Биомедицина: Редкая возможность
Нарушения в работе лизосом могут приводить не только к лизосомным болезням накопления. Этот ключевой компонент клетки играет неожиданную роль в развитии некоторых распространённых и комплексных заболеваний.
Болезнь Ниманна-Пика типа С относится к лизосомным болезням накопления (ЛБН) и поражает 1 из 150 000 человек. Примерно в 95% случаев причиной заболевания является дефект гена NPC1, вызывающий накопление холестерола в лизосомах всех клеток тела, что ведёт к разрушительным последствиям. Ребёнок, поражённый болезнью Ниманна-Пика типа С, вряд ли доживёт до 20 лет. На первый взгляд, эта болезнь почти никак не связана с вирусом Эбола, передающимся через жидкости тела и вызывающим тяжёлую геморрагическую лихорадку, унесшую жизни более 11 000 человек в Западной Африке в период с 2014 по 2016 год. Однако, оказывается, что болезнь Ниманна-Пика типа С может дать ключ к тому, как блокировать передачу вируса: человеческие клетки с недостатком гена NPC1 устойчивы к вирусу Эбола.
“Большим сюрпризом стало открытие [1] того, что рецептор к вирусу Эбола расположен не на поверхности клетки, а внутри неё и даже, более того, внутри лизосомы”, — говорит биолог Фрэн Платт (Fran Platt), изучающий болезнь Ниманна-Пика в Университете Оксфорда, Великобритания. Ещё десять лет назад лизосома рассматривалась как заурядная органелла и считалась не более чем пузырьком с пищеварительными ферментами, присутствующим внутри каждой клетки. Но с тех пор всё изменилось.
“Сегодня значение лизосом пересмотрено”, — утверждает Стивен Уолкли (Steven Walkley), нейробиолог из Медицинского Колледжа Альберта Эйнштейна в Нью Йорке, изучающий ЛБН и участвовавший в изучении вируса Эбола [2]. Он подчёркивает, что лизосома рассматривается не как простой и относительно неважный пузырёк, а как значительный компонент жизни клетки. За последние несколько лет исследователи поняли, что лизосомы не только необходимы для разрушения нежелательных молекул и отживших своё время органелл, но также важны для клеточного метаболизма и способности распознавать питательные вещества.
“Эти функции означают, что лизосомы могут играть роль не только в ЛБН, но и во множестве других заболеваний человека”, — говорит Платт. Так, болезнь Ниманна-Пика типа С имеет неофициальное прозвище “детский Альцгеймер”, так как у этих двух заболеваний имеются общие симптомы и пути патогенеза. У детей, поражённых этой ЛБН, в нейронах накапливаются крупные клубки нитей тау-белка, идентичные тем, которые выявляются в мозге взрослых с болезнью Альцгеймера.
По словам Платта, есть вероятность, что в ближайшие годы редкие лизосомные заболевания помогут исследователям понять и другие болезни. Существует более 50 известных ЛБН и каждая из них по-своему влияет на клетку, например, нарушая баланс кальция, усиливая окислительный стресс и воспаление, или же изменяя транспорт липидов. Клеточная биология может казаться пугающей, но причиной многих ЛБН являются мутации единичных генов, поэтому они могут обеспечить простой путь для выяснения роли лизосомной патологии в развитии более распространённых, комплексных заболеваний.
Могут ли исследования лизосомных болезней открыть возможный способ предотвращения вспышек лихорадки Эбола, подобных возникшей в 2014 году в Восточной Африке?
Переосмысленные лизосомы
Пересмотр роли лизосом во многом был обусловлен двумя направлениями исследования. Одно из них началось в 2008 в лаборатории Дэвида Сабатини в Институте биомедицинских исследований Уайтхэда в Кембридже, штат Массачусетс. Его команда экспериментировала с киназой mTOR (mammalian target of rapamycin — мишень рапамицина у млекопитающих), которая связана с длинным списком заболеваний человека. Вместе с другими белками, mTOR формирует комплекс под названием mTORC1. Когда mTORC1 распознаёт присутствие аминокислот — структурных элементов белков (прим. ред.: а также mTORC1 распознает присутствие факторов роста), он подаёт сигнал, активирующий биосинтез белка. Исследователи открыли [3], что при недостатке аминокислот комплексы mTORC1 находятся в цитоплазме клеток, однако, при появлении в клетке аминокислот, mTORC1 перемещаются на поверхность лизосом.
Тот факт, что белки-партнёры mTORC1 чувствительны к аминокислотам (прим. ред.: и факторам роста), позволяет предположить, что лизосомы являются компонентом системы распознавания питательных веществ — эта идея отталкивает многих исследователей. “Внезапно оказалось, что эта клеточная структура, которую многие считали мусорным ведром или фабрикой переработки веществ, несомненно, взаимодействует с другими органеллами клетки”, — вспоминает Сабатини.
Примерно в то же время, когда команда из Уайтхеда установила связь лизосом со способностью к распознаванию питательных веществ, молекулярный генетик Андреа Баллабио (Andrea Ballabio) и его коллеги из Института Генетики и Медицины Телетона в Неаполе, Италия, опровергли представление о том, что лизосома является малоэффективной органеллой, в которой не происходит никаких изменений. В их представлении, лизосома — динамичная структура, отвечающая на изменения окружающей среды, а для управления её поведением требуется сеть генов. Исходя из этого, команда Баллабио провела выявление совместно экспрессирующихся генов в базах данных и обнаружила сотни генов лизосом [4], которые они объединили в сеть CLEAR (coordinated lysosomal expression and regulation — координированной экспрессии и регуляции в лизосомах). Они открыли, что регуляцию генов CLEAR осуществляет управляющий белок TFEB (транскрипционный фактор-EB). «Я был изумлён», — говорит Баллабио и добавляет, что до этого открытия гены лизосом считались всего лишь генами домашнего хозяйства, которые не подвергаются тонкой регуляции.
Эти две части лизосомной головоломки сложились в 2012 году благодаря двум независимым исследованиям. Первое — результат сотрудничества между группами Баллабио и Сабатини — показало [5], что взаимодействие TFEB и mTORC1 происходит на поверхности лизосомы. В нормальных условиях, mTORC1 на поверхности лизосомы связывается с молекулами TFEB и инактивирует их. Когда клетка испытывает голод, mTORC1 перестаёт сцепляться с TFEB, которые перемещаются в ядро и участвуют в синтезе новых лизосомных белков.
Второе исследование [6] проводилось под руководством клеточного биолога Шона Фергюсона (Shawn Ferguson) в Университете Йеля в Нью Хейвене, штат Коннектикут, обнаружившего TFEB на поверхности лизосомы. “Первое наблюдение под микроскопом было одним из самых захватывающих”, — вспоминает Фергюсон. Он понял, что в партнёрстве с транскрипционным фактором, лизосома может помогать контролировать экспрессию генов.
По словам Сабатини, установление взаимосвязи между mTORC1 и TFEB помогло убедить скептиков в том, что лизосомы действительно являются частью активного процесса передачи сигнала, а не его финишной чертой. “Это было важно для данной области исследований. Сейчас мы наблюдаем ситуацию, когда лизосома регулирует mTORC1, а mTORC1 регулирует лизосому, — говорит учёный. — Это, скорее, очень извилистый путь, нежели прямой”.
Эти исследования помогли оспорить отношение учёных к лизосомным болезням, как к простым проблемам с утилизацией веществ, ведь накапливаемые метаболиты также важны для клетки в качестве источника структурных элементов для новых молекул. “В результате, — говорит Уолкли, — вернее будет воспринимать лизосомные болезни как болезни ‘недостаточности’ , хотя в будущих исследованиях потребуется подтвердить эту идею”.
Дорога к терапии
Понимание роли лизосом оказывает огромное влияние на лечение заболеваний. Например, учёные исследуют, может ли ускорение движения молекул в лизосомах и взаимосвязанных органеллах помочь с очищением клетки от нежелательных веществ. Это многообещающий метод лечения болезни Ниманна-Пика типа С, при которой перемещение молекул внутри клетки нарушено. Некоторые исследовательские группы ищут возможность применения препаратов, индуцирующих аутофагию — процесс доставки молекул и органелл к лизосомам для их деградации — и имеющих потенциал в лечении, к примеру, заболеваний мозга.
Одним из способов усиления выведения накопленных молекул из клетки является повышение содержания TFEB или его мишеней. Повышение уровня TFEB приводит к появлению большего числа лизосом и стимулирует аутофагию, которая подталкивает клетки к расщеплению и выведению большего числа своих компонентов. По-видимому, TFEB ускоряет необычный, но интригующий процесс под названием “лизосомный экзоцитоз”, при котором лизосома выбрасывает своё содержимое из клетки, чтобы удалить избыток накопленного вещества.
По словам Баллабио, так как TFEB представляет собой транскрипционный фактор, он координирует активность сотен генов в течение длительного периода времени. Этот механизм намного мощнее, чем многие виды терапии, нацеленные на отдельные ферменты, например, вовлечённые в пост-транскрипционную модификацию и способные работать только в течение ограниченного периода времени. Однако, эта широко распространённая и длительная активность может вызывать и тревогу насчёт безопасности, так как она способна подпитывать зарождающиеся опухолевые клетки. Поэтому группа Балабио изучает, как безопасно активировать вышеописанный путь, и надеется разработать для TFEB обратимый активатор. Также учёные пристально изучают мишени TFEB и их функции и надеются, что их исследования позволят создать новые мишени.
Работа Баллабио и других групп с животными и клеточными моделями показала, что манипуляции с TFEB теоретически могут излечивать определённый спектр заболеваний, включая болезнь Паркинсона, рак и ожирение. “Благодаря запуску этого пути могут быть устранены даже бактериальные и паразитарные инфекции”, — говорит Баллабио.
Сегодня, когда известно, что лизосомы играют ключевую роль во многих заболеваниях, исследователи интересуются, может ли терапевтическая стратегия для ЛБН предоставить информацию для лечения более распространённых заболеваний. Причиной многих ЛБН является недостаток определённых лизосомных ферментов. Тем не менее, применяемая в данный момент стратегия по замещению этих ферментов малоэффективна для лечения неврологических заболеваний, так как ни один из применяемых препаратов не преодолевает гематоэнцефалический барьер.
Андреа Баллабио (справа) и его команда надеются использовать сигнальный путь лизосом для лечения некоторых заболеваний.
Тем не менее, понимание роли лизосом в этих более распространённых заболеваниях поможет получить новую информацию для лечения. Дефекты лизосом могут и не являться причиной заболевания, однако излечение таких дефектов должно помочь улучшению качества жизни пациентов, как говорит Платт: “Это первая ступень, которой мы должны достигнуть”.
Болезни мозга
По словам Платта, редкие заболевания, например, болезнь Ниманна-Пика, открывают важный путь к пониманию распространённых заболеваний, в особенности нейродегенеративных. Мозг особенно чувствителен к дефектам лизосом и прочих органелл, так как нейроны не способны к делению. Поэтому незначительное нарушение способности клетки перерабатывать вещества со временем приведёт к накоплению этих веществ в нейронах. Даже у здоровых людей в процессе старения мозг “замусоривается”, в то время как клетки тела при делении способны распределять любые накапливающиеся вещества.
Генетические исследования раскрыли множество весьма неожиданных взаимосвязей между редкими болезнями у детей и распространёнными заболеваниями у взрослых. Например, болезнь Гоше вызвана мутациями гена, кодирующими глюкоцереброзидазу — лизосомный фермент, связанный с синтезом липидов. Та же самая мутация сегодня известна как распространённый фактор риска болезни Паркинсона.
Около 10 лет назад учёные обнаружили [7], что у людей, имеющих лишь одну функционирующую копию гена, кодирующего програнулин — белок, вовлечённый в воспаление и заживление ран — с определённой вероятностью разовьётся лобно-височная деменция, нейродегенеративное заболевание с поздним началом. Позже, около 5 лет назад, исследователи описали редкий случай ЛБН [8], когда у сибсов с отсутствием обеих функциональных копий гена програнулина в раннем детстве развился нейрональный цероидный липофусциноз или болезнь Баттена. Оказалось, что програнулин обнаруживается в лизосомах, а его регуляцию осуществляет основной регулятор TFEB.
Как утверждает Фергюсон, такие истории поддерживают идею о том, что дефекты лизосомного накопления могут представлять собой спектр, где более тяжёлые поражения проявляются в первые годы жизни, как в случае ЛБН, а более мягкие состояния возникают позже. Вышеописанные случаи с програнулином и глюкоцереброзидазой дают основание предполагать, что тяжесть заболевания зависит от степени экспрессии у индивида конкретных генов (дозировки генов), связанных с лизосомами. “Пять лет назад об этом лишь ходили слухи”, — говорит Фергюсон, но сегодня установление взаимосвязи между редкими и распространёнными заболеваниями привело изучающих их исследователей к общему мнению.
Выявляются новые доказательства того, что дефектные лизосомы также могут препятствовать развитию распространённых заболеваний мозга. В 2010, нейробиолог Ральф Никсон (Ralph Nixon) из медицинского центра Лангон Университета Нью Йорка обнаружил [9], что ген, мутация которого обычно выявляется при болезни Альцгеймера с ранним началом, требуется лизосомам для их нормального функционирования. Этот ген, кодирующий белок пресенилин, позволяет молекулярному комплексу под названием вакуолярная АТФаза (v-АТФаза) осуществлять сборку на мембране лизосомы и окислять её содержимое, что необходимо для разрушения нежелательных веществ. По словам Никсона, эти результаты поддерживают идею о том, что мутации пресенилина ускоряют развитие болезни Альцгеймера, приводя к аномальному лизосомному накоплению в мозге.
По словам Никсона, хотя полученные доказательства строго указывают на разрушение системы лизосом при болезни Альцгеймера, идея о возможной роли вакуолярной АТФазы в этом процессе была настолько нестандартной, что многие исследователи болезни Альцгеймера — в особенности верившие в то, что основной причиной заболевания является амилоид — восприняли её крайне скептично: “Я рассматривал роль амилоида, но получил основания предполагать наличие прямой связи между генами и лизосомами, для которой не требуется амилоид в качестве инициатора заболевания”. Некоторые исследователи оспаривают выводы Никсона, но, по его словам, исследование [10], проведённое его группой в прошлом году, подтвердило полученные им результаты.
С тех пор исследователи обнаружили ещё шесть заболеваний мозга, в патогенез которых вовлечены и вакуолярная АТФаза и лизосомы. “Идея о том, что пресенилин может вносить наиболее значительный вклад в патогенез болезни Альцгеймера путём нарушения окисления лизосом, больше не представляет чрезвычайно сложную задачу, — говорит Никсон. — Скорее, это верхушка айсберга”. Он предсказывает, что будет выявлено ещё больше примеров нарушения функции лизосом при распространённых заболеваниях.
“Мы многое узнали из исследований в области болезни Ниманна-Пика и это помогло нам понять, как разработать лечение от болезни, вызываемой вирусом Эбола.”
С момента первых исследований, связь между вирусом Эбола и болезнью Ниманна-Пика типа С продолжает углубляться. Кристаллическая структура вируса, опубликованная ранее в этом году, без всякого сомнения демонстрирует эти взаимоотношения: NPC1 напрямую взаимодействует с внешней оболочкой вируса (см. “Смертельная доставка”). Эта работа указала на возможную терапевтическую цель при заражении вирусом Эбола. “Мы многое узнали из исследований в области болезни Ниманна-Пика и это помогло нам понять, как разработать лечение от болезни, вызываемой вирусом Эбола”, — говорит микробиолог Картик Чандран (Kartik Chandran) из Колледжа Медицины Альберта Эйнштейна, исследовательская группа которого разрабатывает первый скрининг для выявления NPC1.
Стремясь предотвратить распространение вируса Эбола, группа Чандрана ищет препарат, способный подавлять NPC1. По словам учёного, действие такого препарата будет сходно с запуском у человека болезни Ниманна-Пика на короткое время, и это лекарство будет особенно эффективно в случае работников здравоохранения, которые подвержены острому воздействию вируса. “Это новая стратегия, которая раньше не испытывалась”, — добавляет он. А так как путь заражения в случае других вирусов того же семейства также связан с NPC1, препарат будет полезен и для лечения других филовирусных инфекций, например, при заражении вирусом Марбург.
Семьи, поражённые болезнью Ниманна-Пика типа С внесли неоценимый вклад в запуск исследований ищущих пути предотвращения заражения вирусом Эбола, особенно благодаря предоставлению биологических образцов. Новые исследования вируса Эбола тоже могут однажды помочь этим семьям. В целом, похоже, что исследования, связавшие редкие и распространённые заболевания, оказались взаимовыгодными. “Мы должны держать ответ перед пациентами, поражёнными редкими заболеваниями, — говорит Баллабио. — Мы не можем отказаться от них”.
