Дегенерация мышц, наиболее распространенная причина слабости при наследственных заболеваниях и старении, может быть вызвана дефицитом одного ключевого фермента в пути биосинтеза липидов. Исследователи из Института молекулярной биотехнологии (IMBA) Австрийской академии наук описывают, как фермент PCYT2 влияет на здоровье мышц при заболеваниях и старении на моделях лабораторных мышей. Результаты опубликованы в журнале Nature Metabolism.
Мышечная дегенерация при наследственных заболеваниях и старении затрагивает сотни миллионов людей во всем мире. Дегенерация скелетных мышц, резервуара белка в организме, приводит к общему физиологическому упадку, состоянию, называемому дряхлостью. Теперь исследовательская группа под руководством Домагоя Сайкеса из IMBA и Джозефа Пеннингера из IMBA и Университета Британской Колумбии (UBC) раскрывает центральную роль фермента под названием PCYT2 в здоровье мышц.
PCYT2 известен как фермент узкого места в основном пути синтеза фосфолипидов, полученных из этаноламина, фосфатидилэтаноламинов (PE). Основываясь на данных пациентов и используя модели лабораторных мышей и рыбок данио, они показывают, что мутации, влияющие на PCYT2 или его сниженную активность, являются консервативными признаками дегенерации мышц у позвоночных. В частности, они демонстрируют, что дефицит PCYT2 в мышцах влияет на функцию митохондрий и физико-химические свойства мембраны миофибрилл.
Жесткость мембран, старение и сохранение у позвоночных
Липиды повсеместно присутствуют в биологических мембранах и присутствуют в особенно высоких концентрациях в мембранах нервных клеток и нервных тканей. После сообщений о том, что молекулы на основе ПЭ повышают жесткость мембран липосом, Домагой Сайкес, соавтор исследования и бывший научный сотрудник лаборатории Пеннингера в IMBA, выдвинул гипотезу, что эти виды липидов могут играть важную роль в тканях, подвергающихся постоянному воздействию, напряжение сдвига, например, в мышечной ткани .
«Это предположение побудило меня выборочно истощить PCYT2 в мышечных тканях животных моделей и изучить результат. Параллельно клиницисты сообщали о случаях мутаций, влияющих на PCYT2, у пациентов. Характеризуется слабостью мышц ног, скованностью и атрофией мышц, которые со временем усиливаются. Однако, учитывая, что болезнь была обнаружена совсем недавно, лежащие в ее основе патофизиологические биологические механизмы практически неизвестны», — говорит Сайкс.
Исследователи продемонстрировали, что уровни функционального PCYT2 связаны со здоровьем мышц человека и влияют на мышечные ткани мышей и рыбок данио. В частности, мышиные модели показали поразительные и тяжелые фенотипы задержки роста мышц и быстрого ухудшения состояния при истощении PCYT2. Они отметили, что этот фенотип быстрого ухудшения в моделях мышей напоминает ускоренное старение. Т.о., Cikes и др. показали, что PCYT2 играет консервативную роль у позвоночных.
PE также широко распространены в митохондриальных мембранах. Поэтому исследователи изучили, как истощение PCYT2 в мышечных тканях влияет на гомеостаз митохондриальной мембраны, и обнаружили, что истощение PCYT2 действительно изменяет функцию митохондрий и мышечную энергетику. Однако митохондриального терапевтического подхода было недостаточно для восстановления фенотипа у мышей.
«Это натолкнуло нас на мысль, что должен существовать дополнительный механизм, вызывающий патологию», — говорит Сайкс. Действительно, команда показала, что организация липидного двойного слоя клеточной мембраны играет дополнительную роль. «Это представляет собой новый патофизиологический механизм, который может также присутствовать при других нарушениях, связанных с липидами», — говорит Сайкс.
Кроме того, команда продемонстрировала, что активность PCYT2 снижается с возрастом у людей и мышей. Используя метод адресной доставки активного PCYT2, ученые смогли устранить мышечную слабость у мышей с дефицитом PCYT2 и улучшить мышечную силу у старых мышей.
Технические достижения для понимания биологии и патофизиологии
Связав здоровье мышц позвоночных с PEs и составом мышечной мембраны, исследователи изучили роль видов липидов в биологических мембранах. Поскольку биологическая работа с липидами особенно сложна, им также необходимо было подумать о способах продвижения доступных исследовательских приложений. Применив метод, разработанный Каримом Эльсайадом в Венском биоцентре (VBCF), для измерения жесткости тканей с помощью бриллюэновского светорассеяния (BLS), исследователи смогли изучить физические свойства биологических мембран .
С помощью этого метода команда продемонстрировала значительное снижение жесткости поверхности мембраны, когда в мышцах мыши был истощен PCYT2. «Кроме того, наша текущая работа делает еще один шаг вперед в области биологии липидов, поскольку мы смогли заглянуть в липидный бислой клеточных мембран и изучить локальные свойства структурных липидов», — говорит Сайкс.
Метод основан на выделении гигантских плазматических мембранных везикул (ГПМВ) из биологических тканей и изучении физико-химических свойств и геометрии мембранного бислоя с помощью интеркалирующего красителя. Этот подход позволяет ученым исследовать, насколько хорошо согласованы липиды в бислое и обнаруживают ли они пробелы, гидрофильные компоненты и утечки через мембрану .
Биология липидов — важная, но недостаточно изученная
«Современные знания о биологии липидов в значительной степени упрощены. Вся область липидов сводится к нескольким молекулярным семействам, таким как холестерины, триглицериды, фосфолипиды и жирные кислоты. Это обширная и неисследованная молекулярная вселенная, в которой функции большинства видов в здоровом и болезненном состоянии неизвестно», — говорит Сайкс.
Проливая свет на центральное влияние пути биосинтеза липидов на здоровье мышц, Сайкс и его команда хотят подчеркнуть важность и исследовательский потенциал исследований липидов. «Наша текущая работа демонстрирует фундаментальную, специфическую и консервативную роль опосредованного PCYT2 синтеза липидов в здоровье мышц позвоночных и позволяет нам исследовать новые терапевтические возможности для улучшения здоровья мышц при редких заболеваниях и старении», — заключает Пеннингер.
