddetta “terapia sostitutiva enzimatica”. I ricercatori hanno dimostrato che quando hanno consegnato l’enzima contenente la modifica M6P alle cellule carenti di TMEM251, questo enzima è stato in grado di entrare nella cellula attraverso un processo chiamato endocitosi ed essere consegnato a un lisosoma malfunzionante.

"Sappiamo che la patogenesi di questa malattia deriva dalla mancanza di un lisosoma funzionale", ha detto Yang, uno specialista di ricerca nel laboratorio di Li. "Questa cellula knockout può effettivamente utilizzare questi enzimi funzionali endocitati per ricostruire il suo lisosoma e renderlo nuovamente funzionale. È possibile correggere la carenza, almeno a livello cellulare."

Il team ha recentemente ricevuto un finanziamento dal National Institutes of Health per studiare ulteriormente il gene TMEM251, in particolare il modo in cui l'enzima TMEM251 interagisce con l'enzima GNPT per facilitare la formazione di M6P. Il team vuole anche descrivere come appare TMEM251 a livello strutturale.

I coautori dell'articolo includono Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui e Yanzhuang Wang dell'UM MCDB. Il professore del MCDB Cunming Duan e il ricercatore post-dottorato Yingxiang Li hanno contribuito al lavoro sul pesce zebra. Woo Yung Cho si è unito al team del BRCF Microscopy Core presso la UM Medical School. Hanno contribuito anche Bala Bharathi Burugula e Jacob Kitzman del Dipartimento di genetica umana della UM Medical School.

Fonte:

Università del Michigan

Riferimento:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) regola la biogenesi dei lisosomi attraverso l'attivazione della via del mannosio-6-fosfato. Comunicazione della natura. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

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