Ny metode gør det muligt for videnskabsmænd at bestemme alle de molekyler, der er til stede i lysosomer hos mus

Små, men mægtige, lysosomer spiller en overraskende vigtig rolle i celler på trods af deres lille størrelse. Disse små sække udgør kun 1-3 % af cellen efter volumen og er cellens genbrugscentre, hjemsted for enzymer, der nedbryder unødvendige molekyler i små stykker, som derefter kan samles igen for at danne nye. Lysosomal dysfunktion kan føre til en række neurodegenerative eller andre sygdomme, men uden måder til bedre at studere det indre indhold af lysosomer, forbliver de nøjagtige molekyler, der er involveret i sygdomme - og derfor nye lægemidler til at målrette dem - uhåndgribelige.

En ny metode, rapporteret i Nature den 21. september, giver forskerne mulighed for at bestemme alle de molekyler, der er til stede i lysosomer af enhver celle i mus. At studere indholdet af disse molekylære genbrugscentre kan hjælpe forskere med at lære, hvordan den forkerte nedbrydning af cellulære materialer fører til visse sygdomme. Anført af Stanford University's Monther Abu-Remaileh, institutforsker ved Sarafan ChEM-H, lærte undersøgelsens team også mere om årsagen til en i øjeblikket ubehandlet neurodegenerativ sygdom kendt som Battens sygdom, information, der kunne føre til nye behandlinger.

"Lysosomer er fascinerende både fundamentalt og klinisk:de forsyner resten af ​​cellen med næringsstoffer, men vi ved ikke altid, hvordan og hvornår de forsyner dem, og det er de steder, hvor mange sygdomme, især dem, der påvirker hjernen, starter. ," sagde Abu-Remaileh, som er assisterende professor i kemiteknik og genetik.

Nogle proteiner, der normalt er placeret i lysosomer, er forbundet med en række sygdomme. Mutationer i de genetiske instruktioner til fremstilling af disse proteiner fører til disse "lysosomale lagringsforstyrrelser", som de under ét kaldes, men nogle af disse proteiners funktioner har længe undret videnskabsmænd. Oplysninger om, hvordan disse proteiner virker, kunne hjælpe videnskabsmænd med at udvikle bedre måder at diagnosticere, overvåge eller behandle disse sygdomme på.

Hvis videnskabsmænd ønsker at studere den rolle, et bestemt protein spiller i cellen, kan de enten blokere eller stimulere dets funktion og se, om visse molekyler dukker op eller forsvinder som reaktion. Men at studere indholdet af lysosomer er et skalaproblem. "Hvis der sker noget, og et molekyle vokser i overflod 200 gange i lysosomet, vil du kun se en fordobling, hvis du ser på hele cellen," sagde Nouf Laqtom, førsteforfatter på undersøgelsen. De afslørende resultater bliver begravet i støjen.

For at dæmpe støjen skulle forskerne adskille lysosomer fra alt andet i cellen. De havde tidligere udviklet en metode til at gøre netop det i celler dyrket i laboratorier, men de ønskede at udvikle en måde at gøre det samme i mus.

Fiske efter magneter

Det første skridt i deres søgen efter at isolere lysosomer var at lave en lille ændring i musenes gener for at installere et lille molekylært mærke på overfladen af ​​hvert lysosom i hele dyret. På et hvilket som helst tidspunkt, når de vil stoppe og tjekke molekylerne i muselysosomerne, som efter at have fastet eller fodret dem med en bestemt fødevare, tænder de mærket i de celler, de vil undersøge, og fjerner derefter vævet og kværner det forsigtigt. op for at bryde cellerne op uden at forstyrre lysosomerne indeni.

For at fiske lysosomer fra det cellulære slam er holdet afhængigt af magneter. Til deres opslæmning tilføjer de små magnetiske perler, der hver er dekoreret med molekylære klemmer, der griber fat i det lysosomale tag, de tidligere havde installeret. De kan selektivt indsamle alle lysosomerne ved hjælp af en anden magnet og derefter bryde lysosomerne fra hinanden for at afsløre de molekyler, der var blevet sikkert gemt inde. Massespektrometri, et sæt værktøjer, der bestemmer vægten af ​​forskellige molekyler i en blanding, hjælper derefter forskerne med at identificere individerne i deres lysosomale molekylære potpourri. De, der vokser eller falder, vil pege videnskabsmænd på bestemte veje eller funktioner.

Bortset fra det lille ekstra mærke på hvert lysosom, er disse "LysoTag"-mus ellers normale laboratoriemus. Nu kan næsten enhver forsker bruge disse mus til at studere lysosomers rolle i forskellige sygdomme.

"Disse mus er frit tilgængelige for alle i forskningssamfundet at bruge, og folk er allerede begyndt at bruge dem," sagde Abu-Remaileh. "Vi håber, at dette bliver guldstandarden."

Ved, hvor du skal lede

Holdet var ivrige efter at anvende deres metode til at studere lysosomer fundet i hjerneceller for bedre at forstå de neurodegenerative lysosomale lagringssygdomme, startende med CLN3-sygdom eller juvenil Batten-sygdom. "Vi ser virkelig dette som et af de mest presserende problemer, vi kan hjælpe med at løse," sagde Abu-Remaileh.

Forårsaget af en mutation i genet, der koder for et protein kaldet CLN3, er juvenil Batten-sygdom dødelig og fører til synstab, anfald og progressiv motorisk og mental forringelse hos børn og unge voksne. CLN3-proteinet findes på lysosomets membran, men ingen har nogensinde fastslået dets funktion i cellen, eller hvordan dets dysfunktion fører til de observerede symptomer.

Ved hjælp af deres LysoTag-mus samarbejdede forskerne med eksperter i både Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center og Whitehead Institute Metabolomics Core Facility og fandt en dramatisk stigning i mængden af ​​en slags molekyle kaldet en glycerophosphodiester, eller GPD for kort, i mus med CLN3-sygdomsmutationen. Disse GPD'er dannes midlertidigt under nedbrydningen af ​​de fede molekyler, der udgør membranerne i hver celle i vores krop.

I raske celler akkumuleres GPD'erne ikke i lysosomet; de bliver eksporteret til en anden del af cellen, hvor de derefter nedbrydes til mindre stykker. Forskerne mener nu, at CLN3-proteinet spiller en vigtig rolle i den eksport, enten ved direkte at skyde molekylerne ud eller ved at hjælpe et andet protein med at udføre det arbejde. De fandt GPD-molekyler i cerebral spinalvæske hos patienter med CLN3-sygdom, hvilket tyder på, at klinikere potentielt kunne overvåge GPD-niveauer for at måle succesen af ​​fremtidige behandlinger. Holdet er nu ved at bestemme, hvilke af GPD-molekylerne der kan være giftige, og hvordan de proteiner, der er involveret i fremstilling og eksport af GPD'er, kan målrettes med nye lægemidler. De anvender også deres metode til at se på andre sygdomme, der involverer mutationer i lysosomale gener, såsom Parkinsons sygdom.

"Du kan ikke udvikle nye måder at diagnosticere eller behandle sygdomme på, hvis du ikke ved, hvad der ændrer sig i lysosomerne," sagde Laqtom, en tidligere postdoktor i Abu-Remaileh-laboratoriet. "Denne metode hjælper dig med at sikre, at du kigger i den rigtige retning. Den peger dig ned ad den rigtige vej og forhindrer dig i at fare vild." + Udforsk yderligere

Molekylær tags afslører, hvordan beskadigede lysosomer udvælges og markeres til clearance