Pētnieki identificē jaunu gēnu, kas iesaistīts retos lizosomu uzglabāšanas traucējumos

Pētnieki identificē jaunu gēnu, kas iesaistīts retos lizosomu uzglabāšanas traucējumos

Reta slimība, ko sauc par II tipa mukolipidozi, izraisa sirds un vēdera pietūkumu un kaulu deformāciju.

II tipa mukolipidoze ir lizosomu uzglabāšanas traucējums un izraisa iekšējo orgānu tūsku un skeleta displāziju. Bērni, kuriem diagnosticēta ģenētiskā slimība, bieži mirst, pirms viņi sasniedz septiņu gadu vecumu. Tagad Mičiganas universitātes pētnieki ir identificējuši jaunu ar slimību saistīto gēnu: TMEM251, kas ir nepieciešams pareizai lizosomu darbībai.

Lizosomas ir organellas visās ķermeņa šūnās, izņemot sarkanās asins šūnas, kas ir atbildīgas par jūsu šūnu radīto atkritumu absorbciju un pārstrādi. Ja lizosoma nevar pareizi darboties, tā nevar pārstrādāt šos atkritumus un tā vietā tos vienkārši uzglabā organellā.

Komanda, kuru vadīja molekulārās, šūnu un attīstības bioloģijas docents Ming Li, atklāja, ka, ja TMEM251 ir bojāts, tas nespēj kodēt ceļu enzīmiem, kas nepieciešami pareizai lizosomu darbībai, lai pārvietotos lizosomā. Pētījums tika publicēts Nature Communications.

Lizosomas satur aptuveni 50 līdz 60 enzīmus, kas sagremo nolietotās šūnu daļas un atkritumus no ārpuses. Lizosoma arī pārstrādā šos atkritumus – olbaltumvielas, nukleīnskābes, ogļhidrātus un lipīdus – atpakaļ izmantojamā materiālā. Tomēr, lai šie fermenti varētu pārvietoties lizosomā, tiem ir nepieciešams signāls, ko sauc par mannozes-6-fosfāta biosintēzes ceļu jeb M6P.

Tā ir kā pastmarka. Lai iekļūtu lizosomā, fermentiem ir jābūt šim signālam. Ja viņiem nav M6P, viņi nevar iekļūt lizosomā. "Tā rezultātā joprojām ir lizosomas, taču neviena no tām nebūtu funkcionāla, jo tām trūkst šo enzīmu."

Ming Li, molekulārās, šūnu un attīstības bioloģijas docents

Li laboratorija pēta lizosomu un jo īpaši lizosomas membrānas proteīnu sastāvu. Lizosoma spēj regulēt savus membrānas proteīnus, izraisot šo proteīnu sadalīšanos, izmantojot procesu, ko sauc par ubikvitināciju. Šis process ļauj olbaltumvielām migrēt no lizosomu membrānas uz organellu un tur sadalīties. Pētnieki arī vēlējās saprast, kuri gēni ir atbildīgi par lizosomu darbību un kas notiek, ja šie gēni ir bojāti.

Lai to izdarītu, komanda izmantoja CRISPR knockout ekrānu, kas atsevišķi izslēdza katru cilvēka genoma gēnu šūnu līmenī. Pēc tam pētnieki varēja pārbaudīt, kas notiek lizosomā, reaģējot uz katra gēna dzēšanu. Konkrēti, pētnieki meklēja gēnus, kas varētu būt atbildīgi par lizosomas sadalīšanos.

Eksperiments deva TMEM251.

"Tad radās jautājums: kāpēc šis gēns ir tik svarīgs cilvēka veselībai? Un kāpēc tas ir tik svarīgs lizosomu funkcijai?" Li teica.

Grupa atklāja, ka TMEM251 gēns kodē enzīmu, kas aktivizē M6P - ceļu, kas nepieciešams lielākajai daļai no 50 līdz 60 gremošanas enzīmiem lizosomās. Literatūras meklējumos pētnieki atrada arī 2021. gada rakstu, kurā aprakstīti II tipa mukolipidozei līdzīgi simptomi cilvēkiem, kas radušies bojāta TMEM251 gēna dēļ.

"Mūsu atklājums atbildēja uz šīs jaunās cilvēka slimības molekulāro mehānismu," sacīja Li.

TMEM251 gēna kodētais proteīns ir nepieciešams, lai aktivizētu citu enzīmu, ko sauc par GNPT, kas katalizē M6P ceļu. Pētnieki arī parādīja, ka TMEM251 ir lokalizēts Golgi aparātā - struktūrā, kas veido lizosomas. Tas, ka abi fermenti atrodas Golgi, atbilst idejai, ka olbaltumvielām ir jādarbojas kopā, lai pievienotu M6P lizosomu enzīmiem, sacīja Li. Pētnieki nosauca TMEM251 par GNPT šķelšanās un aktivitātes faktoru (GCAF).

Pēc tam pētnieki pārbaudīja, kas notiktu, ja viņi izslēgtu TMEM251 gēnu zebrazivīm. Salīdzinot savvaļas tipa zebrazi ar zebrazi, kuras TMEM251 gēns bija izsists, pētnieki varēja atklāt defektus zebrafish vēderā, skeleta un skrimšļu attīstībā un sirdī.

Līdzautors Xi Yang teica, ka komanda arī ierosina terapeitisku stratēģiju cilvēku slimības apkarošanai. Terapija, kas ir ļoti agrīnā stadijā, balstās uz tā saukto “enzīmu aizstājterapiju”. Pētnieki parādīja, ka tad, kad viņi piegādāja enzīmu, kas satur M6P modifikāciju, šūnām ar TMEM251 deficītu, šis enzīms spēja iekļūt šūnā, izmantojot procesu, ko sauc par endocitozi, un nogādāts nepareizi funkcionējošā lizosomā.

"Mēs zinām, ka šīs slimības patoģenēze izriet no funkcionālas lizosomas trūkuma," sacīja Jans, Li laboratorijas pētnieks. "Šī nokautā šūna faktiski var izmantot šos endocitētos funkcionālos enzīmus, lai atjaunotu savu lizosomu un atkal padarītu to funkcionālu. Jūs varat labot deficītu, vismaz šūnu līmenī."

Komanda nesen saņēma stipendiju no Nacionālajiem veselības institūtiem, lai turpinātu pētīt TMEM251 gēnu, īpaši to, kā TMEM251 enzīms mijiedarbojas ar GNPT enzīmu, lai atvieglotu M6P veidošanos. Komanda arī vēlas aprakstīt, kā TMEM251 izskatās strukturālā līmenī.

Darba līdzautori ir Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui un Yanzhuang Wang no UM MCDB. MCDB profesors Cunming Duan un pēcdoktorantūra Yingxiang Li palīdzēja zebrafish darbā. Woo Yung Cho pievienojās komandai no BRCF mikroskopijas kodola UM Medicīnas skolā. Piedalījās arī Bala Bharathi Burugula un Džeikobs Kitzmans no UM Medicīnas skolas Cilvēka ģenētikas nodaļas.

Avots:

Mičiganas Universitāte

Atsauce:

Džans, W. u.c. (2022) GCAF (TMEM251) regulē lizosomu bioģenēzi, aktivizējot mannozes-6-fosfāta ceļu. Dabas komunikācija. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.