Badania prowadzone przez Stanford Medicine wykazały, że mutacje w kompleksie zwijającym białka są powiązane z zaburzeniami rozwojowymi charakteryzującymi się drgawkami i niepełnosprawnością intelektualną.
W 1992 roku dr Judith Frydman odkryła kompleks molekularny, który ma zasadnicze znaczenie we wszystkich naszych komórkach: prawidłowe zwijanie białek.
Kompleks, rodzaj „białka opiekuńczego” znanego jako TRiC, pomaga w fałdowaniu tysięcy ludzkich białek: później odkryto, że około 10% wszystkich naszych białek przechodzi przez jego beczkowatą strukturę.
Wszystkie zwierzęta mają kilka różnych rodzajów białek opiekuńczych, z których każdy ma swoje własne zadanie polegające na pomaganiu w fałdowaniu białek w komórce. TRiC wiąże się z nowonarodzonymi białkami i kształtuje te ciągi aminokwasy w odpowiednie struktury 3D, umożliwiając im pełnienie ważnych funkcji w komórce.
Frydman, katedra Donalda Kennedy’ego w Szkole Nauk Humanistycznych i Naukowych oraz profesor biologii i genetyki, podczas niedawnego urlopu naukowego w Niemczech spotkał Ingo Kurtha, lekarza medycyny, pediatrę na Uniwersytecie RWTH w Aachen, który przedstawił jej interesującą zagadkę. Trzy dekady po odkryciu Frydmana i wielu dalszych wglądach w mechanizm TRiC później, pediatra odkrył mutację w jednym ze składników TRiC u dziecka z niepełnosprawnością intelektualną, drgawkami i wadami rozwojowymi mózgu.
Czy mutacja TRiC może być odpowiedzialna za objawy u dziecka? Chociaż dysfunkcje w kompleksie są powiązane z rakiem i Alzheimera choroby, mutacje linii zarodkowej – mutacje obecne we wszystkich komórkach organizmu – w TRiC nigdy nie były powiązane z chorobą rozwojową. Ponieważ białka muszą być prawidłowo zwinięte, aby prawidłowo funkcjonować, a TRiC bierze udział w kształtowaniu tak wielu białek, naukowcy założyli, że jakakolwiek mutacja zmieniająca zdolność TRiC do zwijania białek będzie śmiertelna.
Aby dowiedzieć się więcej, Frydman i jej zespół laboratoryjny nawiązali współpracę z badaczami z Uniwersytetu RWTH w Aachen. Wraz ze współpracownikami z Washington University School of Medicine w St. Louis w stanie Missouri zespół zbadał, w jaki sposób mutacja tego pacjenta, występująca w genie znanym jako CCT3, wpływa na funkcję TRiC u nicieni, drożdży piekarskich i danio pręgowanego. W międzyczasie pediatrzy przeszukali genetyczną bazę danych pacjentów z niepełnosprawnością intelektualną i wadami neurorozwojowymi podobnymi do tych, które występował u pierwotnego pacjenta. Znaleźli 21 kolejnych przypadków pacjentów z podobnymi objawami, choć o różnym nasileniu, z mutacjami w 7 z 8 składników TRiC. Laboratorium Frydmana wykazało, że wszystkie dodatkowe 21 mutacji upośledzają funkcję TRiC, przyczynowo łącząc defekty TRiC z zaburzeniami mózgu.
Nowa klasa chorób
Naukowcy nazwali tę nową klasę chorób neurologicznych „TRiCopathies” i opisali swoje odkrycia w artykule opublikowanym niedawno w czasopiśmie Nauka. Od tego czasu zespół znalazł dodatkowego pacjenta z mutacjami w ósmej podjednostce TRiC.
„To otwiera zupełnie nowy sposób myślenia o roli białek opiekuńczych w rozwoju mózgu” – powiedział Frydman, jeden ze starszych autorów badania.
Wszyscy pacjenci zidentyfikowani przez naukowców mają oprócz wersji zmutowanej jedną zdrową kopię genu kompleksu TRiC. Jest to zgodne ze znaczeniem opiekuna – dwie zmutowane kopie któregokolwiek z tych genów prawdopodobnie byłyby śmiertelne. Chociaż niektórzy pacjenci mają również niedobory mięśni, interesujące jest, że pierwotny efekt tych mutacji wydaje się mieć charakter neurologiczny, powiedział Frydman. Może to wskazywać na ponadprzeciętną rolę tego opiekuna w rozwoju mózgu.
Przez lata jej laboratorium opracowało metody badania kompleksu w komórkach drożdży, a także izolacji w probówkach. Naukowiec Piere Rodriguez-Aliaga, współautor badania, dokonał mutacji w drożdżowych wersjach genów TRiC, które odpowiadały 22 ludzkim mutacjom związanym z chorobą. Odkrył, że niektóre z tych mutacji prowadziły do śmierci komórek, ale inne nie, co wskazuje, że różne mutacje mają różne skutki w zależności od lokalizacji tych mutacji w obrębie kompleksu TRiC, co może wyjaśniać różnorodność objawów obserwowanych u pacjentów.
Inni badacze biorący udział w tej współpracy dokonali podobnych mutacji u glisty i danio pręgowanego, aby zbadać, jak mutacje wpływają na zwierzęta wielokomórkowe, a w przypadku danio pręgowanego na rozwój mózgu.
W przypadku wszystkich trzech organizmów naukowcy odkryli, że posiadanie jedynie zmutowanej wersji CCT3, genu TRiC, było śmiertelne. U robaków i danio pręgowanego, które podobnie jak my mają po dwie kopie wszystkich swoich genów, przeżyły zwierzęta z jedną kopią zmutowaną i jedną zdrową, ale wersja zmutowana powodowała problemy rozwojowe. Danio pręgowany z jedną mutacją CCT3 wykazywał defekty w rozwoju mózgu podobne do tych obserwowanych u ludzi, a robaki ze zmutowanym genem miały problemy z poruszaniem się.
Nieprawidłowe fałdowanie białek i skutki neurologiczne
Chociaż nie jest jasne, które nieprawidłowo sfałdowane białko lub białka mogą powodować objawy neurologiczne, badacze podejrzewają, że w grę wchodzą białka strukturalne, takie jak aktyna i tubulina. Białka te są ważne dla ruchu komórek i stabilności wewnętrznej i wiadomo, że są fałdowane przez TRiC. Robaki niosące mutacje TRiC miały maleńkie agregaty aktyny, których nie ma u zdrowych zwierząt, co często zdarza się w przypadku nieprawidłowo sfałdowanych białek. Uszkodzone zostały również organelle niezbędne do wytwarzania energii zwane mitochondriami, które są kluczowe dla funkcjonowania neuronów.
Frydman i Rodriguez-Aliaga planują bardziej szczegółowo zbadać mechanizm mutacji związanych z chorobą, badając, jak wpływają one na zdolność TRiC do zwijania białek, korzystając z metod opracowanych w swoim laboratorium do badania zwijania białek. Chcą także wykorzystać komórki pochodzące od pacjentów, z których mogą wyhodować w laboratorium neurony lub organoidy mózgowe, aby sprawdzić, jak mutacje wpływają na ludzkie komórki mózgowe.
„Ta praca jest dobrym przykładem połączenia nauk podstawowych z medycyną” – stwierdziła Rodriguez-Aliaga. „Badanie nie byłoby możliwe, gdyby nie te wszystkie lata biochemii i biofizyki prowadzone w TRiC od 1992 roku.”
Odniesienie: „Wady rozwojowe mózgu i drgawki spowodowane upośledzoną funkcją chaperoniny TRiC” Florian Kraft, Piere Rodriguez-Aliaga, Weimin Yuan, Lena Franken, Kamil Zajt, Dimah Hasan, Ting-Ting Lee, Elisabetta Flex, Andreas Hentschel, A. Micheil Innes , Bixia Zheng, Dong Sun Julia Suh, Cordula Knopp, Eva Lausberg, Jeremias Krause, Xiaomeng Zhang, Pamela Trapane, Riley Carroll, Martin McClatchey, Andrew E. Fry, Lisa Wang, Sebastian Giesselmann, Hieu Hoang, Dustin Baldridge, Gary A. Silverman, Francesca Clementina Radio, Enrico Bertini, Andrea Ciolfi, Katherine A Blood , Jean-Madeleine de Sainte Agathe, Perrine Charles, Gaber Bergant, Goran Čuturilo, Borut Peterlin, Karin Diderich, Haley Streff, Laurie Robak, Renske Oegema, Ellen van Binsbergen, John Herriges, Carol J. Saunders, Andrea Maier, Stefan Wolking, Yvonne Weber, Hanns Lochmüller, Stefanie Meyer, Alberto Aleman, Kiran Polavarapu, Gael Nicolas, Alice Goldenberg, Lucie Guyant, Kathleen Papież, Katherine N. Hehmeyer, Kristin G. Monaghan, Annegret Quade, Thomas Smol, Roseline Caumes, Sarah Duerinckx, Chantal Depondt, Wim Van Paesschen, Claudine Rieubland, Claudia Poloni, Michel Guipponi, Severine Arcioni, Marije Meuwissen, Anna C. Jansen , Jessica Rosenblum, Tobias B. Haack, Miriam Bertrand, Lea Gerstner, Janine Magg, Olaf Riess, Jörg B. Schulz, Norbert Wagner, Martin Wiesmann, Joachim Weis, Thomas Eggermann, Matthias Begemann, Andreas Roos, Martin Häusler, Tim Schedl, Marco Tartaglia, Juliane Bremer, Stephen C. Pak, Judith Frydman, Miriam Elbracht i Ingo Kurth, 31 październik 2024, Nauka.
DOI: 10.1126/science.adp8721
