Genetische Wurzeln von drei mitochondrialen Erkrankungen, die durch einen neuen Ansatz identifiziert wurden

Wenn in den Mitochondrien, den winzigen Organellen, die die Zellen antreiben, etwas schief geht, kann dies eine verwirrende Vielfalt von Symptomen wie schlechtes Wachstum, Müdigkeit und Schwäche, Krampfanfälle, Entwicklungs- und kognitive Behinderungen sowie Sehprobleme verursachen. Der Schuldige könnte ein Defekt in einem der etwa 1.300 Proteine ​​sein, aus denen Mitochondrien bestehen, aber Wissenschaftler haben sehr wenig Ahnung, was viele dieser Proteine ​​tun, was es schwierig macht, das fehlerhafte Protein zu identifizieren und den Zustand zu behandeln.

Forscher der Washington University School of Medicine in St. Louis und der University of Wisconsin-Madison analysierten systematisch Dutzende von mitochondrialen Proteinen unbekannter Funktion und schlugen Funktionen für viele von ihnen vor. Ausgehend von diesen Daten identifizierten sie die genetischen Ursachen von drei mitochondrialen Erkrankungen und schlugen weitere 20 Möglichkeiten für weitere Untersuchungen vor. Die Ergebnisse, veröffentlicht am 25. Mai in Naturweisen darauf hin, dass das Verständnis, wie Hunderte von Proteinen der Mitochondrien zusammenarbeiten, um Energie zu erzeugen und die anderen Funktionen der Organellen auszuführen, ein vielversprechender Weg sein könnte, um bessere Wege zur Diagnose und Behandlung solcher Erkrankungen zu finden.

„Wir haben eine Teileliste für Mitochondrien, aber wir wissen nicht, was viele der Teile tun“, sagte Co-Senior-Autor David J. Pagliarini, Ph.D., der Hugo F. und Ina C. Urbauer Professor und a BJC-Ermittler an der Washington University. „Es ist ähnlich, als hättest du ein Problem mit deinem Auto und bringst es zu einem Mechaniker, und beim Öffnen der Motorhaube sagten sie: ‚Wir haben noch nie die Hälfte dieser Teile gesehen.‘ Sie wüssten nicht, wie sie das beheben könnten. Diese Studie ist ein Versuch, die Funktionen so vieler dieser mitochondrialen Teile wie möglich zu definieren, damit wir besser verstehen, was passiert, wenn sie nicht funktionieren, und letztendlich ein besseres Chance, Therapeutika zu entwickeln, um diese Probleme zu beheben.“

Mitochondriale Erkrankungen sind eine Gruppe seltener genetischer Erkrankungen, die insgesamt einen von 4.300 Menschen betreffen. Da Mitochondrien fast alle Zellen mit Energie versorgen, können Menschen mit Defekten in ihren Mitochondrien Symptome in jedem Teil des Körpers haben, obwohl die Symptome in der Regel in den Geweben am ausgeprägtesten sind, die die meiste Energie benötigen, wie Herz, Gehirn und Muskeln .

Um besser zu verstehen, wie Mitochondrien funktionieren, hat sich Pagliarini mit Kollegen zusammengetan, darunter Co-Seniorautor Joshua J. Coon, Ph.D., ein UW-Madison-Professor für biomolekulare Chemie und Chemie und Forscher am Morgridge Institute for Research; und Co-Erstautoren Jarred W. Rensvold, Ph.D., ein ehemaliger wissenschaftlicher Mitarbeiter in Pagliarinis Labor, und Evgenia Shishkova, Ph.D., eine wissenschaftliche Mitarbeiterin in Coons Labor, um die Funktionen so vieler mitochondrialer Proteine ​​wie möglich zu identifizieren .

Die Forscher nutzten die CRISPR-Cas9-Technologie, um einzelne Gene aus einer menschlichen Zelllinie zu entfernen. Das Verfahren erzeugte eine Reihe verwandter Zelllinien, die jeweils von derselben ursprünglichen Zelllinie abstammen, jedoch mit einem einzelnen gelöschten Gen. Die fehlenden Gene kodierten für 50 mitochondriale Proteine ​​mit unbekannter Funktion und 66 mitochondriale Proteine ​​mit bekannter Funktion.

Dann untersuchten sie jede Zelllinie auf Hinweise darauf, welche Rolle jedes fehlende Gen normalerweise spielt, damit die Mitochondrien ordnungsgemäß funktionieren. Die Forscher überwachten die Wachstumsraten der Zellen und quantifizierten die Werte von 8.433 Proteinen, 3.563 Lipiden und 218 Metaboliten für jede Zelllinie. Sie nutzten die Daten, um die MITOMICS-App (mitochondrial orphan protein multi-omics CRISPR screen) zu erstellen und sie mit Werkzeugen auszustatten, um die biologischen Prozesse zu analysieren und zu identifizieren, die ins Stocken gerieten, wenn ein bestimmtes Protein fehlte.

Nach Validierung des Ansatzes mit mitochondrialen Proteinen bekannter Funktion schlugen die Forscher mögliche biologische Rollen für viele mitochondriale Proteine ​​unbekannter Funktion vor. Mit weiteren Untersuchungen konnten sie drei Proteine ​​​​mit drei verschiedenen mitochondrialen Zuständen in Verbindung bringen.

„Es ist sehr aufregend zu sehen, wie unsere Massenspektrometrie-Technologieplattform Daten in diesem Umfang generieren kann, aber noch wichtiger, Daten, die uns direkt helfen können, menschliche Krankheiten zu verstehen“, sagte Coon.

Eine Bedingung ist eine multisystemische Störung, die durch Defekte im Hauptenergieerzeugungsweg verursacht wird. Co-Autor Robert Taylor, Ph.D., DSc, Professor für mitochondriale Pathologie an der Newcastle University in Newcastle-upon-Tyne, Großbritannien, identifizierte einen Patienten mit deutlichen Anzeichen der Störung, aber ohne Mutationen in den üblichen verdächtigen Genen. Die Forscher identifizierten ein neues Gen im Signalweg und zeigten, dass der Patient eine Mutation darin trug.

Unabhängig davon stellten Pagliarini und Kollegen fest, dass die Störung eines Gens, RAB5IF, ein Protein eliminierte, das von einem anderen Gen, TMCO1, kodiert wurde, das mit zerebrofaciothorakaler Dysplasie in Verbindung gebracht wurde. Der Zustand ist durch ausgeprägte Gesichtszüge und eine schwere geistige Behinderung gekennzeichnet. In Zusammenarbeit mit Co-Autor Nurten Akarsu, Ph.D., Professor für Humangenetik an der Hacettepe-Universität in Ankara, Türkei, zeigten die Forscher, dass eine Mutation in RAB5IF für einen Fall von zerebrofaziothorakaler Dysplasie und zwei Fälle von Lippenspalten verantwortlich war eine türkische Familie.

Ein drittes Gen führte, wenn es gestört wurde, zu Problemen mit der Zuckerspeicherung, was zu einem tödlichen autoinflammatorischen Syndrom beitrug. Daten zu diesem Syndrom wurden letztes Jahr in einem Artikel unter der Leitung von Bruno Reversade, Ph.D., von A*STAR, Singapurs Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung, veröffentlicht.

„Wir haben uns hauptsächlich auf die drei Zustände konzentriert, aber wir haben Daten gefunden, die etwa 20 andere Proteine ​​mit biologischen Wegen oder Prozessen in Verbindung bringen“, sagte Pagliarini, Professor für Zellbiologie und Physiologie, Biochemie und molekulare Biophysik und Genetik. „Wir können nicht 20 Geschichten in einer Zeitung nachjagen, aber wir haben Hypothesen aufgestellt und sie für uns und andere zum Testen veröffentlicht.“

Um die wissenschaftliche Entdeckung zu unterstützen, haben Pagliarini, Coon und Kollegen die MITOMICS-App der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Sie haben mehrere benutzerfreundliche Analysetools eingebaut, sodass jeder nach Mustern suchen und Diagramme erstellen kann, indem er einfach herumklickt. Alle Daten können für eine erweiterte Analyse heruntergeladen werden.

„Die Hoffnung ist, dass dieser große Datensatz einer von vielen auf diesem Gebiet wird, die uns gemeinsam dabei helfen, bessere Biomarker und Diagnostika für mitochondriale Erkrankungen zu entwickeln“, sagte Pagliarini. „Jedes Mal, wenn wir eine Funktion eines neuen Proteins entdecken, gibt uns das eine neue Möglichkeit, einen Signalweg therapeutisch anzugehen. Unser langfristiges Ziel ist es, die Mitochondrien so tiefgehend zu verstehen, dass wir therapeutisch eingreifen können, was wir noch nicht können .“