Interdyscyplinarny zespół badawczy opracował platformę odkrywczą mającą na celu zbadanie funkcji genów zaangażowanych w metabolizm – sumę wszystkich reakcji chemicznych podtrzymujących życie.

Badacze wykorzystali nową platformę, zwaną GeneMAP (Gene-Metabolite Association Prediction), aby zidentyfikować gen niezbędny do transportu choliny w mitochondriach. Zasób i uzyskane wyniki opublikowano 8 lipca w czasopiśmie Genetyka natury.

Chcieliśmy zgłębić fundamentalne pytanie: „W jaki sposób zmienność genetyczna determinuje naszą „indywidualność chemiczną” – odziedziczone różnice, które czynią nas biochemicznie wyjątkowymi?”

Eric Gamazon, doktor, adiunkt medycyny w Oddziale Medycyny Genetycznej w Centrum Medycznym Uniwersytetu Vanderbilt

Gamazon jest starszym współautorem i współautorem korespondencyjnym badania, wspólnie z dr. Kivançem Birsoyem z Rockefeller University.

Reakcje metaboliczne odgrywają kluczową rolę w absorpcji składników odżywczych, produkcji energii, usuwaniu odpadów i syntezie bloków budulcowych komórek, w tym białek, lipidów i kwasów nukleinowych. Około 20% genów kodujących białka jest dedykowanych metabolizmowi, w tym geny kodujące transportery małych cząsteczek i enzymy, powiedział Gamazon.

Nieprawidłowości w funkcjach metabolicznych wiążą się z szeregiem chorób, w tym chorobami neurodegeneracyjnymi i nowotworami.

„Pomimo dziesięcioleci badań, wiele genów metabolicznych nadal nie ma znanych substratów molekularnych. Wyzwanie wynika częściowo z ogromnej różnorodności strukturalnej i funkcjonalnej białek” – powiedział Gamazon.

Aby odkryć funkcje transporterów i enzymów „sierocych” – białek o nieznanych substratach -, badacze opracowali platformę odkryć GeneMAP. Wykorzystali zestawy danych z dwóch niezależnych, prowadzonych na dużą skalę badań asocjacji genomu/transkryptomu ludzkiego metabolomu i wykazali za pomocą walidacji in silico, że GeneMAP może identyfikować znane asocjacje gen-metabolit i odkrywać nowe. Ponadto wykazali, że sieci metaboliczne pochodzące z GeneMAP mogą być używane do wnioskowania o biochemicznej tożsamości niezidentyfikowanych metabolitów.

Aby eksperymentalnie zweryfikować nowe powiązania gen-metabolit, badacze wybrali swoje najlepsze odkrycie (SLC25A48-cholina) i przeprowadzili badania biochemiczne in vitro. SLC25A48 to transporter mitochondrialny, który nie miał zdefiniowanego substratu do transportu. Cholina jest niezbędnym składnikiem odżywczym stosowanym w wielu reakcjach metabolicznych i w syntezie lipidów błon komórkowych.

Naukowcy wykazali, że SLC25A48 jest genetycznym wyznacznikiem poziomu choliny w osoczu. Przeprowadzili także radioaktywne testy wychwytu choliny przez mitochondria i eksperymenty śledzenia izotopów, aby wykazać, że utrata SLC25A48 upośledza transport choliny przez mitochondria i syntezę metabolitu choliny, betainy.

Zbadali również konsekwencje związku między SLC25A48 a choliną na fenomen medyczny człowieka (objawy, cechy i choroby wymienione w elektronicznej dokumentacji medycznej) przy użyciu dużych biobanków (UK Biobank i BioVU). Zidentyfikowali osiem powiązań chorobowych.

„To, co jest ekscytujące w tym badaniu, to jego interdyscyplinarność – połączenie genomiki i metabolizmu w celu zidentyfikowania długo poszukiwanego transportera choliny mitochondrialnej” – powiedział Gamazon. „Uważamy, że biorąc pod uwagę rozległe badania walidacyjne in silico w niezależnych zestawach danych i eksperymentalne badania typu proof-of-principle, nasze podejście może pomóc zidentyfikować substraty szerokiej gamy enzymów i transporterów oraz „deorfanizować” te białka metaboliczne”.

Birsoy jest profesorem nadzwyczajnym Chapman-Perelman, kierownikiem Laboratory of Metabolic Regulation and Genetics na Rockefeller University oraz stypendystą Searle and Pew-Stewart. Współautorami badania są Artem Khan, Gokhan Unlu, PhD (który ukończył doktorat na Vanderbilt), Yuyang Liu, Ece Kilic i Timothy Kenny, PhD, na Rockefeller oraz Phillip Lin na VUMC.

Badania były finansowane przez Narodowe Instytuty Zdrowia (dotacje F99CA284249, F32DK127836, R01DK123323, R01HG011138, R01GM140287, R56AG068026, U24OD035523, R35HG010718), stypendium doktoranckie Boehringer Ingelheim Fonds oraz Fundację Badań nad Rakiem Damona Runyona.