Onderzoekers identificeren een nieuw gen dat betrokken is bij de zeldzame lysosomale stapelingsziekte

Onderzoekers identificeren een nieuw gen dat betrokken is bij de zeldzame lysosomale stapelingsziekte

Een zeldzame ziekte, mucolipidose type II genaamd, zorgt ervoor dat het hart en de buik opzwellen en de botten vervormen.

Mucolipidose type II is een lysosomale stapelingsstoornis en veroorzaakt oedeem van inwendige organen en skeletdysplasie. Kinderen bij wie de genetische ziekte wordt vastgesteld, sterven vaak voordat ze zeven jaar oud zijn. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Michigan een nieuw gen geïdentificeerd dat betrokken is bij de ziekte: TMEM251, dat nodig is voor de juiste werking van lysosomen.

Lysosomen zijn organellen in alle cellen van het lichaam – behalve de rode bloedcellen – die verantwoordelijk zijn voor het absorberen en recyclen van het afval dat uw cellen produceren. Als het lysosoom niet goed kan functioneren, kan het dit afval niet recyclen en in plaats daarvan eenvoudigweg opslaan in het organel.

Het team, onder leiding van Ming Li, universitair docent moleculaire, cellulaire en ontwikkelingsbiologie, ontdekte dat wanneer TMEM251 defect is, het niet in staat is de route te coderen voor de enzymen die nodig zijn voor de juiste functie van lysosomen om zich binnen het lysosoom te verplaatsen. Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications.

Lysosomen bevatten ongeveer 50 tot 60 enzymen die versleten celdelen en afval van buiten de cel verteren. Het lysosoom recycleert deze afvalstoffen – eiwitten, nucleïnezuren, koolhydraten en lipiden – ook weer tot bruikbaar materiaal. Om deze enzymen echter binnen het lysosoom te laten bewegen, hebben ze een signaal nodig dat de mannose-6-fosfaat biosyntheseroute of M6P wordt genoemd.

Het is als een postzegel. De enzymen moeten dit signaal hebben om het lysosoom binnen te komen. Als ze geen M6P hebben, kunnen ze niet in het lysosoom komen. “Als gevolg hiervan zijn er nog steeds lysosomen, maar geen enkele zou functioneel zijn omdat ze deze enzymen missen.”

Ming Li, universitair docent moleculaire, cellulaire en ontwikkelingsbiologie

Li's laboratorium bestudeert het lysosoom en in het bijzonder de samenstelling van de membraaneiwitten van het lysosoom. Het lysosoom heeft het vermogen om zijn eigen membraaneiwitten te reguleren door de afbraak van deze eiwitten op gang te brengen via een proces dat ubiquitinatie wordt genoemd. Door dit proces kunnen eiwitten van het lysosoommembraan naar het organel migreren en daar worden afgebroken. De onderzoekers wilden ook begrijpen welke genen verantwoordelijk zijn voor de lysosoomfunctie en wat er gebeurt als deze genen defect zijn.

Om dit te doen, gebruikte het team een ​​CRISPR-knock-outscherm dat elk gen in het menselijk genoom op cellulair niveau afzonderlijk uitschakelde. De onderzoekers konden vervolgens onderzoeken wat er in het lysosoom gebeurt als reactie op de verwijdering van elk gen. Concreet zochten de onderzoekers naar genen die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de afbraak van het lysosoom.

Het experiment leverde TMEM251 op.

"Toen werd de vraag: waarom is dit gen zo belangrijk voor de menselijke gezondheid? En waarom is het zo belangrijk voor de lysosomale functie?" zei Li.

De groep ontdekte dat het TMEM251-gen codeert voor een enzym dat M6P activeert, een route die vereist is voor de meeste van de 50 tot 60 spijsverteringsenzymen in lysosomen. In een literatuuronderzoek vonden de onderzoekers ook een artikel uit 2021 waarin mucolipidose type II-achtige symptomen bij mensen werden beschreven die te wijten zijn aan een defect TMEM251-gen.

“Onze ontdekking beantwoordde het moleculaire mechanisme van deze nieuwe ziekte bij de mens,” zei Li.

Het eiwit dat wordt gecodeerd door het TMEM251-gen is nodig om een ​​ander enzym, GNPT genaamd, te activeren, dat de M6P-route katalyseert. De onderzoekers toonden ook aan dat TMEM251 gelokaliseerd is in het Golgi-apparaat, een structuur die lysosomen vormt. Dat de twee enzymen zich op het Golgi bevinden, past bij het idee dat de eiwitten moeten samenwerken om M6P aan lysosomale enzymen toe te voegen, zei Li. De onderzoekers noemden TMEM251 de GNPT-splitsings- en activiteitsfactor (GCAF).

De onderzoekers keken vervolgens wat er zou gebeuren als ze het TMEM251-gen in de zebravis zouden uitschakelen. Door de wildtype zebravis te vergelijken met de zebravis waarvan het TMEM251-gen was uitgeschakeld, konden de onderzoekers defecten in de buik, de skelet- en kraakbeenontwikkeling en het hart van de zebravis detecteren.

Co-auteur Xi Yang zei dat het team ook een therapeutische strategie voorstelt om de ziekte bij mensen te bestrijden. De therapie, die zich in een zeer vroeg stadium bevindt, is gebaseerd op een zogenaamde ‘enzymvervangingstherapie’. De onderzoekers toonden aan dat toen ze het enzym met de M6P-modificatie afleverden aan TMEM251-deficiënte cellen, dit enzym de cel kon binnendringen via een proces dat endocytose wordt genoemd en aan een defect lysosoom kon worden afgeleverd.

"We weten dat de pathogenese van deze ziekte voortkomt uit het ontbreken van een functioneel lysosoom", zegt Yang, een onderzoeksspecialist in Li's laboratorium. "Deze knock-outcel kan deze endocytose functionele enzymen daadwerkelijk gebruiken om zijn lysosoom opnieuw op te bouwen en weer functioneel te maken. Je kunt het tekort corrigeren, tenminste op cellulair niveau."

Het team ontving onlangs een subsidie ​​van de National Institutes of Health om het TMEM251-gen verder te bestuderen, met name hoe het TMEM251-enzym interageert met het GNPT-enzym om de vorming van M6P te vergemakkelijken. Het team wil ook beschrijven hoe TMEM251 er op structureel niveau uitziet.

Co-auteurs van het artikel zijn onder meer Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui en Yanzhuang Wang van UM MCDB. MCDB-professor Cunming Duan en postdoctoraal collega Yingxiang Li hielpen met het zebraviswerk. Woo Yung Cho kwam bij het team vanuit de BRCF Microscopy Core van de UM Medical School. Bala Bharathi Burugula en Jacob Kitzman van de afdeling Menselijke Genetica van de UM Medical School hebben ook bijgedragen.

Bron:

Universiteit van Michigan

Referentie:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) reguleert de biogenese van lysosoom door activering van de mannose-6-fosfaatroute. Communicatie over de natuur. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.