Около 30 лет назад д-р Ричард Сайферс отправился в путешествие, чтобы выяснить, почему у людей с редким заболеванием, известным как дефицит альфа-1-антитрипсина (ААТ), тяжесть заболевания печени сильно различается. Его путешествие привело его к открытию фундаментальных основ этого состояния и, неожиданно, к открытию нового клеточного механизма избавления от неправильно свернутых белков. Последнее имеет значение не только для дефицита ААТ, но и для других более распространенных состояний, связанных с накоплением дефектных белков, включая неврологические расстройства, такие как болезнь Альцгеймера.
Дефицит ААТ может развиться у людей, которые являются носителями гена ААТ с мутацией, называемой Z.
Я начал изучать дефицит ААТ, потому что был заинтригован широким диапазоном тяжести состояния. У некоторых людей, несущих две копии мутации Z, в конце жизни развилось заболевание легких, а у некоторых развилось заболевание печени. Интересно, что это состояние также может проявиться в очень раннем возрасте. У некоторых новорожденных и младенцев развилось тяжелое заболевание печени, и им для жизни требовалась трансплантация», - сказал Сайферс, профессор патологии и иммунологии и член Комплексного онкологического центра Дэна Л. Дункана в Бейлорском колледже. Медицина.
Другие группы показали, что примерно 1 из 1 700 человек является носителем двух копий гена AAT-Z. Однако только около 17 процентов этих новорожденных с AAT-Z имели клинически значимое заболевание печени, и менее 3 процентов из них прогрессировали до опасной для жизни терминальной стадии заболевания в младенчестве.
Одним из первых вкладов Сайферса была помощь в разработке первого скринингового теста для определения того, подвержен ли новорожденный риску развития тяжелой болезни печени.
«Разработка метода скрининга позволила мне понять, что я могу сказать, подвергается ли ребенок высокому риску заболевания печени, но все еще не знаю, что вызывает это заболевание», - сказал Сайферс.
Понимание дефицита ААТ
AAT - это белок, вырабатываемый печенью и транспортируемый через кровь в легкие, где он защищает их от повреждений, вызванных другими ферментами, расщепляющими белки в легких. Мутация Z продуцирует дефектный белок AAT, который не может складываться в подходящую трехмерную конформацию. Неправильно свернутые белки AAT-Z не могут покинуть печень, поэтому они не попадают в легкие, чтобы защитить их от разрушения. Это может привести к повреждению легких, что приведет к эмфиземе и другим заболеваниям легких.
«Изучая заболевание, я заметил, что AAT-Z, который должен высвобождаться из печени, на самом деле накапливается», - сказал Сайферс. «Это говорит о том, что механизм естественной утилизации клетки может не работать».
Сайферс и другие исследователи глубже изучили, как клетки утилизируют неправильно свернутые белки. Они обнаружили, что клетки перемещают дефектные белки из места их синтеза, эндоплазматического ретикулума (ЭР), в цитозоль, где они деградируют в клеточной структуре, называемой протеасомой. Ключом к этому процессу является пометка белков для уничтожения.
"В частности, мы обнаружили, что человеческий фермент маннозидаза Man1b1 действует как фактор контроля качества, который опосредует удаление сахарной маннозы из неправильно свернутых белков AAT-Z, способствуя их деградации."
Модель дефицита ААТ использовалась многими другими исследователями, изучающими состояния, также связанные с токсическим накоплением неправильно свернутых белков в клетках, которые в целом называются конформационными заболеваниями. Этот подход ускорил понимание основных причин этих состояний, предлагая новые возможности для потенциальных методов лечения.
Взаимосвязь Man1b1 и заболевания печени, связанного с дефицитом ААТ, у младенцев
Хотя исследователи знали, что повреждение печени, связанное с дефицитом ААТ, было связано с накоплением в печени неправильно свернутых белков ААТ-Z, до сих пор не было объяснения тяжелого заболевания печени у младенцев.
В статье 2009 года Сайферс и его коллеги исследовали образцы ткани печени неродственных младенцев или детей старше 2 лет, перенесших трансплантацию печени по поводу терминальной стадии заболевания печени. Они также провели генетическое сцепление и функциональные лабораторные эксперименты с другими клетками, культивируемыми в лаборатории.
Они показали, что определенная генетическая модификация, однонуклеотидный полиморфизм, который приводит к изменению экспрессии гена Man1b1, приводит к снижению уровня белка Man1b1 в эндоплазматическом ретикулуме клеток печени.
Sifers и его коллеги предположили, что более низкие уровни Man1b1 ухудшают способность печени справляться с накоплением неправильно свернутого AAT-Z. Это, вероятно, ускоряет достижение допустимого порога накопления белка, что приводит к более ранней печеночной недостаточности.
«Я был рад, что после многих лет исследований мы нашли объяснение загадки заболевания печени, связанного с дефицитом ААТ у младенцев, и задался вопросом, внесет ли моя лаборатория другой важный вклад в будущем», - сказал Сиферс.
Man1b1 имеет более одной роли
Поскольку Сайферс и его коллеги продолжали изучать Man1b1, они неожиданно обнаружили роль этого белка, которая ранее не была описана.
«Мы обнаружили, что помимо пометки белков с неправильной укладкой для деградации путем ферментативного удаления маннозных групп, Man1b1 также способствует деградации белков с помощью другого механизма, который не зависит от первого», - сказал Сайферс.
Сайферс и его соавторы, доктор Эшли Х. Сун, сейчас работающий в Polypus-transfection Biotechnology, и доктор Джон Р. Коллетт, постдоки в его лаборатории, сообщили в Proceedings of the National Academy of Sciences, США, что обычная система ферментативного удаления находится на одной стороне Man1b1, С-концевом домене. Напротив, новая нетрадиционная система контролируется другой стороной Man1b1, N-концевым доменом. Дальнейшие исследования прояснят, работают ли обе системы в синергии и каким образом.
Исследователи предполагают, что новая нетрадиционная система может быть задействована в устранении агрегатов растворимого белка, которые связаны с конформационными заболеваниями. Например, человеческий Man1b1 был связан с причинами множественных врожденных нарушений умственной отсталости и ВИЧ-инфекции, а также с плохим прогнозом у пациентов с раком мочевого пузыря..
"Наша работа является ярким примером того, что изучение редких заболеваний может найти решения для более распространенных заболеваний."
Это исследование было поддержано исследовательскими грантами фонда Alpha-1.