Większość białek lokalizuje się w odrębnych kropelkach bogatych w białko w komórkach, znanych również jako „kondensaty komórkowe”. Takie białka zawierają cechy sekwencji, które działają jak etykiety adresowe, informując białko, do którego się kondensuje, aby się przemieściło. Gdy etykiety zostaną pomieszane, białka mogą znaleźć się w niewłaściwym kondensacie.

Zdaniem międzynarodowego zespołu badaczy zajmujących się medycyną kliniczną i biologią podstawową, może to być przyczyną wielu nierozwiązanych chorób. Odkrycia ukazały się w czasopiśmie Natura.

Pacjenci z zespołem BPTA mają charakterystycznie zniekształcone kończyny z krótkimi palcami u rąk i nóg, brak kości piszczelowych w nogach i zmniejszony rozmiar mózgu. Jak odkryli naukowcy, przyczyną BPTAS jest specjalna zmiana genetyczna, która powoduje migrację niezbędnego białka do jąderka, dużej białkowej kropli w jądrze komórkowym. W rezultacie funkcja kondensatu jąderkowego zostaje zahamowana i rozwija się choroba rozwojowa.

„To, co odkryliśmy w tej jednej chorobie, może odnosić się do wielu innych zaburzeń. Prawdopodobnie nie jest to rzadki jednorożec, który istnieje tylko raz. Po prostu do tej pory nie mogliśmy zobaczyć tego zjawiska, ponieważ nie wiedzieliśmy, jak go szukać” – mówi Denise Horn, genetyk kliniczny w Instytucie Genetyki Medycznej i Ludzkiej w Charité – Universitätsmedizin Berlin.

We współpracy z naukowcami z Instytutu Genetyki Molekularnej im. Maxa Plancka (MPIMG) w Berlinie, Szpitala Uniwersyteckiego w Szlezwiku-Holsztynie (UKSH) oraz współpracownikami z całego świata, zespół otwiera drzwi do nowych diagnoz, które mogą prowadzić do wyjaśnienie wielu innych chorób, jak również możliwych przyszłych terapii.

„Odkryliśmy nowy mechanizm, który może odgrywać rolę w wielu chorobach, w tym chorobach dziedzicznych i nowotworach” – mówi Denes Hnisz, kierownik grupy badawczej w MPIMG. „W rzeczywistości odkryliśmy ponad 600 podobnych mutacji, z których 101 jest związanych z różnymi zaburzeniami”.

„Właściwa praca dopiero się zaczyna”, dodaje genetyk ludzki Malte Spielmann z UKSH w Lubece i Kilonii. „Znajdziemy o wiele więcej genów z takimi chorobotwórczymi mutacjami i możemy teraz przetestować ich sposób działania”.

Niezwykła mutacja

Osoby dotknięte chorobą mają złożone i uderzające wady rozwojowe kończyn, twarzy oraz układu nerwowego i kostnego, tylko częściowo opisane przez już długą nazwę choroby „zespół brachyphalangy-polidactyly-tibial aplasia/hipoplasia” (BPTAS).

„Z mniej niż dziesięcioma udokumentowanymi przypadkami na całym świecie choroba ta jest nie tylko rzadka, ale także bardzo rzadka” – mówi Martin Mensah, genetyk kliniczny w Instytucie Genetyki Medycznej i Ludzkiej w Charité. Aby wyśledzić przyczynę, on i jego koledzy zdekodowali genom pięciu dotkniętych chorobą osób i odkryli, że gen białka HMGB1 został zmieniony u wszystkich pacjentów.

Białko to ma za zadanie organizowanie materiału genetycznego w jądrze komórkowym oraz ułatwia oddziaływanie innych cząsteczek z DNA, np. odczytywanie genów.

U myszy całkowita utrata genu na obu chromosomach jest katastrofalna i prowadzi do śmierci zarodka. Jednak u niektórych pacjentów ze zmutowaną tylko jedną kopią komórki wykorzystują nienaruszoną kopię na drugim chromosomie, co powoduje jedynie łagodne opóźnienie w rozwoju neurologicznym. Ale nowo odkryte przypadki nie pasowały do ​​tego schematu.

„Wszystkie pięć niespokrewnionych osób miało to samo ultrarzadkie zaburzenie i miało praktycznie tę samą mutację”, mówi Mensah, który jest członkiem programu Clinician Scientist Program prowadzonego przez Berliński Instytut Zdrowia w Charité (BIH) i Charité. „Dlatego jesteśmy pewni, że przyczyną choroby jest mutacja HMGB1. Jednak w tym momencie nie mieliśmy pojęcia, w jaki sposób produkt genu funkcjonalnie powodował chorobę, zwłaszcza biorąc pod uwagę, że mutacje powodujące utratę funkcji powodowały powstawanie innych fenotypów”.

Naładowane rozszerzenia białkowe

Bliższe spojrzenie ujawniło, że różne mutacje HMGB1 mają różne konsekwencje. Dane sekwencjonowania wykazały, że u osób dotkniętych poważnymi wadami rozwojowymi ramka odczytu dla ostatniej jednej trzeciej genu HMGB1 jest przesunięta.

Po translacji do białka odpowiedni region nie jest już wyposażony w ujemne, ale w dodatnio naładowane bloki budulcowe aminokwasów. Może się tak zdarzyć, jeśli w sekwencji brakuje pewnej liczby liter genetycznych niepodzielnych przez trzy, ponieważ dokładnie trzy kolejne litery zawsze kodują jeden blok budulcowy białka.

Jednak część ogonowa białka nie ma określonej struktury. Zamiast tego ta sekcja zwisa z cząsteczki jak luźna gumka. Cele takich ogonów białkowych (zwanych także „wewnętrznie nieuporządkowanymi regionami”) są trudne do zbadania, ponieważ często stają się skuteczne tylko w połączeniu z innymi cząsteczkami. Jak więc ich mutacja może doprowadzić do obserwowanej choroby?

Kropelki białka w komórce

Aby odpowiedzieć na to pytanie, badacze medyczni zwrócili się do biochemików Denesa Hnisza i Henri Niskanena z MPIMG, którzy pracują z kondensatami komórkowymi kontrolującymi ważne geny. Te przypominające kropelki struktury zachowują się podobnie jak kropelki oleju i octu w sosie sałatkowym. Złożone z dużej liczby różnych cząsteczek, są oddzielone od otoczenia i mogą ulegać dynamicznym zmianom.

„Uważamy, że kondensaty powstają w ogniwie z powodów praktycznych” — wyjaśnia Niskanen. Cząsteczki do określonego zadania są grupowane razem w ten sposób, powiedzmy, aby odczytać gen. Mówi, że tylko do tego zadania kilkaset białek musi jakoś przedostać się we właściwe miejsce.

„Uważa się, że regiony wewnętrznie nieuporządkowane, które zwykle nie odgrywają oczywistej roli biochemicznej, są odpowiedzialne za tworzenie kondensatów”, mówi Niskanen, podając przykład opisujący, jak ważne są w tym względzie właściwości fizyczne rozszerzeń białkowych. „Mogę z łatwością zrobić piłkę z wielu luźnych gumek, które stosunkowo ciasno się trzymają i którą można rozłożyć przy niewielkim wysiłku. Z drugiej strony kulka gładkiej żyłki wędkarskiej lub taśmy klejącej zachowywałaby się zupełnie inaczej”.

Zestalające się kropelki

Jąderko w jądrze komórkowym jest również kondensatem, który pod mikroskopem pojawia się jako rozproszona ciemna plamka. W tym miejscu lubi przebywać wiele białek z dodatnio naładowanymi ogonami. Wiele z nich zapewnia maszynerię wymaganą do syntezy białek, co czyni ten kondensat niezbędnym dla funkcji komórkowych.

Zmutowane białko HMGB1 z dodatnio naładowanym ogonem molekularnym jest również przyciągane do jąderka, jak zaobserwował zespół w eksperymentach z izolowanym białkiem i hodowlami komórkowymi.

Ale ponieważ zmutowany region białkowy zyskał również tłustą, lepką część, ma tendencję do zbrylania się. Jąderko traci swoje płynne właściwości i coraz bardziej krzepnie, co Niskanen mógł zaobserwować pod mikroskopem. Upośledziło to funkcje życiowe komórek – w przypadku zmutowanego białka więcej komórek w hodowli obumarło w porównaniu z kulturą komórek bez mutacji.

Przeczesywanie baz danych

Następnie zespół badawczy przeszukał bazy danych danych genomowych od tysięcy osób w poszukiwaniu podobnych incydentów. W rzeczywistości naukowcom udało się zidentyfikować ponad sześćset podobnych mutacji w 66 białkach, w których ramka odczytu została przesunięta przez mutację ogona białkowego, czyniąc go zarówno bardziej naładowanym dodatnio, jak i bardziej „tłustym”. Spośród mutacji 101 było wcześniej powiązanych z kilkoma różnymi zaburzeniami.

Do testu hodowli komórkowej zespół wybrał 13 zmutowanych genów. W 12 z 13 przypadków zmutowane białka preferowały lokalizację w jąderku. Około połowa badanych białek upośledzała funkcję jąderka, przypominając mechanizm chorobowy zespołu BPTA.

Nowe wyjaśnienia istniejących chorób

„W przypadku badań klinicznych nasze badanie może otworzyć oczy” — mówi Malte Spielmann, który kierował badaniami wraz z Denesem Hniszem i Denise Horn. „W przyszłości z pewnością możemy wyjaśnić przyczyny niektórych chorób genetycznych i miejmy nadzieję, że pewnego dnia je wyleczymy”.

Jednak „wrodzone choroby genetyczne, takie jak BPTAS, są prawie niemożliwe do wyleczenia nawet przy naszej nowej wiedzy”, mówi Horn. „Ponieważ wady rozwojowe rozwijają się już w łonie matki, zanim się rozwiną, musiałyby być leczone lekami. Byłoby to bardzo trudne do wykonania”.

Ale choroby nowotworowe są również w dużej mierze uwarunkowane genetycznie, dodaje Hnisz: „Kondensaty komórkowe i związana z nimi separacja faz to podstawowy mechanizm komórki, który odgrywa również rolę w raku. Szanse na opracowanie ukierunkowanych terapii w tym przypadku są znacznie większe”.

Odniesienie: Mensah MA, Niskanen H, Magalhaes AP i in. Nieprawidłowa separacja faz i dysfunkcja jąderka w rzadkich chorobach genetycznych. Natura. 2023. doi: 10.1038/s41586-022-05682-1.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następujących materiałów. Uwaga: materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.