Výskumníci identifikujú nový gén podieľajúci sa na zriedkavej poruche lyzozomálneho ukladania

Výskumníci identifikujú nový gén podieľajúci sa na zriedkavej poruche lyzozomálneho ukladania

Zriedkavé ochorenie nazývané mukolipidóza typu II spôsobuje opuch srdca a brucha a deformáciu kostí.

Mukolipidóza typu II je porucha lyzozomálneho ukladania a spôsobuje edém vnútorných orgánov a dyspláziu skeletu. Deti s diagnostikovanou genetickou chorobou často zomierajú skôr, ako dosiahnu vek sedem rokov. Teraz vedci z University of Michigan identifikovali nový gén podieľajúci sa na ochorení: TMEM251, ktorý je nevyhnutný pre správnu funkciu lyzozómov.

Lyzozómy sú organely vo všetkých bunkách v tele - okrem červených krviniek - ktoré sú zodpovedné za absorbovanie a recykláciu odpadu, ktorý vaše bunky produkujú. Ak lyzozóm nemôže správne fungovať, nemôže tento odpad recyklovať a namiesto toho ho jednoducho uloží do organely.

Tím vedený Ming Li, odborným asistentom molekulárnej, bunkovej a vývojovej biológie, zistil, že keď je TMEM251 chybný, nie je schopný zakódovať dráhu pre pohyb enzýmov potrebných na správnu funkciu lyzozómov v lyzozóme. Štúdia bola publikovaná v Nature Communications.

Lyzozómy obsahujú približne 50 až 60 enzýmov, ktoré trávia opotrebované časti buniek a odpad zvonku bunky. Lysozóm tiež recykluje tieto odpady – bielkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy a lipidy – späť na využiteľný materiál. Aby sa však tieto enzýmy mohli pohybovať v lyzozóme, vyžadujú signál nazývaný manóza-6-fosfátová biosyntetická dráha alebo M6P.

Je to ako poštová známka. Enzýmy musia mať tento signál, aby mohli vstúpiť do lyzozómu. Ak nemajú M6P, nemôžu sa dostať do lyzozómu. "V dôsledku toho stále existujú lyzozómy, ale žiadny z nich by nebol funkčný, pretože im chýbajú tieto enzýmy."

Ming Li, odborný asistent molekulárnej, bunkovej a vývojovej biológie

Liho laboratórium študuje lyzozóm a najmä zloženie membránových proteínov lyzozómu. Lysozóm má schopnosť regulovať svoje vlastné membránové proteíny spustením rozkladu týchto proteínov prostredníctvom procesu nazývaného ubikvitinácia. Tento proces umožňuje proteínom migrovať z lyzozómovej membrány do organely a tam sa rozkladať. Výskumníci tiež chceli pochopiť, ktoré gény sú zodpovedné za funkciu lyzozómov a čo sa stane, keď sú tieto gény chybné.

Na tento účel tím použil CRISPR knockout screen, ktorý individuálne vypol každý gén v ľudskom genóme na bunkovej úrovni. Vedci potom mohli preskúmať, čo sa deje v lyzozóme v reakcii na vymazanie každého génu. Vedci konkrétne hľadali gény, ktoré by mohli byť zodpovedné za rozpad lyzozómu.

Experiment poskytol TMEM251.

"Potom vyvstala otázka: Prečo je tento gén taký dôležitý pre ľudské zdravie? A prečo je taký dôležitý pre funkciu lyzozómov?" povedal Li.

Skupina zistila, že gén TMEM251 kóduje enzým, ktorý aktivuje M6P, dráhu, ktorú vyžaduje väčšina z 50 až 60 tráviacich enzýmov v lyzozómoch. Pri hľadaní literatúry vedci tiež našli dokument z roku 2021, ktorý opísal symptómy podobné mukolipidóze typu II u ľudí, ktoré sú spôsobené defektným génom TMEM251.

"Náš objav odpovedal na molekulárny mechanizmus tejto novej ľudskej choroby," povedal Li.

Proteín kódovaný génom TMEM251 je potrebný na aktiváciu ďalšieho enzýmu nazývaného GNPT, ktorý katalyzuje dráhu M6P. Výskumníci tiež ukázali, že TMEM251 je lokalizovaný v Golgiho aparáte, štruktúre, ktorá tvorí lyzozómy. To, že tieto dva enzýmy sa nachádzajú v Golgi, zodpovedá myšlienke, že proteíny musia spolupracovať, aby pridali M6P k lyzozomálnym enzýmom, povedal Li. Výskumníci pomenovali TMEM251 ako faktor štiepenia a aktivity GNPT (GCAF).

Vedci potom skontrolovali, čo by sa stalo, keby vypli gén TMEM251 u zebričiek. Porovnaním divokého typu zebričky so zebričkou, ktorej gén TMEM251 bol vyradený, vedci dokázali odhaliť defekty v bruchu, vývoji kostry a chrupaviek a srdci.

Spoluautor Xi Yang povedal, že tím tiež navrhuje terapeutickú stratégiu na boj proti tejto chorobe u ľudí. Terapia, ktorá je vo veľmi skorom štádiu, je založená na takzvanej „enzýmovej substitučnej terapii“. Výskumníci ukázali, že keď dopravili enzým obsahujúci modifikáciu M6P do buniek s deficitom TMEM251, tento enzým bol schopný vstúpiť do bunky prostredníctvom procesu nazývaného endocytóza a bol dodaný do nesprávne fungujúceho lyzozómu.

"Vieme, že patogenéza tohto ochorenia pochádza z toho, že nemáme funkčný lyzozóm," povedal Yang, výskumný špecialista v laboratóriu Li. "Táto knockout bunka môže skutočne použiť tieto endocytózované funkčné enzýmy na prebudovanie svojho lyzozómu a jeho opätovné fungovanie. Nedostatok môžete napraviť aspoň na bunkovej úrovni."

Tím nedávno dostal grant od National Institutes of Health na ďalšie štúdium génu TMEM251, konkrétne ako enzým TMEM251 interaguje s enzýmom GNPT, aby sa uľahčila tvorba M6P. Tím chce tiež opísať, ako vyzerá TMEM251 na štrukturálnej úrovni.

Medzi spoluautorov článku patria Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui a Yanzhuang Wang z UM MCDB. Profesor MCDB Cunming Duan a postdoktorand Yingxiang Li pomáhali pri práci so zebričkou. Woo Yung Cho sa pripojil k tímu z BRCF Microscopy Core na UM Medical School. Prispeli aj Bala Bharathi Burugula a Jacob Kitzman z Katedry ľudskej genetiky na UM Medical School.

Zdroj:

University of Michigan

Referencia:

Zhang, W., a kol. (2022) GCAF(TMEM251) reguluje biogenézu lyzozómov prostredníctvom aktivácie manóza-6-fosfátovej dráhy. Komunikácia prírody. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.