Forskere identifiserer et nytt gen involvert i den sjeldne lysosomale lagringsforstyrrelsen

Forskere identifiserer et nytt gen involvert i den sjeldne lysosomale lagringsforstyrrelsen

En sjelden sykdom som kalles mukolipidose type II fører til at hjertet og magen hovner opp og at beinene deformeres.

Mukolipidose type II er en lysosomal lagringsforstyrrelse og forårsaker ødem i indre organer og skjelettdysplasi. Barn diagnostisert med den genetiske sykdommen dør ofte før de fyller syv år. Nå har forskere ved University of Michigan identifisert et nytt gen involvert i sykdommen: TMEM251, som er nødvendig for riktig funksjon av lysosomer.

Lysosomer er organeller i alle celler i kroppen - unntatt røde blodceller - som er ansvarlige for å absorbere og resirkulere avfallet cellene dine produserer. Hvis lysosomet ikke kan fungere ordentlig, kan det ikke resirkulere dette avfallet og lagrer det i stedet i organellen.

Teamet, ledet av Ming Li, assisterende professor i molekylær-, cellulær- og utviklingsbiologi, oppdaget at når TMEM251 er defekt, er det ikke i stand til å kode veien for enzymene som kreves for at lysosomer skal kunne bevege seg i lysosomet. Studien ble publisert i Nature Communications.

Lysosomer inneholder rundt 50 til 60 enzymer som fordøyer utslitte celledeler og avfall fra utsiden av cellen. Lysosomet resirkulerer også dette avfallet – proteiner, nukleinsyrer, karbohydrater og lipider – tilbake til brukbart materiale. For at disse enzymene skal bevege seg innenfor lysosomet, krever de imidlertid et signal som kalles mannose-6-fosfat biosynteseveien, eller M6P.

Det er som et frimerke. Enzymene må ha dette signalet for å komme inn i lysosomet. Hvis de ikke har M6P, kan de ikke komme inn i lysosomet. "Som et resultat er det fortsatt lysosomer, men ingen av dem ville være funksjonelle fordi de mangler disse enzymene."

Ming Li, assisterende professor i molekylær-, celle- og utviklingsbiologi

Li sitt laboratorium studerer lysosomet og spesielt sammensetningen av lysosomets membranproteiner. Lysosomet har evnen til å regulere sine egne membranproteiner ved å utløse nedbrytningen av disse proteinene gjennom en prosess som kalles ubiquitinering. Denne prosessen lar proteiner migrere fra lysosommembranen inn i organellen og brytes ned der. Forskerne ønsket også å forstå hvilke gener som er ansvarlige for lysosomfunksjonen og hva som skjer når disse genene er defekte.

For å gjøre dette brukte teamet en CRISPR knockout-skjerm som individuelt slo av hvert gen i det menneskelige genomet på cellenivå. Forskerne var så i stand til å undersøke hva som skjer i lysosomet som respons på sletting av hvert gen. Spesifikt så forskerne etter gener som kunne være ansvarlige for nedbrytningen av lysosomet.

Eksperimentet ga TMEM251.

"Da ble spørsmålet: Hvorfor er dette genet så viktig for menneskers helse? Og hvorfor er det så viktig for lysosomal funksjon?" sa Li.

Gruppen oppdaget at TMEM251-genet koder for et enzym som aktiverer M6P, en vei som kreves av de fleste av de 50 til 60 fordøyelsesenzymer i lysosomer. I et litteratursøk fant forskerne også en artikkel fra 2021 som beskrev mukolipidose type II-lignende symptomer hos mennesker som skyldes et defekt TMEM251-gen.

"Oppdagelsen vår besvarte den molekylære mekanismen til denne nye menneskelige sykdommen," sa Li.

Proteinet kodet av TMEM251-genet er nødvendig for å aktivere et annet enzym kalt GNPT, som katalyserer M6P-veien. Forskerne viste også at TMEM251 er lokalisert til Golgi-apparatet, en struktur som danner lysosomer. At de to enzymene er lokalisert ved Golgi passer med ideen om at proteinene må jobbe sammen for å legge til M6P til lysosomale enzymer, sa Li. Forskerne kalte TMEM251 GNPT-spaltnings- og aktivitetsfaktoren (GCAF).

Forskerne sjekket deretter hva som ville skje hvis de slo av TMEM251-genet i sebrafisk. Ved å sammenligne villtype-sebrafisken med sebrafisken hvis TMEM251-gen hadde blitt slått ut, klarte forskerne å oppdage defekter i sebrafiskens buk, skjelett- og bruskutvikling og hjerte.

Medforfatter Xi Yang sa at teamet også foreslår en terapeutisk strategi for å bekjempe sykdommen hos mennesker. Behandlingen, som er i et veldig tidlig stadium, er basert på en såkalt "enzymerstatningsterapi". Forskerne viste at når de leverte enzymet som inneholder M6P-modifikasjonen til TMEM251-mangelfulle celler, var dette enzymet i stand til å gå inn i cellen gjennom en prosess kalt endocytose og bli levert til et lysosom som ikke fungerer.

"Vi vet at patogenesen til denne sykdommen kommer fra å ikke ha et funksjonelt lysosom," sa Yang, en forskningsspesialist i Lis laboratorium. "Denne knockout-cellen kan faktisk bruke disse endocytoserte funksjonelle enzymene til å gjenoppbygge lysosomet sitt og gjøre det funksjonelt igjen. Du kan korrigere mangelen, i det minste på cellenivå."

Teamet mottok nylig et stipend fra National Institutes of Health for å studere TMEM251-genet videre, spesielt hvordan TMEM251-enzymet interagerer med GNPT-enzymet for å lette dannelsen av M6P. Teamet ønsker også å beskrive hvordan TMEM251 ser ut på et strukturelt nivå.

Medforfattere av artikkelen inkluderer Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui og Yanzhuang Wang fra UM MCDB. MCDB-professor Cunming Duan og postdoktor Yingxiang Li hjalp til med sebrafiskarbeidet. Woo Yung Cho ble med i teamet fra BRCF Microscopy Core ved UM Medical School. Bala Bharathi Burugula og Jacob Kitzman fra Institutt for humangenetikk ved UM Medical School bidro også.

Kilde:

University of Michigan

Referanse:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) regulerer lysosombiogenese gjennom aktivering av mannose-6-fosfatveien. Naturkommunikasjon. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.