Új, nyilvános atlasz az agy lizoszomális fehérjéiről
Az idegsejteknek szükségük van egy működő rendszerre, amely elszállítja a hulladékot és szétválogatja az újrahasznosítható anyagokat. Ha azonban a sejtekben ezeket a feladatokat ellátó tisztító gépek, az úgynevezett lizoszómák meghibásodnak vagy túlterheltek lesznek, az növelheti az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór és más neurológiai rendellenességek kockázatát.
„A lizoszómák működése elengedhetetlen az agy egészségéhez, és a lizoszómák génjeinek mutációi a neurodegeneratív betegségek kockázati tényezői” – mondta Monther Abu-Remaileh, a Wu Tsai Neuro munkatársa, a Stanford Mérnöki Kar kémiai mérnöki tanszékének adjunktusa és a Stanford Orvostudományi Kar genetikai tanszékének adjunktusa.
A probléma az, hogy a tudósok nem tudják pontosan, hogyan működnek a lizoszómák, mi romlik el bennük, ami neurodegeneratív betegségekhez vezet, vagy hogy melyik sejttípusokban alakulnak ki a neurodegeneratív betegségek. Lehet, hogy még más, eddig felfedezetlen lizoszómális rendellenességek is léteznek.
Ez hamarosan megváltozhat. Egy új kutatás részeként elkészült az első atlasz az agy lizoszómális fehérjéiről, amely megmutatja, mely fehérjék kapcsolódnak legszorosabban a lizoszómákhoz a különböző agysejt-típusokban. Ezek az adatok segíthetnek a tudósoknak jobban megérteni, hogy mit csinálnak a lizoszómák, és mi történik, amikor lebomlanak.
„Most már tudjuk, melyik lizoszomális fehérje gazdagabb az egyes agysejt-típusokban” – mondta Ali Ghoochani, Abu-Remaileh laboratóriumának kutatója és a új cikk társszerzője. „Ez lehetővé teszi számunkra, hogy jobban megértsük ezeknek a fehérjéknek a funkcióit, és hogy diszfunkciójuk hogyan járul hozzá az Alzheimer-kór, a Parkinson-kór és más idegrendszeri rendellenességek kialakulásához.”
Az adatok máris eredményeket hoztak. Ahogy a csapat a Cell című folyóiratban beszámolt, az atlaszt arra használták, hogy egy ritka idegrendszeri rendellenességet, az SLC45A1-hez kapcsolódó betegséget összekapcsoljanak a lizoszómák diszfunkciójával.
Folyamatos fejlődés
Az új tanulmány Abu-Remaileh csoportjának korábbi kutatásaira épül. Ekkor kezdték alkalmazni a proteomikát – az organizmusban jelen lévő fehérjék szisztematikus vizsgálatát – kifejezetten a lizoszómákra. A legnehezebb az volt, hogy a lizoszómákat úgy izolálják a többi sejtmechanizmustól, hogy megőrizzék a bennük lévő kémiai összetételt.
Egy 2017-es cikkben Abu-Remaileh beszámolt egy új módszerről, a LysoIP-ről, amely megjelöli a lizoszómákat, hogy azok elválaszthatók legyenek a többi sejtkomponenstől, és azoktól függetlenül lehessen őket tanulmányozni. 2022-ben laboratórium kiterjesztette ezt a technikát az egerek genetikai módosítására, hogy lizoszómáik automatikusan kifejezzék a jelölést.
Ezen a LysoTag nevű módszeren alapulva Abu-Remaileh laboratóriuma felfedezte, hogy egy bizonyos fehérje, a CLN3, milyen szerepet játszik a lipidek lebontásában, és hogy a CLN3 elvesztése hogyan vezethet Batten-kórhoz, egy ritka gyermekkori rendellenességhez, amikor is a sejtekben felhalmozódnak a salakanyagok, ami rohamokhoz, gondolkodási és mozgási problémákhoz, végül halálhoz vezet.
A LysoTag sikere arra késztette Ghoochanit, Abu-Remaileht és kollégáikat, hogy elgondolkodjanak: ha többet tudnának arról, hogy a CLN3-hoz hasonló fehérjék hol jelennek meg leginkább az agyban, akkor többet tudhatnának meg azok funkcióiról és diszfunkcióiról.
„Az volt a célunk, hogy ezt a technológiát felhasználva megnézzük, hogy a lizoszómák összetétele milyen az agy különböző sejttípusaiban” – mondta Abu-Remaileh. „Úgy gondoltuk, hogy ezzel meg tudjuk állapítani, melyik sejttípusban melyik lizoszómák felelősek a különböző genetikai neurodegeneratív betegségekért.” Ennek kiderítése segíthetne a kutatóknak és az orvosoknak a neurodegeneráció jobb megértésében, és talán új terápiák kidolgozásában is.
A Knight Initiative és a Stanford Sarafan ChEM-H Nucleus metabolomikai csoportjának támogatásával Ghoochani és kollégái először kibővítették a LysoTag képességeit, kombinálva azt egy olyan módszerrel, amelynek segítségével azt a specifikus sejtekre lehet irányítani. Így a LysoTag-ot hozzáadhatják bizonylatos sejttípusokhoz, és kivonhatják a lizoszómális fehérjéket a négy fő agysejt-típusból – idegsejtek, asztrociták, oligodendrociták és mikrogliák. Julia Heiby-vel és Allesandro Ori-val, a Leibniz Institute on Aging munkatársaival együttműködve a kutatók adatelemző eszközöket fejlesztettek ki, amelyekkel azonosítani tudták, mely fehérjék állnak a legszorosabb kapcsolatban a négy agysejt-típus lizoszómáival.
A térkép bővítése
Ezeknek az eszközöknek a segíztségével a csapat elkészítette atlaszát: egy 790 fehérjéttartalmazó katalógust, amelyek főleg a lizoszómákhoz kapcsolódnak – vagyis nagyobb valószínűséggel találhatók meg a lizoszómákban, mint máshol –, valamint egy adatbázist arról, hogy mely fehérjék találhatók nagyobb valószínűséggel az egyes agysejt-típusokban.
Ez az atlasz lehetőséget nyújtott a kutatóknak, hogy feltárják a lizoszómális fehérjék, az azokat kódoló gének és a neurodegeneratív betegségek közötti kapcsolatokat. A csapat 67 olyan lizoszómális fehérjét talált, amelyek az Alzheimer-kórral kapcsolatos demenciával, a Parkinson-kórral és a lizoszómális tárolási rendellenességekkel kapcsolatosak.
A további elemzések kimutatták, hogy ezek közül néhány fehérje egy sejttípusban nagyobb mértékben expresszálódott, mint másokban – például a frontotemporális demenciával kapcsolatos GRN nevű fehérje gyakrabban fordult elő a mikrogliában, egy olyan immunsejtben, amelyet neurodegeneratív folyamatokkal hoznak összefüggésbe, mint másokban. Ghoochani és Abu-Remaileh szerint így lehetőségük nyílt a betegség és a lizoszómális diszfunkció közötti összefüggések tanulmányozására.
A listán szereplő egy másik fehérje is felkeltette a csapat figyelmét. A kutatók tudták, hogy az SLC45A1 fehérje segít a cukrok sejtmembránokon keresztül történő szállításában, és hogy a fehérje mutációi neuropszichiátriai tünetekkel járó értelmi fogyatékosságot okoznak, de korábban senki sem hozta összefüggésbe a lizoszómával vagy a lizoszómális diszfunkcióval.
A további vizsgálatokhoz Ghoochani egy sor tesztet végzett tenyésztett sejteken, hogy lizoszómális diszfunkció jeleit keresse. Azt találta, hogy az SLC45A1 elvesztése megzavarja a lizoszómális lebontást – a hulladékok lebontásának folyamatát –, ami megnehezíti a lizoszómák számára a hulladékok eltávolítását. Ez erősen arra utalt, hogy az SLC45A1-hez kapcsolódó betegség lizoszómális rendellenesség.
Ghoochani szerint az egyik projekt célja az SLC45A1 lizoszómákban betöltött funkciójának jobb megértése, ami végül terápiás megközelítések kidolgozásához vezethet. De vannak más lehetőségek is. „Most, hogy elkészült az atlasz, sok olyan fehérjéről tudunk, amelyek potenciálisan relevánsak lehetnek a betegség szempontjából, és amelyeket tovább szeretnénk vizsgálni” – mondta Ghoochani.
Abu-Remaileh szerint más laboratóriumok is izgatottan várják ezt a lehetőséget, köszönhetően a weboldalnak, ahol a kutatók ötleteket meríthetnek az atlaszból. „Az emberek máris használják a módszerünket különböző sejttípusok betegségének vizsgálatára, és számos laboratórium követi Ali példáját, és sejttípus-specifikus munkát végez a lizoszómákkal kapcsolatos betegségmodelleken.”