Когда что-то идет не так в митохондриях, крошечных органеллах, которые питают клетки, это может вызвать ошеломляющее разнообразие симптомов, таких как плохой рост, усталость и слабость, судороги, нарушения развития и когнитивных функций, а также проблемы со зрением. Виновником может быть дефект любого из 1300 или около того белков, составляющих митохондрии, но ученые имеют очень слабое представление о том, что делают многие из этих белков, что затрудняет идентификацию неисправного белка и лечение заболевания.

Исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе и Университета Висконсин-Мэдисон систематически проанализировали десятки митохондриальных белков с неизвестной функцией и предложили функции для многих из них. Используя эти данные в качестве отправной точки, они определили генетические причины трех митохондриальных заболеваний и предложили еще 20 возможностей для дальнейшего исследования. Результаты, опубликованные 25 мая в журнале Nature , показывают, что понимание того, как сотни белков митохондрий работают вместе, чтобы генерировать энергию и выполнять другие функции органелл, может стать многообещающим путем к поиску более эффективных способов диагностики и лечения таких состояний.

«У нас есть список частей митохондрий, но мы не знаем, что делают многие из них», — сказал соавтор Дэвид Дж. Пальярини, доктор философии, профессор Хьюго Ф. и Ины С. Урбауэр и научный сотрудник. Исследователь BJC в Вашингтонском университете. «Это похоже на то, как если бы у вас была проблема с автомобилем, и вы принесли бы ее механику, и, открыв капот, они сказали бы: «Мы никогда раньше не видели половину этих деталей». Они не знали бы, как это исправить.Это исследование является попыткой определить функции как можно большего числа этих митохондриальных частей, чтобы мы могли лучше понять, что происходит, когда они не работают, и, в конечном счете, лучше понять, что происходит, когда они не работают. шанс на разработку терапевтических средств для исправления этих проблем».

Митохондриальные заболевания — это группа редких генетических состояний, которые в совокупности поражают одного из каждых 4300 человек. Поскольку митохондрии обеспечивают энергией почти все клетки, люди с дефектами митохондрий могут иметь симптомы в любой части тела, хотя симптомы, как правило, наиболее выражены в тканях, которые требуют больше всего энергии, таких как сердце, мозг и мышцы. .

Чтобы лучше понять, как работают митохондрии, Пальярини объединился с коллегами, в том числе со старшим автором Джошуа Дж. Куном, доктором философии, профессором биомолекулярной химии и химии UW-Madison и исследователем Исследовательского института Моргриджа; и соавторы Джарред В. Ренсволд, доктор философии, бывший научный сотрудник лаборатории Пальярини, и Евгения Шишкова, доктор философии, штатный научный сотрудник лаборатории Куна, чтобы определить функции как можно большего количества митохондриальных белков.

Исследователи использовали технологию CRISPR-Cas9 для удаления отдельных генов из клеточной линии человека. Процедура создала набор родственных клеточных линий, каждая из которых произошла от одной и той же исходной клеточной линии, но с одним удаленным геном . Отсутствующие гены кодируют 50 митохондриальных белков с неизвестной функцией и 66 митохондриальных белков с известными функциями.

Затем они исследовали каждую клеточную линию, чтобы понять, какую роль каждый отсутствующий ген обычно играет в поддержании нормальной работы митохондрий. Исследователи отслеживали скорость роста клеток и количественно определяли уровни 8433 белков, 3563 липидов и 218 метаболитов для каждой клеточной линии. Они использовали данные для создания приложения MITOMICS (мультиомный экран CRISPR для митохондриальных орфанных белков), оснастив его инструментами для анализа и выявления биологических процессов , которые нарушались, когда пропадал определенный белок.

После проверки подхода с митохондриальными белками с известной функцией исследователи предложили возможную биологическую роль для многих митохондриальных белков с неизвестной функцией. Дальнейшие исследования позволили им связать три белка с тремя отдельными митохондриальными состояниями.

«Очень интересно видеть, как наша технологическая платформа масс-спектрометрии может генерировать данные в таком масштабе, но, что более важно, данные, которые могут напрямую помочь нам понять болезни человека», — сказал Кун.

Одним из состояний является мультисистемное расстройство, вызванное дефектами основного пути выработки энергии. Соавтор Роберт Тейлор, доктор философии, доктор наук, профессор митохондриальной патологии в Университете Ньюкасла в Ньюкасл-апон-Тайн, Великобритания, идентифицировал пациента с явными признаками расстройства, но без мутаций в обычных подозрительных генах. Исследователи идентифицировали новый ген в этом пути и показали, что пациент несет в нем мутацию.

Отдельно Пальярини и его коллеги заметили, что нарушение одного гена, RAB5IF, устраняет белок, кодируемый другим геном, TMCO1, который связан с цереброфациоторакальной дисплазией. Состояние характеризуется отличительными чертами лица и тяжелой умственной отсталостью. В сотрудничестве с соавтором Нуртеном Акарсу, доктором философии, профессором генетики человека в Университете Хасеттепе в Анкаре, Турция, исследователи показали, что мутация в RAB5IF была ответственна за один случай цереброфациоторакальной дисплазии и два случая заячьей губы в одна турецкая семья.

Нарушение третьего гена приводило к проблемам с хранением сахара, способствуя фатальному аутовоспалительному синдрому. Данные об этом синдроме были опубликованы в прошлом году в статье под руководством Бруно Реверсейда, доктора философии, из A*STAR, Сингапурского агентства по науке, технологиям и исследованиям.

«Мы сосредоточились в первую очередь на трех состояниях, но обнаружили данные, связывающие около 20 других белков с биологическими путями или процессами», — сказал Пальярини, профессор клеточной биологии и физиологии, биохимии, молекулярной биофизики и генетики. «Мы не можем отследить 20 историй в одной газете, но мы выдвинули гипотезы и разместили их там для нас и других для проверки».

Чтобы помочь научным открытиям, Пальярини, Кун и их коллеги сделали приложение MITOMICS общедоступным. В них встроено несколько удобных инструментов анализа, поэтому каждый может искать закономерности и создавать графики, просто щелкая мышью. Все данные можно загрузить для более глубокого анализа.

Мы надеемся, что этот большой набор данных станет одним из тех, которые в совокупности помогут нам разработать лучшие биомаркеры и средства диагностики митохондриальных заболеваний», — сказал Пальярини. «Каждый раз, когда мы обнаруживаем функцию нового белка , это дает нам новую возможность терапевтически нацелить путь. Наша долгосрочная цель — понять митохондрии на достаточной глубине, чтобы иметь возможность вмешиваться терапевтически, чего мы пока не можем сделать.