Piccoli ma potenti, i lisosomi svolgono un ruolo sorprendentemente importante nelle cellule nonostante le loro dimensioni ridotte. Costituendo solo l'1-3% della cellula in volume, queste piccole sacche sono i centri di riciclaggio della cellula, sede di enzimi che scompongono le molecole non necessarie in piccoli pezzi che possono quindi essere riassemblati per formarne di nuovi. La disfunzione lisosomiale può portare a una varietà di malattie neurodegenerative o di altro tipo, ma senza modi per studiare meglio il contenuto interno dei lisosomi, le molecole esatte coinvolte nelle malattie - e quindi i nuovi farmaci per prenderle di mira - rimangono sfuggenti.

Un nuovo metodo, riportato in Natura il 21 settembre, consente agli scienziati di determinare tutte le molecole presenti nei lisosomi di qualsiasi cellula nei topi. Lo studio del contenuto di questi centri di riciclaggio molecolare potrebbe aiutare i ricercatori a capire come il degrado improprio dei materiali cellulari porti a determinate malattie. Guidato dal Monther Abu-Remaileh della Stanford University, studioso dell'istituto presso il Sarafan ChEM-H, il team dello studio ha anche appreso di più sulla causa di una malattia neurodegenerativa attualmente non curabile nota come malattia di Batten, informazioni che potrebbero portare a nuove terapie.

"I lisosomi sono affascinanti sia fondamentalmente che clinicamente:forniscono nutrienti al resto della cellula, ma non sempre sappiamo come e quando li forniscono, e sono i luoghi in cui iniziano molte malattie, soprattutto quelle che colpiscono il cervello ", ha affermato Abu-Remaileh, che è un assistente professore di ingegneria chimica e genetica.

Alcune proteine ​​che di solito si trovano nei lisosomi sono legate a una serie di malattie. Le mutazioni nelle istruzioni genetiche per produrre quelle proteine ​​portano a questi "disturbi da accumulo lisosomiale", come vengono chiamati collettivamente, ma le funzioni di alcune di queste proteine ​​hanno a lungo lasciato perplessi gli scienziati. Le informazioni su come funzionano queste proteine ​​potrebbero aiutare gli scienziati a sviluppare metodi migliori per diagnosticare, monitorare o curare queste malattie.

Se gli scienziati vogliono studiare il ruolo che una particolare proteina svolge nella cellula, potrebbero bloccarne o stimolarne la funzione e vedere se alcune molecole appaiono o scompaiono in risposta. Ma studiare il contenuto dei lisosomi è un problema di scala. "Se succede qualcosa e una molecola cresce in abbondanza di 200 volte nel lisosoma, vedresti solo un aumento di due volte se guardi l'intera cellula", ha detto Nouf Laqtom, primo autore dello studio. I risultati rivelatori vengono sepolti nel rumore.

Per attutire il rumore, i ricercatori dovrebbero separare i lisosomi da tutto il resto della cellula. In precedenza avevano sviluppato un metodo per fare proprio questo nelle cellule coltivate in laboratorio, ma volevano sviluppare un modo per fare la stessa cosa nei topi.

Pesca ai magneti

Il primo passo nella loro ricerca per isolare i lisosomi è stato apportare una piccola modifica ai geni dei topi per installare un piccolo tag molecolare sulla superficie di ogni lisosoma nell'intero animale. In qualsiasi momento, quando vogliono fermarsi e controllare le molecole nei lisosomi del topo, come dopo aver digiunato o somministrato loro un alimento specifico, accendono l'etichetta nelle cellule che vogliono esaminare, quindi rimuovono il tessuto e lo macinano con cura fino a rompere le cellule senza interrompere i lisosomi all'interno.

Per pescare i lisosomi dai fanghi cellulari, il team fa affidamento sui magneti. Alla loro sospensione aggiungono minuscole perline magnetiche, ciascuna decorata con morsetti molecolari che si aggrappano all'etichetta lisosomiale che avevano precedentemente installato. Possono raccogliere selettivamente tutti i lisosomi usando un secondo magnete e quindi rompere i lisosomi per rivelare le molecole che erano state nascoste al sicuro all'interno. La spettrometria di massa, un insieme di strumenti che determina i pesi di diverse molecole in una miscela, aiuta quindi i ricercatori a identificare gli individui nel loro pot-pourri molecolare lisosomiale. Quelli che crescono o diminuiscono indicherebbero gli scienziati verso determinati percorsi o funzioni.

Fatta eccezione per il piccolo tag in più su ciascun lisosoma, questi topi "LysoTag" sono altrimenti normali topi da laboratorio. Ora, quasi tutti i ricercatori possono utilizzare questi topi per studiare il ruolo dei lisosomi in diverse malattie.

"Questi topi sono liberamente disponibili per l'uso da parte di chiunque nella comunità di ricerca e le persone stanno già iniziando a usarli", ha affermato Abu-Remaileh. "Speriamo che questo diventi il ​​gold standard."

Sapere dove cercare

Il team era ansioso di applicare il proprio metodo per studiare i lisosomi presenti nelle cellule cerebrali per comprendere meglio le malattie neurodegenerative da accumulo lisosomiale, a partire dalla malattia CLN3 o dalla malattia giovanile di Batten. "Lo consideriamo davvero uno dei problemi più urgenti che possiamo aiutare a risolvere", ha affermato Abu-Remaileh.

Causata da una mutazione nel gene che codifica per una proteina chiamata CLN3, la malattia giovanile di Batten è fatale e porta a perdita della vista, convulsioni e progressivo deterioramento motorio e mentale nei bambini e nei giovani adulti. La proteina CLN3 si trova sulla membrana del lisosoma, ma nessuno ha mai determinato la sua funzione nella cellula o come la sua disfunzione porti ai sintomi osservati.

Utilizzando i loro topi LysoTag, i ricercatori hanno collaborato con esperti sia del Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center che del Whitehead Institute Metabolomics Core Facility e hanno riscontrato un drammatico aumento della quantità di un tipo di molecola chiamata glicerofosfodiestere, o GPD in breve, in topi con la mutazione della malattia CLN3. Questi GPD si formano temporaneamente durante la degradazione delle molecole di grasso che compongono le membrane di ogni cellula del nostro corpo.

Nelle cellule sane, i GPD non si accumulano nel lisosoma; vengono esportati in una parte diversa della cella, dove vengono poi degradati in pezzi più piccoli. I ricercatori ora ritengono che la proteina CLN3 svolga un ruolo importante in tale esportazione, o escludendo direttamente le molecole o aiutando un'altra proteina a svolgere quel lavoro. Hanno trovato molecole di GPD nel liquido cerebrospinale di pazienti con malattia CLN3, il che suggerisce che i medici potrebbero potenzialmente monitorare i livelli di GPD per misurare il successo di trattamenti futuri. Il team sta ora determinando quali delle molecole GPD potrebbero essere tossiche e come le proteine ​​coinvolte nella produzione e nell'esportazione di GPD potrebbero essere prese di mira con nuovi farmaci. Stanno anche applicando il loro metodo per esaminare altre malattie che coinvolgono mutazioni nei geni lisosomiali, come il morbo di Parkinson.

"Non puoi sviluppare nuovi modi per diagnosticare o curare le malattie se non sai cosa sta cambiando nei lisosomi", ha detto Laqtom, un ex borsista post-dottorato nel laboratorio di Abu-Remaileh. "Questo metodo ti aiuta ad assicurarti di guardare nella giusta direzione. Ti indica la strada giusta e ti impedisce di perderti". + Esplora ulteriormente

I tag molecolari rivelano come i lisosomi danneggiati vengono selezionati e contrassegnati per l'eliminazione