Два новых выявленных гена объясняют, почему реснички некоторых пациентов не могут очищать слизь в легких

Волосовидные структуры, называемые подвижными ресничками, синхронно колеблются на клетках во многих частях организма, чтобы поддерживать движение жидкостей и частиц, таких как удаление слизи из легких, которую можно откашлять.

Генетические мутации могут нарушить структуру и функцию ресничек и вызвать заболевание. Например, изменения более чем в 50 генах известны как вызывающие первичную цилиарную дискинезию (ПЦД), редкое заболевание, которое может повредить дыхательные пути, внутреннее ухо, сердце, репродуктивный тракт и другие органы. В настоящее время методы лечения могут только замедлить прогрессирование ПЦД, но не остановить и не вылечить его, и предполагается, что от 20% до 30% случаев остаются генетически необъясненными.

Команда исследователей из Гарвардской медицинской школы и Университетской детской больницы Мюнстера в Германии раскрыла детальную структуру и состав недостаточно изученной части реснички, известной как переходная зона, обнаружив, что аномалии в этой зоне могут играть роль в ПЦД и вовлекая два новых гена в это заболевание.

Это открытие, опубликованное в Science, предоставляет объяснение по крайней мере для некоторых пациентов, чья ПЦД была генетической загадкой, и может улучшить способность врачей диагностировать заболевание. Работа также предлагает дополнительные гены и белки для исследователей, которые пытаются разработать методы лечения.

На базовом научном уровне это исследование углубляет понимание того, как работают реснички, и привлекает внимание ученых к переходной зоне при заболеваниях, связанных с подвижными ресничками.

"Это пример того, как объединение структурной биологии in situ с генетикой может решать фундаментальные вопросы и освещать причины заболеваний человека", - сказал соавтор Алан Браун, профессор биологической химии и молекулярной фармакологии в Институте Благаватского при HMS.

Люди с ПЦД обычно испытывают трудности с удалением слизи из легких и пазух носа, а также жидкости из внутреннего уха, часто приводящие к повторным инфекциям, рубцеванию и хронической респираторной болезни.

Недостаточно функционирующие реснички могут также вызывать проблемы с фертильностью и беременностью. Примерно в половине случаев ПЦД один или несколько органов оказываются в неправильных местах или полностью не формируются во время эмбриогенеза.

Большинству людей необходимо унаследовать две копии гена болезни, по одной от каждого родителя, чтобы развилась ПЦД. Заболевание обычно диагностируется в детстве.

Браун и соавтор Хеймут Омран из UCH Мюнстера изучают, как реснички работают нормально и как дисфункция приводит к заболеваниям, известным как цилиопатии. Как педиатр, Омран также видит пациентов с этими заболеваниями.

Две исследовательские группы объединились, чтобы узнать, что они могут узнать, под руководством соавторов Хайся Чжоу, научного сотрудника по биологической химии и молекулярной фармакологии в лаборатории Брауна, и Леи Тербек в лаборатории Омрана. Сотрудники также присоединились из Женевского университета и Бостонского университета.

Исследователи попытались раскрыть секреты переходной зоны, расположенной в основании ресничек. Мутации в этой зоне были связаны с заболеваниями, связанными с неподвижными ресничками, но до этого нового исследования мутации, связанные с ПЦД, затрагивали другую часть реснички.

Чжоу применил передовую технологию визуализации, называемую cryo-FIB-ET, для изучения клеточных культур из оболочки дыхательных путей. В сочетании с инструментами искусственного интеллекта это позволило исследователям захватить структуру переходной зоны вплоть до субнанометрового уровня и определить девять типов белков.

Они обнаружили, что четыре из этих белков образуют комплексы, связывающие вместе основные компоненты ресничек, длинные трубки, известные как дублетные микротрубочки, в переходной зоне. Затем они обнаружили, что мутации в генах двух из этих белков - ECT2L и DZANK1 - нарушают комплексы связывающих структур и приводят к ПЦД.

Команда показала, что вызванные мутациями снижения ECT2L и DZANK1 могут изменять форму ресничек, такие как создание луковичных кончиков, и ухудшать их функцию, предотвращая синхронные колебания и очищение слизи.

Исследователи подозревают, что это происходит потому, что переходная зона служит воротами в основную часть ресничек, и мутации ECT2L и DZANK1 вызывают попадание неправильных белков или исключение их.

Крио-электронная томография, или cryo-ET, - это тип крио-электронной микроскопии, или cryo-EM. Это позволяет ученым быстро замораживать ультратонкие биологические образцы и делать высокоразрешающие снимки под несколькими углами, которые можно реконструировать в трехмерную модель.

Cryo-FIB-ET, или электронная томография, дополненная крио-сфокусированным ионным пучком, использует ионный пучок для вырезания каждого образца на ломтики толщиной 100-250 нанометров, если исходный образец недостаточно тонкий для микроскопа.

Работы были проведены в Гарвардском центре крио-EM для структурной биологии в HMS, который приобрел возможности cryo-FIB-ET в 2022 году.