Tack vare framsteg inom genomik under de senaste decennierna känner forskarna nu till de genetiska mutationer som är ansvariga för många sjukdomar. Men forskare vet ofta fortfarande inte hur mutationen leder till sjukdomen - vad den förändrar inuti celler för att orsaka symtom. Att ta reda på denna saknade del, sjukdomsmekanismen, främjar inte bara förståelsen av sjukdomen utan kan vara avgörande för att utveckla en behandling eller förebyggande. Till exempel, om forskare vet att en mutation leder till skapandet av ett felaktigt protein, och att uppbyggnaden av detta felaktiga protein orsakar sjukdomen, då kan de designa läkemedel som kommer att leda till att proteinet förstörs.

Forskare i Whitehead Institute-medlemmen Richard Youngs labb har studerat en process som kallas biomolekylär kondensation som hjälper till att organisera var molekyler hamnar i cellerna, och de misstänkte att störningar av denna process kan vara en underskattad, vanlig sjukdomsmekanism. Kondensat är strukturer som bildas när många molekyler löst sammanförs för att skapa en droppe som separeras från det andra innehållet i cellen, som en oljedroppe suspenderad i vatten. The Young Labs senaste forskning, publicerad i Developmental Cell den 8 juli, tyder på att störningar av kondensat verkligen är genomgripande över sjukdomstyper i hela kroppen. Uppsatsen ger forskare en katalog över troliga fall. De hoppas att den här katalogen kommer att användas för att ytterligare förstå sjukdomar där kondensat spelar en roll och i slutändan för att utveckla nya terapier för dessa sjukdomar.

Växande medvetenhet om kondensatbiologi

Endast vissa molekyler - vissa proteiner och RNA - bildar kondensat, eftersom de innehåller regioner som kan binda ihop löst. De flesta proteiner har regioner som bara binder mycket starkt till specifika molekyler, som en nyckel som sitter fast i ett lås. Kondensatbildande proteiner tenderar istället att göra massor av lösa, mindre specifika kopplingar med varandra, och maskar ihop i höga koncentrationer tills de skapar en droppe. Celler använder kondensat för att samla molekyler där de behövs i cellen – till exempel kan molekyler som behövs för att transkribera gener bilda kondensat nära dessa gener.

Kondensatforskare inklusive Young, som också är professor i biologi vid Massachusetts Institute of Technology, har på senare år visat att kondensat spelar roller i många viktiga cellulära processer. Kondensavbrott har också visat sig förekomma i ett litet men växande antal sjukdomar, särskilt neurodegenerativa sjukdomar. När forskare letar efter sjukdomsmekanismer övervägs dock inte ofta kondensavbrott. Med tanke på hur ofta kondensat spelar en roll i hälsosam biologi, misstänkte unga labbforskare att deras störningar kan vara vanliga vid sjukdomar. Postdoc i Young-labbet och förstaförfattaren Salman Banani, som också är patolog vid Brigham and Women's Hospital, började misstänka så mycket under sin kliniska utbildning, medan han tittade på genetisk sekvenseringsdata för cancerpatienter.

"Målet var att bedöma den kliniska relevansen av mutationerna i tumörernas genom och hur det kan påverka vården för varje patient. Jag märkte att många av mutationerna jag undersökte misstänkt påverkade regioner av proteinet som jag trodde kunde vara inblandade. i kondens, säger Banani. "Det fick mig att undra hur ofta mänskliga sjukdomsmutationer påverkar kondensatbildande regioner, om vi hade förbisett en potentiellt utbredd orsak till mänsklig sjukdom, och om patologer borde överväga kondensationsegenskaper i någon av våra bedömningar av mutationer."

När Banani gick med i Young-labbet var den potentiella kliniska betydelsen av mutationer i kondensatbildande proteiner färskt i minnet. Doktorander i Young Lab och medförfattare till tidningen Lena Afeyan och Susana Wilson Hawken, som hade studerat hur droger interagerar med kondensat, var också ivriga att ta itu med frågan om hur brett kondensat bidrar till sjukdomar.

Kondensat och sjukdomar

Forskarna sammanställde en lista över proteiner som troddes bilda kondensat och kartlade var de kondensatbildande regionerna finns inom varje protein. De gjorde också en lista över genetiska mutationer som är kända för att orsaka eller bidra till en mängd olika sjukdomar, inklusive sjukdomar där en mutation till en enda gen är ansvarig för sjukdomen och ett antal cancerformer. Därefter kartlade forskarna varje mutation till den del av varje protein som den påverkar. Från detta arbete skapade de en lista över sjukdomsorsakande mutationer som förekommer inom de kondensatbildande regionerna av proteinerna. De antog att dessa mutationer med största sannolikhet skulle påverka proteinernas förmåga att bilda kondensat.

Forskarna slutade med en katalog med mer än 36 000 sjukdomsorsakande mutationer, som påverkar mer än 1 000 proteiner, som sannolikt stör kondensat. Mutationerna i katalogen bidrar till mer än 1 700 sjukdomar, inklusive mer än 550 cancerformer, som tillsammans påverkar varje del av kroppen. Nu hoppas forskarna att människor som studerar dessa sjukdomar kan använda sin katalog som en startpunkt för att testa om kondensatavbrott faktiskt kan vara en mekanism som ligger bakom sjukdomen. Detta kan i sin tur ge möjligheter att utveckla terapier som riktar sig mot kondensat.

"Om vi ​​nu vet att en mutation påverkar ett protein som sannolikt finns i ett kondensat, kan vi testa i celler för att se om och hur mutationen påverkar kondensatet och om denna effekt är relevant för den underliggande sjukdomen", säger Wilson Hawken. "Då skulle vi kunna testa en panel med läkemedel för att se om vi kunde rädda normal kondensatbildning och om detta skulle vara ett bra sätt att behandla just den sjukdomen."

Forskarna testade ett urval av proteinerna och mutationerna från deras katalog för att verifiera att katalogen är en bra prediktor för mutationer som stör kondensat. De valde ut tretton proteiner som kan bilda kondensat i embryonala musstamceller och introducerade relevanta sjukdomsframkallande mutationer till proteinerna i dessa celler. Av de femton mutationer de introducerade, tretton störda kondensat; denna höga frekvens av störningar tyder på att katalogen är ett starkt prediktivt verktyg.

Intressant nog störde olika mutationer kondensat på olika sätt. Den vanligaste effekten var att minska proteinernas förmåga att sammanfoga kondensat. Men en mutation ökade istället proteinernas förmåga att sammanfoga kondensat, och en annan påverkade var kondensaten hamnade i celler – över hela cellen istället för att finnas i kärnan. Att bestämma det specifika sätt på vilket en mutation påverkar kondensat kommer att vara viktigt för att förstå sjukdomsmekanismer och utveckla läkemedel för att vända mutationens effekter.

"Denna katalog är en bra utgångspunkt för att ställa många frågor om kondensatdysreglering som en sjukdomsmekanism, till exempel hur påverkar förändringar i kondensatens egenskaper de cellulära processerna som sker i dessa kondensat? Vi och andra tror att kondensat kan ha djupgående konsekvenser för kondensaten. sjukdomar och läkemedelsutveckling, precis som de har haft inom grundläggande molekylärbiologi, och vår förhoppning med den här katalogen är att vi kan sänka inträdesbarriären för många fler sjukdomsforskare att börja studera dem, säger Afeyan.

Forskarna hoppas att deras katalog visar sig användbar i andras forskning, och de hoppas också att den ökar medvetenheten om den sannolika genomträngningen av kondensat dysregulation i sjukdomar, även bortom fallen i katalogen.

"Det finns sannolikt många fall som inte omfattas av katalogen, till exempel när mutationen inte direkt påverkar det kondensatbildande proteinet, utan snarare påverkar en av dess regulatorer," säger Young. "Jag tror att vi bara ser toppen av isberget när det gäller förekomsten av kondensat dysregulation i sjukdomar. Min vision för framtiden är att forskare kommer att överväga en kondensatmodell bland de konventionella modellerna när de söker efter den potentiella underliggande sjukdomsmekanismen för eventuella mutation."