При редком заболевании, называемом муколипидозом II типа, у людей отекают сердца и брюшная полость, а кости деформируются.

Лизосомальная болезнь накопления, муколипидоз II типа, вызывает отек внутренних органов и дисплазию скелета. Дети с диагностированным генетическим заболеванием часто умирают, не дожив до 7 лет. Теперь исследователи из Мичиганского университета идентифицировали новый ген, связанный с заболеванием, TMEM251, который необходим для правильного функционирования лизосом.

Лизосомы — это органеллы во всех клетках тела, кроме эритроцитов, которые отвечают за прием и переработку мусора, производимого вашими клетками. Когда лизосома не может функционировать должным образом, она не может перерабатывать этот мусор и вместо этого просто накапливает его в органелле.

Команда под руководством Минг Ли, доцента кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития, обнаружила, что если TMEM251 дефектен, он не может кодировать путь ферментов, необходимых для правильной функции лизосом, для перемещения внутри лизосомы. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Внутри лизосом находится от 50 до 60 ферментов, которые переваривают изношенные клеточные части, а также отходы извне клетки. Лизосома также перерабатывает эти отходы — белки, нуклеиновые кислоты , углеводы и липиды — обратно в пригодный для использования материал. Но для того, чтобы эти ферменты перемещались внутри лизосомы, им нужен сигнал, называемый путем биосинтеза маннозо-6-фосфата, или M6P.

Это как почтовая марка. Ферменты должны иметь этот сигнал, чтобы проникнуть внутрь лизосомы. Если у них нет M6P, они не могут проникнуть в лизосому. Следовательно, у вас все еще есть лизосомы, но ни одна из них не будет функционировать, потому что в них отсутствуют эти ферменты».

Мин Ли, доцент кафедры молекулярной, клеточной и биологии развития

Лаборатория Ли изучает лизосомы и, в частности, состав мембранных белков лизосом. Лизосома обладает способностью регулировать свой собственный мембранный белок, вызывая деградацию этих белков посредством процесса, называемого убиквитинированием. Этот процесс позволяет белкам перемещаться от мембраны лизосомы внутрь органеллы для деградации. Исследователи также хотели понять, какие гены отвечают за функцию лизосом и что происходит, когда эти гены дефектны.

Для этого команда использовала блокирующий экран CRISPR, который отключал каждый ген в геноме человека на клеточном уровне один за другим. Затем исследователи смогли изучить, что происходит в лизосомах в ответ на удаление каждого гена. В частности, исследователи искали гены, которые могли бы отвечать за деградацию лизосом.

В эксперименте подвернулся TMEM251.

«Итак, возникла игра, почему этот ген так важен для здоровья человека? И почему это так важно для лизосомальной функции?» — сказал Ли.

Группа обнаружила, что ген TMEM251 кодирует фермент, который активирует M6P, путь, который требуется большинству из 50-60 переваривающих ферментов в лизосомах. В обзоре литературы исследователи также обнаружили статью 2021 года, в которой описывались симптомы, подобные муколипидозу типа II, у людей, возникающие в результате наличия дефектного гена TMEM251.

«Наше открытие ответило на молекулярный механизм этой новой болезни человека», — сказал Ли.

Белок, кодируемый геном TMEM251, необходим для активации другого фермента, называемого GNPT, который катализирует путь M6P. Исследователи также продемонстрировали, что TMEM251 локализован в аппарате Гольджи, структуре, которая образует лизосомы. По словам Ли, то, что два фермента локализованы в аппарате Гольджи, соответствует идее о том, что белки должны работать вместе, чтобы добавить M6P к лизосомальным ферментам. Исследователи назвали TMEM251 фактором расщепления и активности GNPT, или GCAF.

Затем исследователи проверили, что произойдет, если они отключат ген TMEM251 у рыбок данио. Сравнивая рыбок данио дикого типа с рыбками данио, у которых был нокаутирован ген TMEM251, исследователи смогли увидеть дефекты в брюшной полости рыбок данио, развитии скелета и хрящей, а также в сердце.

Соавтор Си Ян сказал, что команда также предлагает стратегию терапии для борьбы с болезнью у людей. Терапия, которая находится на очень ранних стадиях, основана на том, что они называют «заместительной терапией ферментами». Исследователи продемонстрировали, что если они поставляли фермент, содержащий модификацию M6P, клеткам с дефицитом TMEM251, этот фермент мог фильтроваться в клетку посредством процесса, называемого эндоцитозом, и доставляться в неисправную лизосому.

«Мы знаем, что патогенез этого заболевания связан с тем, что у вас нет функциональной лизосомы», — сказал Ян, специалист по исследованиям в лаборатории Ли. «Эта нокаутированная клетка может фактически использовать эти эндоцитированные функциональные ферменты, чтобы восстановить свою лизосому и снова сделать ее функциональной. Вы можете избавиться от дефицита, по крайней мере, на клеточном уровне».

Команда недавно получила грант Национального института здравоохранения для дальнейшего изучения гена TMEM251, в частности, того, как фермент TMEM251 взаимодействует с ферментом GNPT, чтобы облегчить генезис M6P. Команда также стремится описать, как TMEM251 выглядит на структурном уровне.

Соавторами статьи являются Вейчао Чжан из UM MCDB, Линчен Ю, Бокай Чжан, Цзяньчао Чжан, Варша Венкатаранган, Лян Чен, Сара Буй и Янчжуан Ван. Профессор MCDB Канминг Дуан и научный сотрудник Инсян Ли помогали в работе с рыбками данио. Ву Юнг Чо присоединился к команде из Центра микроскопии BRCF в Медицинской школе UM. Бала Бхарати Буругула и Джейкоб Китцман с факультета генетики человека Медицинской школы UM также внесли свой вклад.