Små men mäktiga lysosomer spelar en förvånansvärt viktig roll i celler trots deras ringa storlek. Dessa små säckar utgör endast 1-3% av cellen i volym och är cellens återvinningscentraler, hem för enzymer som bryter ner onödiga molekyler till små bitar som sedan kan sättas ihop igen för att bilda nya. Lysosomal dysfunktion kan leda till en mängd olika neurodegenerativa eller andra sjukdomar, men utan sätt att bättre studera det inre innehållet i lysosomer, förblir de exakta molekylerna som är involverade i sjukdomar – och därför nya läkemedel för att rikta dem – svårfångade.

En ny metod, rapporterad i Nature den 21 september tillåter forskare att bestämma alla molekyler som finns i lysosomerna i vilken cell som helst i möss. Att studera innehållet i dessa molekylära återvinningscenter kan hjälpa forskare att lära sig hur den felaktiga nedbrytningen av cellulära material leder till vissa sjukdomar. Under ledning av Stanford Universitys Monther Abu-Remaileh, institutforskare vid Sarafan ChEM-H, lärde sig studiens team också mer om orsaken till en för närvarande obehandlad neurodegenerativ sjukdom känd som Battens sjukdom, information som kan leda till nya behandlingar.

"Lysosomer är fascinerande både fundamentalt och kliniskt:de förser resten av cellen med näringsämnen, men vi vet inte alltid hur och när de tillför dem, och det är ställena där många sjukdomar, särskilt de som påverkar hjärnan, börjar ," sa Abu-Remaileh, som är biträdande professor i kemiteknik och genetik.

Vissa proteiner som vanligtvis finns i lysosomer är kopplade till ett antal sjukdomar. Mutationer i de genetiska instruktionerna för att göra dessa proteiner leder till dessa "lysosomala lagringsstörningar", som de gemensamt kallas, men funktionerna hos vissa av dessa proteiner har länge förbryllat forskare. Information om hur dessa proteiner fungerar kan hjälpa forskare att utveckla bättre sätt att diagnostisera, övervaka eller behandla dessa sjukdomar.

Om forskare vill studera vilken roll ett visst protein spelar i cellen, kan de antingen blockera eller stimulera dess funktion och se om vissa molekyler dyker upp eller försvinner som svar. Men att studera innehållet i lysosomer är ett skalaproblem. "Om något händer och en molekyl växer i överflöd 200 gånger i lysosomen, skulle du bara se en tvåfaldig ökning om du tittar på hela cellen", säger Nouf Laqtom, första författare till studien. De avslöjande resultaten begravs i bruset.

För att tysta bruset måste forskarna separera lysosomer från allt annat i cellen. De hade tidigare utvecklat en metod för att göra just det i celler som odlats i labb, men de ville utveckla ett sätt att göra samma sak i möss.

Fiske efter magneter

Det första steget i deras strävan att isolera lysosomer var att göra en liten förändring i mössens gener för att installera en liten molekylär tagg på ytan av varje lysosom i hela djuret. När som helst när de vill stanna och kontrollera molekylerna i muslysosomerna, som efter att ha fastat eller matat dem med ett specifikt foder, slår de på taggen i cellerna de vill undersöka och tar sedan bort vävnaden och maler den försiktigt upp för att bryta upp cellerna utan att störa lysosomerna inuti.

För att fiska lysosomer från cellslammet förlitar sig teamet på magneter. Till sin uppslamning lägger de små magnetiska pärlor som var och en är dekorerad med molekylära klämmor som tar tag i den lysosomala taggen de tidigare hade installerat. De kan selektivt samla alla lysosomerna med hjälp av en andra magnet och sedan bryta isär lysosomerna för att avslöja molekylerna som hade varit säkert gömda inuti. Masspektrometri, en uppsättning verktyg som bestämmer vikten av olika molekyler i en blandning, hjälper sedan forskarna att identifiera individerna i deras lysosomala molekylära potpurri. De som växer eller minskar skulle peka forskare på vissa vägar eller funktioner.

Förutom den lilla extra taggen på varje lysosom är dessa "LysoTag"-möss annars normala laboratoriemöss. Nu kan nästan alla forskare använda dessa möss för att studera lysosomers roll i olika sjukdomar.

"Dessa möss är fritt tillgängliga för alla i forskarvärlden att använda, och folk har redan börjat använda dem", säger Abu-Remaileh. "Vi hoppas att detta kommer att bli guldstandarden."

Veta var du ska leta

Teamet var angelägna om att använda sin metod för att studera lysosomer som finns i hjärnceller för att bättre förstå de neurodegenerativa lysosomala lagringssjukdomarna, till att börja med CLN3-sjukdomen eller juvenil Batten-sjukdom. "Vi ser verkligen det här som ett av de mest akuta problemen vi kan hjälpa till att lösa", säger Abu-Remaileh.

Orsakad av en mutation i genen som kodar för ett protein som kallas CLN3, är juvenil Battens sjukdom dödlig och leder till synförlust, kramper och progressiv motorisk och mental försämring hos barn och unga vuxna. CLN3-proteinet finns på lysosomens membran, men ingen har någonsin bestämt dess funktion i cellen eller hur dess dysfunktion leder till de observerade symtomen.

Med hjälp av sina LysoTag-möss samarbetade forskarna med experter från både Sarafan ChEM-H Metabolomics Knowledge Center och Whitehead Institute Metabolomics Core Facility och fann en dramatisk ökning av mängden av en sorts molekyl som kallas en glycerofosfodiester, eller GPD för kort, i möss med CLN3-sjukdomsmutationen. Dessa GPD bildas tillfälligt under nedbrytningen av de fettmolekyler som utgör membranen i varje cell i vår kropp.

I friska celler ackumuleras inte GPD i lysosomen; de exporteras till en annan del av cellen, där de sedan bryts ned till mindre bitar. Forskarna tror nu att CLN3-proteinet spelar en viktig roll i den exporten, antingen genom att direkt skjuta ut molekylerna eller genom att hjälpa ett annat protein att göra det jobbet. De hittade GPD-molekyler i cerebral ryggmärgsvätska hos patienter med CLN3-sjukdom, vilket tyder på att läkare potentiellt kan övervaka GPD-nivåer för att mäta framgången för framtida behandlingar. Teamet bestämmer nu vilka av GPD-molekylerna som kan vara toxiska och hur proteinerna som är involverade i att tillverka och exportera GPD kan riktas mot nya läkemedel. De använder också sin metod för att titta på andra sjukdomar som involverar mutationer i lysosomala gener, som Parkinsons sjukdom.

"Du kan inte utveckla nya sätt att diagnostisera eller behandla sjukdomar om du inte vet vad som förändras i lysosomerna", säger Laqtom, en tidigare postdoktor i Abu-Remaileh-labbet. "Denna metod hjälper dig att se till att du tittar i rätt riktning. Den pekar ner dig på rätt väg och hindrar dig från att gå vilse." + Utforska vidare

Molekylära taggar avslöjar hur skadade lysosomer väljs ut och markeras för clearance