Forskare identifierar en ny gen som är involverad i den sällsynta lysosomala lagringsstörningen

Forskare identifierar en ny gen som är involverad i den sällsynta lysosomala lagringsstörningen

En sällsynt sjukdom som kallas mukolipidos typ II gör att hjärtat och buken sväller och benen deformeras.

Mukolipidos typ II är en lysosomal lagringsstörning och orsakar ödem i inre organ och skelettdysplasi. Barn som diagnostiserats med den genetiska sjukdomen dör ofta innan de fyllt sju år. Nu har forskare vid University of Michigan identifierat en ny gen som är involverad i sjukdomen: TMEM251, som är nödvändig för att lysosomer ska fungera korrekt.

Lysosomer är organeller i alla celler i kroppen - utom röda blodkroppar - som är ansvariga för att absorbera och återvinna det avfall dina celler producerar. Om lysosomen inte kan fungera korrekt kan den inte återvinna detta avfall utan lagrar det istället i organellen.

Teamet, ledd av Ming Li, biträdande professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi, upptäckte att när TMEM251 är defekt, kan det inte koda vägen för de enzymer som krävs för att lysosomernas korrekta funktion ska röra sig i lysosomen. Studien publicerades i Nature Communications.

Lysosomer innehåller cirka 50 till 60 enzymer som smälter utslitna celldelar och avfall utanför cellen. Lysosomen återvinner också dessa avfall – proteiner, nukleinsyror, kolhydrater och lipider – tillbaka till användbart material. Men för att dessa enzymer ska kunna röra sig i lysosomen kräver de en signal som kallas mannos-6-fosfatbiosyntesvägen, eller M6P.

Det är som ett frimärke. Enzymerna måste ha denna signal för att komma in i lysosomen. Om de inte har M6P kan de inte komma in i lysosomen. "Som ett resultat finns det fortfarande lysosomer, men ingen av dem skulle vara funktionell eftersom de saknar dessa enzymer."

Ming Li, biträdande professor i molekylär-, cell- och utvecklingsbiologi

Lis laboratorium studerar lysosomen och i synnerhet sammansättningen av lysosomens membranproteiner. Lysosomen har förmågan att reglera sina egna membranproteiner genom att utlösa nedbrytningen av dessa proteiner genom en process som kallas ubiquitination. Denna process tillåter proteiner att migrera från lysosommembranet in i organellen och brytas ner där. Forskarna ville också förstå vilka gener som är ansvariga för lysosomfunktionen och vad som händer när dessa gener är defekta.

För att göra detta använde teamet en CRISPR knockout-skärm som individuellt stängde av varje gen i det mänskliga genomet på cellnivå. Forskarna kunde sedan undersöka vad som händer i lysosomen som svar på raderingen av varje gen. Specifikt letade forskarna efter gener som kunde vara ansvariga för nedbrytningen av lysosomen.

Experimentet gav TMEM251.

"Då blev frågan: Varför är den här genen så viktig för människors hälsa? Och varför är den så viktig för lysosomal funktion?" sa Li.

Gruppen upptäckte att TMEM251-genen kodar för ett enzym som aktiverar M6P, en väg som krävs av de flesta av de 50 till 60 matsmältningsenzymer i lysosomer. I en litteratursökning hittade forskarna också en artikel från 2021 som beskrev mukolipidos typ II-liknande symtom hos människor som beror på en defekt TMEM251-gen.

"Vår upptäckt svarade på den molekylära mekanismen för denna nya mänskliga sjukdom," sa Li.

Proteinet som kodas av TMEM251-genen krävs för att aktivera ett annat enzym som kallas GNPT, som katalyserar M6P-vägen. Forskarna visade också att TMEM251 är lokaliserat till Golgi-apparaten, en struktur som bildar lysosomer. Att de två enzymerna är belägna vid Golgi stämmer överens med tanken att proteinerna måste arbeta tillsammans för att lägga till M6P till lysosomala enzymer, sa Li. Forskarna kallade TMEM251 GNPT-klyvnings- och aktivitetsfaktorn (GCAF).

Forskarna kollade sedan vad som skulle hända om de stängde av TMEM251-genen i zebrafisk. Genom att jämföra vildtypszebrafisken med zebrafisken vars TMEM251-gen hade slagits ut kunde forskarna upptäcka defekter i zebrafiskens buk, skelett- och broskutveckling och hjärta.

Medförfattaren Xi Yang sa att laget också föreslår en terapeutisk strategi för att bekämpa sjukdomen hos människor. Terapin, som är i ett mycket tidigt skede, bygger på en så kallad ”enzymersättningsterapi”. Forskarna visade att när de levererade enzymet som innehöll M6P-modifieringen till TMEM251-bristceller kunde detta enzym komma in i cellen genom en process som kallas endocytos och levereras till en felaktig lysosom.

"Vi vet att patogenesen av denna sjukdom kommer från att inte ha en funktionell lysosom", säger Yang, en forskningsspecialist i Lis labb. "Denna knockout-cell kan faktiskt använda dessa endocytoserade funktionella enzymer för att återuppbygga sin lysosom och få den att fungera igen. Du kan korrigera bristen, åtminstone på cellnivå."

Teamet fick nyligen ett bidrag från National Institutes of Health för att ytterligare studera TMEM251-genen, specifikt hur TMEM251-enzymet interagerar med GNPT-enzymet för att underlätta bildandet av M6P. Teamet vill också beskriva hur TMEM251 ser ut på en strukturell nivå.

Medförfattare till tidningen inkluderar Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui och Yanzhuang Wang från UM MCDB. MCDB-professor Cunming Duan och postdoktor Yingxiang Li hjälpte till med zebrafiskarbetet. Woo Yung Cho gick med i teamet från BRCF Microscopy Core vid UM Medical School. Bala Bharathi Burugula och Jacob Kitzman från Institutionen för mänsklig genetik vid UM Medical School bidrog också.

Källa:

University of Michigan

Hänvisning:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) reglerar lysosombiogenes genom aktivering av mannos-6-fosfatvägen. Naturkommunikation. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

.