Zácpa v buněčném provozu při chronických onemocněních naznačuje nové terapeutické cíle

Chronická onemocnění, jako je diabetes 2. typu a zánětlivá onemocnění, mají obrovský dopad na lidstvo. Jsou hlavní příčinou zátěže chorobami a úmrtí po celém světě, jsou fyzicky i ekonomicky náročná a počet lidí s těmito nemocemi roste.

Léčba chronických onemocnění se ukázala jako obtížná, protože neexistuje jedna jednoduchá příčina, jako je například mutace jediného genu, na kterou by se léčba mohla zaměřit. Alespoň tak se to zdálo vědcům. Nový výzkum profesora biologie MIT a člena Whitehead Institute for Biomedical Research Richarda Younga a jeho kolegů, publikovaný v časopise Cell 27. listopadu, však ukazuje, že mnoho chronických onemocnění má společného jmenovatele, který by mohl řídit jejich dysfunkci: sníženou pohyblivost proteinů.

To znamená, že přibližně polovina všech proteinů aktivních v buňkách zpomalí svůj pohyb, když jsou buňky v chronickém onemocnění, čímž se snižuje funkce proteinů. Zjištění výzkumníků naznačují, že pohyblivost proteinů může být klíčovým faktorem pro sníženou buněčnou funkci při chronických onemocněních, což z ní dělá slibný terapeutický cíl.

Ve svém článku Young a jeho kolegové z jeho laboratoře, včetně postdoktorandky MIT Alessandry Dall'Agnese, doktorandů Shannon Moreno a Ming Zheng a vědeckého pracovníka Tonga Ihna Lee, popisují svůj objev této společné pohybové vady, kterou nazývají proteoletargií; vysvětlují, co způsobuje vadu a jak vede k dysfunkci buněk; a navrhují novou terapeutickou hypotézu pro léčbu chronických onemocnění.

„Jsem nadšená z toho, co by tato práce mohla znamenat pro pacienty,“ říká Dall'Agnese. „Doufám, že to povede k nové třídě léků, které obnoví pohyblivost proteinů, což by mohlo pomoci lidem s mnoha různými chorobami, které všechny mají tento mechanismus jako společného jmenovatele.“

„Tato práce byla kolektivním, interdisciplinárním úsilím, které spojilo biology, fyziky, chemiky, informatiky a lékaře-vědce,“ říká Lee. „Kombinace těchto zkušeností je silnou stránkou Youngovy laboratoře. Studium problému z různých úhlů pohledu nám skutečně pomohlo přemýšlet o tom, jak by tento mechanismus mohl fungovat a jak by mohl změnit naše chápání patofyziologie chronických onemocnění.“

Zpoždění dojíždějících způsobuje zastavení práce v buňce

Jak pomalejší pohyb proteinů buňkou vede k rozsáhlé a významné buněčné dysfunkci? Dall'Agnese vysvětluje, že každá buňka je jako malé město, s proteiny jako pracovníky, kteří udržují vše v chodu. Proteiny musí dojíždět v hustém provozu v buňce, cestovat od místa, kde jsou vytvořeny, tam, kde pracují. Čím rychlejší je jejich dojíždění, tím více práce odvedou. Teď si představte město, které začíná zažívat dopravní zácpy na všech silnicích. Obchody se neotevírají včas, potraviny uvíznou v tranzitu, schůzky se odkládají. V podstatě všechny operace ve městě jsou zpomaleny.

Zpomalení operací v buňkách s redukovanou pohyblivostí proteinů probíhá podobným způsobem. Obvykle se většina proteinů pohybuje buňkou a naráží na jiné molekuly, dokud nenajde molekulu, se kterou pracuje nebo na kterou působí. Čím pomaleji se protein pohybuje, tím méně dalších molekul dosáhne a tím menší je pravděpodobnost, že bude schopen vykonávat svou práci. Young a jeho kolegové zjistili, že taková zpomalení proteinů vedou k měřitelným snížením funkčního výstupu proteinů. Když mnoho proteinů nedokáže včas splnit svou práci, buňky začnou zažívat různé problémy – jak je známo u chronických onemocnění.

Objev problému s pohyblivostí proteinů

Young a jeho kolegové poprvé podezírali, že buňky postižené chronickým onemocněním by mohly mít problém s pohyblivostí proteinů, poté, co pozorovali změny v chování inzulinu receptoru, signálního proteinu, který reaguje na přítomnost inzulinu a způsobuje, že buňky přijímají cukr z krve. U lidí s diabetem se buňky stávají méně citlivými na inzulin – stav nazývaný inzulínová rezistence – což způsobuje, že v krvi zůstává příliš mnoho cukru. Ve výzkumu publikovaném o receptorech inzulinu v Nature Communications v roce 2022 Young a jeho kolegové uvedli, že pohyblivost receptoru inzulinu může být relevantní pro diabetes.

S vědomím, že mnoho buněčných funkcí je změněno u diabetu, výzkumníci zvažovali možnost, že změněná pohyblivost proteinů by nějakým způsobem mohla ovlivnit mnoho proteinů v buňkách. Aby ověřili tuto hypotézu, studovali proteiny zapojené do širokého spektra buněčných funkcí, včetně MED1, proteinu zapojeného do exprese genů; HP1α, proteinu zapojeného do umlčování genů; FIB1, proteinu zapojeného do produkce ribosomů; a SRSF2, proteinu zapojeného do sestřihu messenger RNA. Použili sledování jednotlivých molekul a další metody k měření toho, jak se každý z těchto proteinů pohybuje v zdravých buňkách a v buňkách v onemocnění. Všechny kromě jednoho proteinu vykazovaly sníženou pohyblivost (asi 20-35 procent) v nemocných buňkách.

„Jsem nadšená, že jsme dokázali přenést fyzikálně-založené poznatky a metodologii, které se běžně používají k pochopení procesů jednotlivých molekul, jako je transkripce genů v normálních buňkách, do kontextu onemocnění a ukázat, že se dají použít k odhalení neočekávaných mechanismů onemocnění,“ říká Zheng. „Tato práce ukazuje, jak je náhodná procházka proteinů v buňkách spojena s patofyziologií onemocnění.“

Moreno souhlasí: „Ve škole se učíme uvažovat o změnách v struktuře proteinů nebo DNA sekvencích, když hledáme příčiny onemocnění, ale my jsme ukázali, že to nejsou jediné přispívající faktory. Pokud uvažujete pouze o statickém obrazu proteinu nebo buňky, vynecháte objevování těchto změn, které se objeví pouze tehdy, když jsou molekuly v pohybu.“

Nemohu dojíždět napříč buňkou, jsem teď všude svázaný

Poté výzkumníci potřebovali určit, co způsobuje zpomalení proteinů. Podezřívali, že chyba souvisí se zvýšením hladiny reaktivních forem kyslíku (ROS) v buňkách, molekul, které jsou velmi náchylné k interferenci s jinými molekulami a jejich chemickými reakcemi. Mnoho typů spouštěčů spojených s chronickými onemocněními, jako jsou vyšší hladiny cukru nebo tuku, určité toxiny a zánětlivé signály, vedou ke zvýšení ROS, známému také jako zvýšený oxidační stres. Výzkumníci znovu měřili pohyblivost proteinů v buňkách, které měly vysoké hladiny ROS a nebyly jinak v onemocnění, a pozorovali srovnatelné pohybové vady, což naznačuje, že oxidační stres byl viníkem pohybové vady proteinů.

Poslední částí skládačky bylo, proč se některé, ale ne všechny, proteiny zpomalují v přítomnosti ROS. SRSF2 byl jediný z proteinů, který nebyl v experimentech ovlivněn, a měl jeden jasný rozdíl od ostatních: jeho povrch neobsahoval žádné cystein, aminokyselinový stavební blok mnoha proteinů. Cysteiny jsou zvláště náchylné k interferenci ROS, protože to způsobí, že se navážou na jiné cysteiny. Když k tomuto spojení dojde mezi dvěma proteinovými molekulami, zpomalí se, protože se dvě proteiny nemohou pohybovat buňkou tak rychle jako jeden protein sám.

Přibližně polovina proteinů v našich buňkách obsahuje povrchové cysteiny, takže tato jediná pohybová vada proteinů může ovlivnit mnoho různých buněčných drah. To dává smysl, když vezmeme v úvahu rozmanitost dysfunkcí, které se objevují v buňkách lidí s chronickými onemocněními: dysfunkce v buněčné signalizaci, metabolické procesy, exprese genů a umlčování genů a další. Všechny tyto procesy závisí na efektivním fungování proteinů – včetně rozmanitých proteinů studovaných výzkumníky. Young a jeho kolegové provedli několik experimentů, aby potvrdili, že snížená pohyblivost proteinů skutečně snižuje funkci proteinu. Například zjistili, že když receptor inzulinu zažije sníženou pohyblivost, působí méně účinně na IRS1, molekulu, které obvykle přidává fosfátovou skupinu.

Od pochopení mechanismu k léčbě onemocnění

Objev, že snížená pohyblivost proteinů v přítomnosti oxidačního stresu by mohla řídit mnoho příznaků chronického onemocnění, poskytuje příležitosti k vývoji terapií k záchraně pohyblivosti proteinů. V průběhu svých experimentů výzkumníci léčili buňky antioxidantem – něčím, co snižuje ROS – nazývaným N-acetylcystein a zjistili, že to částečně obnovilo pohyblivost proteinů.

Výzkumníci sledují různé navazující práce, včetně hledání léků, které bezpečně a účinně snižují ROS a obnovují pohyblivost proteinů. Vyvinuli metodu, která se dá použít k prověřování léků, aby se zjistilo, zda obnovují pohyblivost proteinů srovnáním účinku každého léku na jednoduchý biomarker s povrchovými cysteiny s tím, který nemá. Také se zabývají jinými nemocemi, které mohou zahrnovat pohyblivost proteinů, a zkoumají roli snížené pohyblivosti proteinů ve stárnutí.

„Komplexní biologie chronických onemocnění znesnadnila nalezení účinných terapeutických hypotéz,“ říká Young. „Objev, že různé stimuly spojené s onemocněním všechny indukují společnou vlastnost, proteoletargii, a že tato vlastnost by mohla přispívat k většině dysregulace, kterou vidíme u chronických onemocnění, je něco, co doufám, že bude skutečným průlomem pro vývoj léků, které fungují napříč spektrem chronických onemocnění.“