Degeneracija mišića, najčešći uzrok slabosti kod naslednih bolesti i starenja, može biti uzrokovana nedostatkom jednog ključnog enzima u putu biosinteze lipida. Istraživači sa Instituta za molekularnu biotehnologiju (IMBA) Austrijske akademije nauka karakterišu kako enzim PCIT2 utiče na zdravlje mišića u bolestima i starenju na laboratorijskim modelima miševa. Nalazi su objavljeni u časopisu Nature Metabolism.
Degeneracija mišića u naslednim bolestima i starenje pogađa stotine miliona ljudi širom sveta. Degeneracija skeletnih mišića, rezervoara proteina u telu, dovodi do opšteg fiziološkog opadanja, stanja koje se naziva slabost. Sada, istraživački tim koji predvode Domagoj Cikes sa IMBA i Josef Penninger sa IMBA i Univerziteta Britanske Kolumbije (UBC) otkriva centralnu ulogu enzima zvanog PCIT2 u zdravlju mišića.
PCIT2 je poznat kao enzim usko grlo u glavnom putu sinteze fosfolipida dobijenih iz etanolamina, fosfatidiletanolamina (PE). Na osnovu podataka o pacijentima i korišćenjem laboratorijskih modela miša i zebrice, oni pokazuju da su mutacije koje utiču na PCIT2, ili njegovu smanjenu aktivnost, očuvana obeležja degeneracije mišića kod kičmenjaka. Konkretno, oni pokazuju da nedostatak PCIT2 u mišićima utiče na funkciju mitohondrija i fizičko-hemijske osobine membrane miofibera.
Lipidi su sveprisutno prisutni u biološkim membranama i prisutni su u posebno visokim koncentracijama u membranama nervnih ćelija i nervnih tkiva. Nakon izveštaja da molekuli zasnovani na PE povećavaju rigidnost membrane liposoma, Domagoj Cikes, ko-korespondent studije i bivši postdoktorski istraživač u Penninger laboratoriji na IMBA, pretpostavio je da ova vrsta lipida može igrati važnu ulogu u tkivima izloženim konstantnom uticaju. stres na smicanje, kao što je mišićno tkivo.
„Ova pretpostavka me je navela da selektivno iscrpim PCIT2 u mišićnim tkivima životinjskih modela i proučim ishod. Paralelno, kliničari su prijavili pacijente slučajeve mutacija koje utiču na PCIT2. Pacijenti su imali stanje koje se naziva složena nasledna spastična paraplegija, teška, multi-simptomatska bolest. karakteriše slabost mišića nogu, ukočenost i gubitak mišića koji se vremenom pogoršavao. Međutim, s obzirom na to da je bolest tek nedavno otkrivena, osnovna patofiziološka biologija je uveliko nepoznata“, kaže Cikes.
Istraživači su pokazali da su nivoi funkcionalnog PCIT2 povezani sa zdravljem ljudskih mišića i utiču na mišićno tkivo miševa i zebrica. Modeli miša su posebno pokazali upečatljive i ozbiljne fenotipove usporavanja rasta mišića i brzog pogoršanja nakon iscrpljivanja PCIT2. Oni su primetili da ovaj fenotip brzog propadanja na modelima miša podseća na ubrzano starenje. Tako su Cikes i kolege pokazali da PCIT2 igra očuvanu ulogu kod kičmenjaka.
PE su takođe u izobilju u mitohondrijalnim membranama. Stoga su istraživači ispitali kako osiromašenje PCIT2 u mišićnim tkivima utiče na homeostazu mitohondrijalne membrane i otkrili da je smanjenje PCIT2 zaista promenilo mitohondrijalnu funkciju i energiju mišića. Međutim, mitohondrijski terapijski pristup nije bio dovoljan da spase fenotip kod miševa.
„Ovo nas je navelo da pomislimo da mora postojati dodatni mehanizam koji pokreće patologiju“, kaže Cikes. Zaista, tim je pokazao da je organizacija lipidnog dvosloja ćelijske membrane igrala dodatnu ulogu. „Ovo predstavlja novi patofiziološki mehanizam koji bi takođe mogao biti prisutan u drugim poremećajima povezanim sa lipidima“, kaže Cikes.
Pored toga, tim je pokazao da se aktivnost PCIT2 smanjila tokom starenja kod ljudi i miševa. Koristeći tehniku ciljane isporuke aktivnog PCIT2, naučnici su uspeli da spasu slabost mišića kod modela miša sa osiromašenim PCIT2 i poboljšaju snagu mišića kod starih miševa.
Povezujući zdravlje mišića kod kičmenjaka sa PE i sastavom mišićne membrane, istraživači su proučavali ulogu vrsta lipida u biološkim membranama. Kako je biološki rad sa lipidima posebno izazovan, oni su takođe morali da razmisle o načinima da unaprede dostupne istraživačke aplikacije. Prilagođavanjem tehnike koju je razvio Kareem Elsaiad u Vienna BioCenter Core Facilities (VBCF) za merenje krutosti tkiva korišćenjem Brillouin Light Scattering (BLS), istraživači su bili u mogućnosti da ispitaju fizička svojstva bioloških membrana.
Sa ovom tehnikom, tim je pokazao značajno smanjenje krutosti površine membrane kada je PCIT2 bio iscrpljen u mišićima miša. „Pored toga, naš trenutni rad pravi još jedan korak napred u oblasti biologije lipida, jer smo bili u mogućnosti da zavirimo u lipidni dvosloj ćelijskih membrana i ispitamo lokalna svojstva strukturnih lipida“, kaže Cikes.
Tehnika se zasniva na izolovanju džinovskih vezikula plazma membrane (GPMV) iz bioloških tkiva i proučavanju fizičko-hemijskih osobina i geometrije dvosloja membrane pomoću interkalirajuće boje. Ovaj pristup omogućava naučnicima da ispitaju koliko su lipidi u dvosloju usklađeni i da li primećuju praznine, hidrofilne komponente i curenja kroz membranu.
„Sadašnje znanje o biologiji lipida je u velikoj meri previše pojednostavljeno. Celo polje lipida je sažeto u nekoliko molekularnih porodica, kao što su holesterol, trigliceridi, fosfolipidi i masne kiseline. To je ogroman i neistražen molekularni univerzum u kome funkcija većine vrsta u zdravlju i bolesti je nepoznat“, kaže Cikes.
Bacajući svijetlo na centralni efekat puta biosinteze lipida na zdravlje mišića, Cikes i tim žele da istaknu važnost i potencijal otkrića istraživanja lipida. „Naš trenutni rad pokazuje osnovnu, specifičnu i očuvanu ulogu PCIT2 posredovane sinteze lipida u zdravlju mišića kičmenjaka i omogućava nam da istražimo nove terapeutske puteve za poboljšanje zdravlja mišića kod retkih bolesti i starenja“, zaključuje Penninger.
