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新方法使科学家能够确定小鼠溶酶体中存在的所有分子

小而强大的溶酶体在细胞中发挥着令人惊讶的重要作用,尽管它们体积很小。这些小囊仅占细胞体积的1-3%,是细胞的回收中心,是酶的所在地,酶将不需要的分子分解成小块,然后可以重新组装形成新的小块。溶酶体功能障碍可导致多种神经退行性疾病或其他疾病,但没有办法更好地研究溶酶体的内部内容,与疾病有关的确切分子——以及因此靶向它们的新药物——仍然难以捉摸。

9月21日在《自然》杂志上报道的一种新方法使科学家能够确定小鼠任何细胞的溶酶体中存在的所有分子。研究这些分子回收中心的内容可以帮助研究人员了解细胞材料的不当降解如何导致某些疾病。在斯坦福大学的MontherAbu-Remaileh、SarafanChEM-H研究所学者的带领下,该研究团队还更多地了解了一种目前无法治愈的神经退行性疾病,即Batten病的病因,这些信息可能会导致新的治疗方法。

“溶酶体从根本上和临床上都令人着迷:它们为细胞的其余部分提供营养,但我们并不总是知道它们如何以及何时提供它们,而且它们是许多疾病,尤其是影响大脑的疾病开始的地方”化学工程和遗传学助理教授阿布-雷迈勒说。

通常位于溶酶体中的一些蛋白质与许多疾病有关。制造这些蛋白质的遗传指令中的突变会导致这些被统称为“溶酶体贮积症”的疾病,但其中一些蛋白质的功能长期以来一直困扰着科学家。有关这些蛋白质如何工作的信息可以帮助科学家开发更好的方法来诊断、监测或治疗这些疾病。

如果科学家想研究特定蛋白质在细胞中的作用,他们可能会阻断或刺激其功能,并查看某些分子是否会出现或消失。但是研究溶酶体的内容是一个规模问题。该研究的第一作者NoufLaqtom说:“如果发生某些事情并且一个分子在溶酶体中大量增长200倍,那么如果你观察整个细胞,你只会看到两倍的增长。”揭示的结果被埋没在噪音中。

为了消除噪音,研究人员必须将溶酶体与细胞中的其他物质分开。他们之前已经开发出一种方法可以在实验室培养的细胞中做到这一点,但他们想开发一种在老鼠身上做同样事情的方法。

钓鱼磁铁

他们寻求分离溶酶体的第一步是对小鼠的基因进行微小的改变,以便在整个动物的每个溶酶体表面安装一个小分子标签。当他们想停下来检查小鼠溶酶体中的分子时,例如在禁食或喂食特定食物后,他们会打开要检查的细胞中的标签,然后取出组织并仔细研磨在不破坏内部溶酶体的情况下打开细胞。

为了从细胞污泥中捕获溶酶体,该团队依靠磁铁。他们在浆液中添加了微小的磁珠,每个磁珠都装饰有分子夹,可以抓住他们之前安装的溶酶体标签。他们可以使用第二块磁铁选择性地收集所有溶酶体,然后分解溶酶体以显示安全地藏在其中的分子。质谱法是一组确定混合物中不同分子重量的工具,可帮助研究人员识别溶酶体分子杂烩中的个体。那些增长或减少的因素会为科学家指明某些途径或功能。

除了每个溶酶体上的小额外标签外,这些“LysoTag”小鼠在其他方面都是正常的实验室小鼠。现在,几乎任何研究人员都可以使用这些小鼠来研究溶酶体在不同疾病中的作用。

“这些老鼠可供研究界的任何人免费使用,人们已经开始使用它们,”Abu-Remaileh说。“我们希望这将成为黄金标准。”

知道在哪里看

该团队渴望应用他们的方法研究脑细胞中发现的溶酶体,以更好地了解神经退行性溶酶体贮积病,从CLN3病或幼年巴顿病开始。“我们真的认为这是我们可以帮助解决的最紧迫的问题之一,”Abu-Remaileh说。

由编码CLN3蛋白质的基因突变引起,幼年巴顿病是致命的,并导致儿童和年轻人视力丧失、癫痫发作以及进行性运动和精神恶化。CLN3蛋白存在于溶酶体的膜上,但没有人确定它在细胞中的功能或它的功能障碍如何导致观察到的症状。

使用他们的LysoTag小鼠,研究人员与SarafanChEM-H代谢组学知识中心和怀特黑德研究所代谢组学核心设施的专家合作,发现一种称为甘油磷酸二酯或简称GPD的分子的数量显着增加。具有CLN3疾病突变的小鼠。这些GPD是在构成我们体内每个细胞膜的脂肪分子降解过程中暂时形成的。

在健康细胞中,GPD不会在溶酶体中积累;它们被输出到细胞的不同部分,然后在那里被降解成更小的碎片。研究人员现在认为,CLN3蛋白在这种输出中发挥着重要作用,要么直接排出分子,要么帮助另一种蛋白质完成这项工作。他们在CLN3疾病患者的脑脊液中发现了GPD分子,这表明临床医生可能会监测GPD水平以衡量未来治疗的成功与否。该团队现在正在确定哪些GPD分子可能是有毒的,以及参与制造和输出GPD的蛋白质如何被新药靶向.他们还应用他们的方法来研究涉及溶酶体基因突变的其他疾病,例如帕金森病。

“如果你不知道溶酶体发生了什么变化,你就无法开发出诊断或治疗疾病的新方法,”Abu-Remaileh实验室的前博士后学者Laqtom说。“这种方法可以帮助你确保你的方向是正确的。它为你指明了正确的道路,让你不会迷路。”

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