Мутация даже в одном аллеле гена SERPINA1 нарушает функции митохондрий в клетках печени

Гомозиготная Z-мутация в гене SERPINA1 приводит к дефициту альфа-1-антитрипсина — заболеванию, связанному с поражением печени. Ученые из США показали, что в гепатоцитах с гомо- и гетерозиготной мутацией нарушается работа митохондрий и эндоплазматического ретикулума. Это объясняет повышенный риск повреждений печени для пациентов с Z-мутацией только в одном аллеле.

Credit:
jotalcalvo | 123rf.com


Дефицит альфа-1-антитрипсина — это наследственное состояние, приводящее к хронической болезни печени из-за накопления в ней агрегатов неправильно свернутых белков. Чаще всего причиной заболевания становится мутация в гене SERPINA1 (так называемая Z-мутация), вызывающая аминокислотную замену в альфа-1-антитрипсине, нарушающую его фолдинг. В результате происходит аберрантное накопление белка в эндоплазматическом ретикулуме гепатоцитов. С заболеванием связывают гомозиготную Z-мутацию, однако недавно было показано, что для людей с Z-мутацией в гетерозиготе также существует риск повреждения печени. До сих пор проверить эти данные было сложно, так как не существовало лабораторной модели для изучения биологии гетерозиготных гепатоцитов. Ученые из США попытались решить эту проблему.

Они работали с индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками от гомозиготных пациентов с дефицитом альфа-1-антитрипсина (в работе гомозиготный генотип обозначен как ZZ). С помощью системы CRISPR-Cas9 и одноцепочечной олигодезоксинуклеотидной донорской матрицы ученые скорректировали один или два аллеля в ИПСК, получив линии с генотипами ZZ, MZ (гетерозиготная) или MM (дикого типа). Соответствующий протокол был опубликован ранее. Затем ИПСК дифференцировали в гепатоциты и изучили их свойства.

Гепатоциты MZ секретируют преимущественно нормальный альфа-1-антитрипсин. Детальный анализ этого процесса с использованием радиометок показал, что белок в таких клетках созревает медленнее, а выделяется в среду быстрее по сравнению с контрольными MM-клетками, то есть гетерозиготная мутация нарушает производство альфа-1-антитрипсина.

На следующем этапе ученые проанализировали транскриптомы гепатоцитов ZZ, MZ и MM, полученных из одной линии ИПСК, чтобы оценить влияние гетерозиготной мутации на экспрессию генов. И в ZZ, и в MZ-клетках наблюдалась экспрессия путей, связанных с дисфункцией митохондрий и эндоплазматического ретикулума, в частности, регистрировалась апрегуляция проапоптотического сигналинга и реакции несвернутых белков (unfolded protein response). Кроме того, изменялась экспрессия транскрипционных факторов, вовлеченных в метаболизм, по сравнению с транскриптомом MM, то есть Z-мутации в одном аллеле достаточно для нарушения транскриптома клетки.

О нарушениях метаболизма в MZ-гепатоцитах свидетельствовали и результаты метаболомного анализа, проведенного с помощью жидкостной хроматографии с масс-спектрометрией. Z-мутация ассоциировалась со сниженной окислительной функцией митохондрий и дефектами в цикле мочевины и метаболизме аминокислот.

Чтобы увидеть своими глазами эффекты Z-мутации, на которые указывают транскриптомные и метаболомные данные, ученые обратились к трансмиссионной электронной микроскопии. Они зарегистрировали ультраструктурные аномалии шероховатого эндоплазматического ретикулума в MZ и ZZ-гепатоцитах, но округлые включения наблюдались только в ZZ-клетках. Кристы митохондрий MZ и ZZ-клеток были искривлены, а сами митохондрии были увеличены по сравнению с митохондриями MM-клеток. Такие дефекты структуры должны приводить к аномалиям работы митохондрий, что и было подтверждено респирометрией.

Несмотря на то, что ген SERPINA1 экспрессируется во всех гепатоцитах, агрегаты мутантного белка накапливаются в ЭР гепатоцитов ZZ-пациентов неравномерно. С помощью секвенирования РНК единичных клеток гепатоцитов из сингенных линий MZ, ZZ и MM ученые выявили транскрипционную гетерогенность клеток с гомозиготной и гетерозиготной Z-мутацией. Она затрагивает пути активации реакции несвернутых белков.

Таким образом, фенотип MZ-гепатоцитов занимает промежуточное положение между ZZ- и MM-клетками. Результаты исследования проливают свет на механизм повреждения гепатоцитов при Z-мутации в альфа-1-антитрипсине, которое может повышать риск болезни печени как для гомозиготных носителей этой мутации, так и для гетерозиготных.

«Так как у нас нет специфической терапии для индивидов с болезнью печени, ассоциированной с дефицитом альфа-1-антитрипсина, необходимо лучше понять, что именно происходит в клетках, чтобы мы могли определить новые терапевтические мишени в будущем», — комментирует один из авторов работы Эндрю Уилсон, пульмонолог и директор Центра альфа-1 в Бостонском медицинском центре.

Источник

Joseph E. Kaserman, et al. Human iPSC-hepatocyte modeling of alpha-1 antitrypsin heterozygosity reveals metabolic dysregulation and cellular heterogeneity // Cell Reports, Volume 41, Issue 10, 111775, Deember 06, 2022; DOI: 10.1016/j.celrep.2022.111775

Пресс-релиз

Добавить в избранное