I ricercatori identificano un nuovo gene implicato nel raro disturbo da accumulo lisosomiale

In una malattia rara chiamata mucolipidosi di tipo II, il cuore e l’addome delle persone si gonfiano e le loro ossa diventano malformate.

Un disturbo da accumulo lisosomiale, la mucolipidosi di tipo II provoca edema degli organi interni e displasia scheletrica. I bambini a cui era stata diagnosticata in precedenza la malattia genetica raggiungono i 7 anni. Ora, i ricercatori dell’Università del Michigan hanno spesso identificato un nuovo gene implicato nella malattia, TMEM251, necessario per il corretto funzionamento dei lisosomi.

I lisosomi sono organelli all’interno di tutte le cellule del corpo, eccetto i globuli rossi, responsabili dell’assorbimento e del riciclaggio dei rifiuti prodotti dalle cellule. Quando il lisosoma non può funzionare correttamente, non riesce a riciclare questa spazzatura e invece la accumula semplicemente nell’organello.

Il team, guidato da Ming Li, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo, ha scoperto che se TMEM251 è difettoso, non riesce a codificare il percorso degli enzimi necessari per la corretta funzione dei lisosomi per viaggiare all’interno del lisosoma. Lo studio è pubblicato su Nature Communications.

Ci sono da 50 a 60 enzimi all’interno dei lisosomi che digeriscono parti cellulari usurate e rifiuti dall’esterno della cellula. Il lisosoma ricicla anche questi rifiuti – proteine, acido nucleico, carboidrati e lipidi – in materiale utilizzabile. Ma affinché questi enzimi viaggino all’interno del lisosoma, hanno bisogno di un segnale chiamato via biosintetica del mannosio-6-fosfato o M6P.

È come un francobollo. Gli enzimi devono avere questo segnale per entrare nel lisosoma. Se non hanno M6P, non sono in grado di entrare nel lisosoma. Quindi, di conseguenza hai ancora lisosomi, ma nessuno di loro sarebbe funzionale perché mancano di questi enzimi”.

Ming Li, assistente professore di biologia molecolare, cellulare e dello sviluppo

Il laboratorio di Li studia il lisosoma e, in particolare, la composizione delle proteine ​​della membrana del lisosoma. Il lisosoma ha la capacità di regolare la propria proteina di membrana innescando la degradazione di queste proteine ​​attraverso un processo chiamato ubiquitinazione. Questo processo consente alle proteine ​​di viaggiare dalla membrana del lisosoma all’interno dell’organello per la degradazione. I ricercatori volevano anche capire quali geni fossero responsabili della funzione del lisosoma e cosa succede quando quei geni sono difettosi.

Per fare ciò, il team ha utilizzato uno schermo knock-out CRISPR che ha eliminato ogni gene nel genoma umano a livello cellulare, uno per uno. I ricercatori sono stati quindi in grado di studiare cosa accade nel lisosoma in risposta alla delezione di ciascun gene. In particolare, i ricercatori stavano cercando geni che potessero essere responsabili della degradazione del lisosoma.

L’esperimento ha rivelato TMEM251.

“Quindi il gioco è diventato, perché è di nuovo così importante per la salute umana? E perché è così fondamentale per la funzione lisosomiale?” disse Li.

Il gruppo ha scoperto che il gene TMEM251 codifica per un enzima che attiva M6P, un percorso richiesto dalla maggior parte dei 50-60 enzimi digestivi nei lisosomi. In una revisione della letteratura, i ricercatori hanno anche trovato un documento del 2021 che descriveva sintomi simili alla mucolipidosi di tipo II negli esseri umani che derivano dall’avere un gene TMEM251 difettoso.

“La nostra scoperta ha risposto al meccanismo molecolare di questa nuova malattia umana”, ha detto Li.

La proteina codificata dal gene TMEM251 è necessaria per attivare un altro enzima chiamato GNPT, che catalizza la via M6P. I ricercatori hanno anche dimostrato che TMEM251 è localizzato nell’apparato del Golgi, una struttura che forma i lisosomi. Il fatto che i due enzimi siano localizzati nel Golgi corrisponde all’idea che le proteine ​​debbano lavorare insieme per aggiungere M6P agli enzimi lisosomiali, ha detto Li. I ricercatori hanno chiamato TMEM251 come fattore di scissione e attività GNPT, o GCAF.

I ricercatori hanno quindi verificato cosa sarebbe successo se avessero eliminato il gene TMEM251 nel pesce zebra. Confrontando il pesce zebra di tipo selvatico con il pesce zebra il cui gene TMEM251 era stato eliminato, i ricercatori hanno potuto vedere difetti nell’addome, nello sviluppo scheletrico e della cartilagine e nel cuore del pesce zebra.

Il coautore Xi Yang ha affermato che il team suggerisce anche una strategia terapeutica per combattere la malattia negli esseri umani. La terapia, che è nelle fasi iniziali, si basa su quella che chiamano “terapia enzimatica sostitutiva”. I ricercatori hanno dimostrato che se fornivano l’enzima che contiene la modifica M6P alle cellule carenti di TMEM251, quell’enzima era in grado di filtrare nella cellula attraverso un processo chiamato endocitosi ed essere consegnato a un lisosoma malfunzionante.

“Sappiamo che la patogenesi di questa malattia è dovuta al fatto che non si dispone di un lisosoma funzionale”, ha affermato Yang, uno specialista di ricerca nel laboratorio di Li. “Questa cellula knockout può effettivamente utilizzare questi enzimi funzionali endocitati per ricostruire il loro lisosoma e renderlo nuovamente funzionale. Puoi salvare la carenza, almeno a livello cellulare”.

Il team ha recentemente ricevuto una sovvenzione del National Institutes of Health per studiare ulteriormente il gene TMEM251, in particolare come l’enzima TMEM251 interagisce con l’enzima GNPT per facilitare la genesi di M6P. Il team mira anche a descrivere l’aspetto di TMEM251 a livello strutturale.

I coautori dell’articolo includono Weichao Zhang, Linchen Yu, Bokai Zhang, Jianchao Zhang, Varsha Venkatarangan, Liang Chen, Sarah Bui e Yanzhuang Wang di UM MCDB. Il professore dell’MCDB Cunming Duan e il ricercatore post-dottorato Yingxiang Li hanno assistito nel lavoro sul pesce zebra. Woo Yung Cho si è unito al team del BRCF Microscopy Core presso la UM Medical School. Hanno contribuito anche Bala Bharathi Burugula e Jacob Kitzman con il Dipartimento di genetica umana della UM Medical School.

Fonte:

Riferimento del giornale:

Zhang, W., et al. (2022) GCAF(TMEM251) regola la biogenesi del lisosoma attivando la via del mannosio-6-fosfato. Comunicazioni sulla natura. doi.org/10.1038/s41467-022-33025-1.

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