Klein maar krachtig, lysosomen spelen een verrassend belangrijke rol in cellen, ondanks hun geringe grootte. Deze kleine zakjes, die slechts 1-3% van de cel in volume uitmaken, zijn de recyclingcentra van de cel, de thuisbasis van enzymen die onnodige moleculen afbreken in kleine stukjes die vervolgens opnieuw kunnen worden samengevoegd om nieuwe te vormen. Lysosomale disfunctie kan leiden tot een verscheidenheid aan neurodegeneratieve of andere ziekten, maar zonder manieren om de innerlijke inhoud van lysosomen beter te bestuderen, blijven de exacte moleculen die betrokken zijn bij ziekten - en dus nieuwe medicijnen om ze aan te pakken - ongrijpbaar.

Een nieuwe methode, gerapporteerd in Nature op 21 september kunnen wetenschappers alle moleculen bepalen die aanwezig zijn in de lysosomen van elke cel bij muizen. Door de inhoud van deze moleculaire recyclingcentra te bestuderen, kunnen onderzoekers leren hoe de onjuiste afbraak van cellulaire materialen tot bepaalde ziekten leidt. Onder leiding van Monther Abu-Remaileh van Stanford University, instituutswetenschapper aan Sarafan ChEM-H, leerde het team van het onderzoek ook meer over de oorzaak van een momenteel onbehandelbare neurodegeneratieve ziekte die bekend staat als de ziekte van Batten, informatie die zou kunnen leiden tot nieuwe therapieën.

"Lysosomen zijn zowel fundamenteel als klinisch fascinerend:ze voorzien de rest van de cel van voedingsstoffen, maar we weten niet altijd hoe en wanneer ze ze leveren, en het zijn de plaatsen waar veel ziekten, vooral die welke de hersenen aantasten, beginnen ', zei Abu-Remaileh, een assistent-professor chemische technologie en genetica.

Sommige eiwitten die zich gewoonlijk in lysosomen bevinden, zijn gekoppeld aan een aantal ziekten. Mutaties in de genetische instructies voor het maken van die eiwitten leiden tot deze 'lysosomale stapelingsstoornissen', zoals ze gezamenlijk worden genoemd, maar de functies van sommige van deze eiwitten hebben wetenschappers lang in verwarring gebracht. Informatie over hoe deze eiwitten werken, kan wetenschappers helpen betere manieren te ontwikkelen om deze ziekten te diagnosticeren, te monitoren of te behandelen.

Als wetenschappers de rol willen bestuderen die een bepaald eiwit in de cel speelt, kunnen ze de functie ervan blokkeren of stimuleren en kijken of bepaalde moleculen als reactie verschijnen of verdwijnen. Maar het bestuderen van de inhoud van lysosomen is een schaalprobleem. "Als er iets gebeurt en een molecuul groeit 200-voudig in overvloed in het lysosoom, dan zou je slechts een tweevoudige toename zien als je naar de hele cel kijkt", zegt Nouf Laqtom, eerste auteur van het onderzoek. De onthullende resultaten worden begraven in het lawaai.

Om het geluid te dempen, zouden de onderzoekers lysosomen moeten scheiden van al het andere in de cel. Ze hadden eerder een methode ontwikkeld om precies dat te doen in cellen die in laboratoria waren gekweekt, maar ze wilden een manier ontwikkelen om hetzelfde te doen bij muizen.

Vissen naar magneten

De eerste stap in hun zoektocht om lysosomen te isoleren, was het aanbrengen van een kleine verandering in de genen van de muizen om een ​​kleine moleculaire tag op het oppervlak van elk lysosoom in het hele dier te installeren. Op elk moment dat ze willen stoppen en de moleculen in de lysosomen van de muis willen controleren, zoals na het vasten of het voeren van een specifiek voedsel, zetten ze de tag in de cellen die ze willen onderzoeken aan en verwijderen dan het weefsel en malen het voorzichtig. omhoog om de cellen open te breken zonder de lysosomen binnenin te verstoren.

Om lysosomen uit het cellulaire slib te vissen, vertrouwt het team op magneten. Aan hun slurry voegen ze kleine magnetische kralen toe die elk zijn versierd met moleculaire klemmen die de lysosomale tag vastgrijpen die ze eerder hadden geïnstalleerd. Ze kunnen selectief alle lysosomen verzamelen met behulp van een tweede magneet en vervolgens de lysosomen uit elkaar halen om de moleculen te onthullen die veilig erin waren weggestopt. Massaspectrometrie, een set hulpmiddelen die het gewicht van verschillende moleculen in een mengsel bepaalt, helpt de onderzoekers vervolgens om de individuen in hun lysosomale moleculaire potpourri te identificeren. Degenen die groeien of afnemen, wijzen wetenschappers op bepaalde paden of functies.

Afgezien van de kleine extra tag op elk lysosoom, zijn deze "LysoTag"-muizen verder normale laboratoriummuizen. Nu kan bijna elke onderzoeker deze muizen gebruiken om de rol van lysosomen bij verschillende ziekten te bestuderen.

"Deze muizen zijn vrij beschikbaar voor iedereen in de onderzoeksgemeenschap en mensen beginnen ze al te gebruiken", zei Abu-Remaileh. "We hopen dat dit de gouden standaard wordt."

Weten waar je moet kijken

Het team wilde graag hun methode toepassen om de lysosomen in hersencellen te bestuderen om de neurodegeneratieve lysosomale stapelingsziekten beter te begrijpen, te beginnen met de CLN3-ziekte of de juveniele Batten-ziekte. "We zien dit echt als een van de meest urgente problemen die we kunnen helpen oplossen", zei Abu-Remaileh.

Veroorzaakt door een mutatie in het gen dat codeert voor een eiwit genaamd CLN3, is de juveniele ziekte van Batten dodelijk en leidt het tot verlies van gezichtsvermogen, toevallen en progressieve motorische en mentale achteruitgang bij kinderen en jonge volwassenen. Het CLN3-eiwit wordt gevonden op het membraan van het lysosoom, maar niemand heeft ooit zijn functie in de cel vastgesteld of hoe zijn disfunctie tot de waargenomen symptomen leidt.

Met behulp van hun LysoTag-muizen werkten de onderzoekers samen met experts in zowel het Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center als de Whitehead Institute Metabolomics Core Facility en vonden een dramatische toename in de hoeveelheid van een soort molecuul genaamd glycerofosfodiester, of kortweg GPD, in muizen met de CLN3-ziektemutatie. Deze GPD's worden tijdelijk gevormd tijdens de afbraak van de vetmoleculen die de membranen van elke cel in ons lichaam vormen.

In gezonde cellen hopen de GPD's zich niet op in het lysosoom; ze worden geëxporteerd naar een ander deel van de cel, waar ze vervolgens worden afgebroken tot kleinere stukjes. De onderzoekers denken nu dat het CLN3-eiwit een belangrijke rol speelt bij die export, hetzij door de moleculen direct naar buiten te brengen, hetzij door een ander eiwit te helpen dat werk te doen. Ze vonden GPD-moleculen in het hersenvocht van patiënten met CLN3-ziekte, wat suggereert dat clinici mogelijk GPD-niveaus zouden kunnen volgen om het succes van toekomstige behandelingen te meten. Het team bepaalt nu welke van de GPD-moleculen giftig kunnen zijn en hoe de eiwitten die betrokken zijn bij het maken en exporteren van GPD's met nieuwe medicijnen kunnen worden aangepakt. Ze passen hun methode ook toe om te kijken naar andere ziekten waarbij mutaties in lysosomale genen betrokken zijn, zoals de ziekte van Parkinson.

"Je kunt geen nieuwe manieren ontwikkelen om ziekten te diagnosticeren of te behandelen als je niet weet wat er in de lysosomen verandert", zegt Laqtom, een voormalig postdoctoraal wetenschapper in het Abu-Remaileh-lab. "Deze methode helpt je ervoor te zorgen dat je in de goede richting kijkt. Het wijst je op het juiste pad en zorgt ervoor dat je niet verdwaalt." + Verder verkennen

Moleculaire tags onthullen hoe beschadigde lysosomen worden geselecteerd en gemarkeerd voor verwijdering