Raziskovalci identificirajo nov gen, ki sodeluje pri redki lizosomski motnji shranjevanja

Raziskovalci identificirajo nov gen, ki sodeluje pri redki lizosomski motnji shranjevanja

Redka bolezen, imenovana mukolipidoza tipa II, povzroči otekanje srca in trebuha ter deformacijo kosti.

Mukolipidoza tipa II je lizosomska motnja shranjevanja in povzroča edem notranjih organov in skeletno displazijo. Otroci z diagnozo genetske bolezni pogosto umrejo, preden dopolnijo sedem let. Zdaj so raziskovalci na Univerzi v Michiganu identificirali nov gen, vpleten v to bolezen: TMEM251, ki je potreben za pravilno delovanje lizosomov.

Lizosomi so organeli v vseh celicah v telesu - razen rdečih krvnih celic -, ki so odgovorni za absorpcijo in recikliranje odpadkov, ki jih proizvajajo vaše celice. Če lizosom ne more pravilno delovati, teh odpadkov ne more reciklirati in jih preprosto shrani v organele.

Ekipa, ki jo vodi Ming Li, docent za molekularno, celično in razvojno biologijo, je odkrila, da ko je TMEM251 okvarjen, ne more kodirati poti za encime, ki so potrebni za pravilno delovanje lizosomov, da se premikajo znotraj lizosoma. Študija je bila objavljena v Nature Communications.

Lizosomi vsebujejo približno 50 do 60 encimov, ki prebavljajo obrabljene celične dele in odpadke zunaj celice. Lizosom te odpadke – beljakovine, nukleinske kisline, ogljikove hidrate in lipide – tudi reciklira nazaj v uporaben material. Da pa se ti encimi premikajo znotraj lizosoma, potrebujejo signal, imenovan biosintezna pot manoza-6-fosfata ali M6P.

Je kot poštna znamka. Encimi morajo imeti ta signal, da lahko vstopijo v lizosom. Če nimajo M6P, ne morejo priti v lizosom. "Posledično še vedno obstajajo lizosomi, vendar noben od njih ne bi bil funkcionalen, ker nimajo teh encimov."

Ming Li, docent za molekularno, celično in razvojno biologijo

Lijev laboratorij preučuje lizosom in zlasti sestavo lizosomskih membranskih proteinov. Lizosom ima sposobnost uravnavanja lastnih membranskih proteinov tako, da sproži razgradnjo teh proteinov s postopkom, imenovanim ubikvitinacija. Ta proces omogoča, da beljakovine migrirajo iz lizosomske membrane v organele in se tam razgradijo. Raziskovalci so želeli tudi razumeti, kateri geni so odgovorni za delovanje lizosomov in kaj se zgodi, ko so ti geni okvarjeni.

Da bi to naredili, je ekipa uporabila izločilni zaslon CRISPR, ki je posamezno izklopil vsak gen v človeškem genomu na celični ravni. Raziskovalci so nato lahko preučili, kaj se zgodi v lizosomu kot odgovor na izbris vsakega gena. Natančneje, raziskovalci so iskali gene, ki bi lahko bili odgovorni za razgradnjo lizosoma.

Poskus je dal TMEM251.

"Potem se je postavilo vprašanje: zakaj je ta gen tako pomemben za zdravje ljudi? In zakaj je tako pomemben za lizosomsko delovanje?" je rekel Li.

Skupina je odkrila, da gen TMEM251 kodira encim, ki aktivira M6P, pot, ki jo potrebuje večina od 50 do 60 prebavnih encimov v lizosomih. Pri iskanju literature so raziskovalci našli tudi dokument iz leta 2021, ki opisuje simptome, podobne mukolipidozi tipa II, pri ljudeh, ki so posledica okvarjenega gena TMEM251.

"Naše odkritje je odgovorilo na molekularni mehanizem te nove človeške bolezni," je dejal Li.

Protein, ki ga kodira gen TMEM251, je potreben za aktiviranje drugega encima, imenovanega GNPT, ki katalizira pot M6P. Raziskovalci so tudi pokazali, da je TMEM251 lokaliziran na Golgijev aparat, strukturo, ki tvori lizosome. Da se oba encima nahajata pri Golgiju, se ujema z idejo, da morajo proteini sodelovati, da dodajo M6P lizosomskim encimom, je dejal Li. Raziskovalci so TMEM251 poimenovali faktor cepitve in aktivnosti GNPT (GCAF).

Raziskovalci so nato preverili, kaj bi se zgodilo, če bi pri cebricah izključili gen TMEM251. S primerjavo divje vrste cebrice z cebrico, katere gen TMEM251 je bil izločen, so raziskovalci lahko odkrili napake v trebuhu cebrice, razvoju skeleta in hrustanca ter srcu.

Soavtor Xi Yang je dejal, da ekipa predlaga tudi terapevtsko strategijo za boj proti bolezni pri ljudeh. Terapija, ki je v zelo zgodnji fazi, temelji na tako imenovani »encimski nadomestni terapiji«. Raziskovalci so pokazali, da ko so dostavili encim, ki vsebuje modifikacijo M6P, celicam s pomanjkanjem TMEM251, je ta encim lahko vstopil v celico skozi proces, imenovan endocitoza, in bil dostavljen v okvarjen lizosom.

"Vemo, da patogeneza te bolezni izhaja iz tega, da nimamo funkcionalnega lizosoma," je dejal Yang, raziskovalec v Lijevem laboratoriju. "Ta izločena celica lahko dejansko uporabi te endocitozirane funkcionalne encime, da ponovno zgradi svoj lizosom in ga naredi ponovno funkcionalnega. Pomanjkljivost lahko popravite, vsaj na celični ravni."

Skupina je pred kratkim prejela donacijo Nacionalnega inštituta za zdravje za nadaljnje preučevanje gena TMEM251, natančneje, kako encim TMEM251 sodeluje z encimom GNPT, da olajša nastanek M6P. Ekipa želi tudi opisati, kako izgleda TMEM251 na strukturni ravni.

Soavtorji prispevka so Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui in Yanzhuang Wang iz UM MCDB. Profesor MCDB Cunming Duan in podoktorski sodelavec Yingxiang Li sta pomagala pri delu z ribico cebrico. Woo Yung Cho se je pridružil ekipi iz BRCF Microscopy Core na UM Medical School. Prispevala sta tudi Bala Bharathi Burugula in Jacob Kitzman z Oddelka za humano genetiko na Medicinski fakulteti UM.

Vir:

Univerza v Michiganu

Referenca:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) uravnava biogenezo lizosomov z aktivacijo manoza-6-fosfatne poti. Komunikacija v naravi. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.