Intracellulär sortering

Resan börjar i det endoplasmatiska retikulet, som finns i två varianter med tydlig arbetsdelning. Det grova (rER), klätt i ribosomer, bygger och vecklar proteiner. Det glatta (sER) sköter lipider, hormoner, kalciumlager och avgiftning.

Signal Recognition Particle (SRP)

Hur vet ribosomen att just det här proteinet ska in i ER? Svaret är en signalpeptid i proteinets N-terminal som fångas upp av SRP redan medan kedjan byggs:

1. 1SRP binder signalpeptiden på den nybildade (nascenta) polypeptiden
2. 2Translationen pausas temporärt så att inget exponeras i förtid
3. 3SRP guidar hela ribosom–mRNA-komplexet till ER-membranet
4. 4SRP-receptorn tar emot komplexet och initierar translokationen genom membranet

sER: vävnadsspecificitet

Mängden glatt ER speglar cellens uppgift. Tre exempel:

Från ER skickas proteinerna vidare till Golgi, som fungerar som ett löpande band med tre stationer. Cis tar emot vesiklar från ER, medial modifierar sockerkedjorna stegvis, och trans-Golgi-nätverket (TGN) är cellens stora sorteringscentral, där varje protein får sin slutdestination. Det är också här lysosomernas adresslapp läses av.

N- vs O-länkad glykosylering

Glykosylering, att hänga på sockerkedjor, sker på två sätt. De skiljer sig i var de börjar, vilken aminosyra de fäster på och hur prekursorn ser ut.

Lysosomen är cellens återvinningscentral och sopförbränning i ett, en sur, enzymfylld blåsa där makromolekyler bryts ner till byggstenar som kan återanvändas. Två egenskaper gör den möjlig: den sura miljön och den stora arsenalen av hydrolaser.

Mannos-6-fosfat-pathway

Ett lysosomalt enzym färdas till en början samma väg som alla andra sekretoriska proteiner. Det som styr det rätt är en kemisk adresslapp, mannos-6-fosfat (M6P), som sätts på enzymet och läses av i TGN.

1. 1Enzymsyntes, de lysosomala enzymerna byggs i rER som vanliga sekretoriska proteiner
2. 2M6P-märkning, GlcNAc-fosfotransferas adderar adresslappen i cis-Golgi
3. 3Receptorbindning, M6P-receptorn (MPR) i TGN känner igen och binder lappen
4. 4Vesikelbildning, enzymet packas i clathrinklädda vesiklar från TGN
5. 5Lysosomal leverans, vesikeln fuserar med endosom/prelysosom; det sura pH:t släpper enzymet och receptorn recyklas

Stegen bildar en sammanhängande resa: insertion i ER, kvalitetskontroll och veckning, och slutligen vesikulär transport vidare. Lysosomala enzymer, sekretoriska proteiner och membranproteiner följer alla samma huvudväg.

1 · ER-insertion (SRP-beroende)

2 · ER-processering (kvalitetskontroll)

ER släpper bara vidare korrekt veckade proteiner. Chaperoner hjälper veckningen och kvalitetskontrollen fångar upp de felveckade innan de skickas iväg.

Proteinveckning

BiP (GRP78), ER:s centrala chaperon, binder hydrofoba regioner och hjälper proteinet vecka sig rätt

Disulfidbroar

PDI (protein-disulfidisomeras) bildar och korrigerar S-S-bryggor

N-glykosylering

OST-komplexet överför sockerkedjan en-bloc till Asn

ERAD

ER-associerad degradation, felveckade proteiner skickas till proteasomen för nedbrytning

3 · Vesikulär transport

Mellan ER och Golgi pendlar två sorters vesiklar i motsatt riktning. Coat-proteinet avgör vart de far.

Cellen tar också in material, och även den vägen är receptorstyrd och vesikelburen. Mest selektiv är clathrinmedierad endocytos, som plockar upp specifika ligander via sina receptorer.

Receptormedierad (clathrin) endocytos

1. 1Ligandbindning, specifik receptor–ligand-interaktion vid cellytan
2. 2Clathrinhölje byggs, AP2-adaptiner rekryterar clathrin till membranet
3. 3Invagination, membranet böjs inåt och bildar en grop
4. 4Dynaminmedierad avsnörning, vesikeln knips av från membranet
5. 5Avhöljning, auxilin och HSP70 tar bort clathrinhöljet så vesikeln kan fusera vidare

Övriga upptagsvägar

Varje vesikel måste hitta rätt målmembran och smälta samman med det. Två proteinfamiljer delar på jobbet: SNARE svetsar ihop membranen, medan Rab-GTPaser ger adressen och avgör vart vesikeln ska. v-SNARE och t-SNARE skiljs åt av vilket membran de sitter på.

Fusionsprocessen

1. 1SNARE-parning, v-SNARE på vesikeln möter t-SNARE på målmembranet
2. 2Trans-SNARE-komplex, proteinerna tvinnas till en stram helixbunt
3. 3Membranen dras ihop, komplexet drar de två membranen mot varandra
4. 4Membranfusion, lipidlagren smälter samman och porten öppnas
5. 5Cis-SNARE-komplex, efter fusionen sitter alla SNARE i samma membran
6. 6NSF/α-SNAP-demontering, komplexet plockas isär med ATP så proteinerna kan återanvändas

Rab-GTPaser: kompartmentadresser

Människan har runt 70 olika Rab-proteiner, förankrade i membranen via geranylgeranyl-svansar. De växlar mellan ett aktivt GTP-bundet och ett inaktivt GDP-bundet tillstånd, och ger på så vis varje kompartment sin egen molekylära adress.

Vesiklar driver inte fritt genom cytoplasman. De fraktas aktivt längs mikrotubuli av motorproteiner som vandrar i bestämda riktningar. Två motorer drar last åt motsatta håll, och riktningen är det centrala att hålla isär.

Viktiga kinesintyper

Många organeller bär både kinesin och dynein samtidigt. Vilken riktning lasten rör sig avgörs av balansen mellan motorerna, där lokala signaler och cargospecifika adaptrar bestämmer vem som drar starkast just då.

Hurlers syndrom är den svåraste formen av mukopolysackaridos typ I och beror på brist på ett enda lysosomalt enzym. Eftersom det enzymet behövs i nästan alla vävnader blir konsekvenserna systemiska.

Molekylär grund

Enzymdefekt

Brist på α-L-iduronidas (genen IDUA)

Genetik

Autosomalt recessiv, genen ligger på kromosom 4 (4p16.3)

Prevalens

Cirka 1 på 100 000 födslar

Substrat som ansamlas

Dermatansulfat (bindväv, hjärtklaffar) och heparansulfat (bl.a. CNS) → progressiv lysosomal inlagring

Inlagringen börjar i cellen och når sedan vävnadsnivå. Lysosomerna sväller och stör flera processer, och kliniskt slår det mot de organ som är rikast på de inlagrade GAG-erna.

Linas symtom följer av substraten som inte bryts ner. Glykosaminoglykaner (GAG) är långa, sulfaterade sockerkedjor som ger bindväv struktur och binder tillväxtfaktorer. De två som ackumuleras i Hurlers, dermatan- och heparansulfat, förklarar varför sjukdomen drabbar skelett, hjärtklaffar och nervsystem.

GAG-nedbrytningsväg

Nedbrytningen sker stegvis i lysosomen, där en kedja av enzymer klyver bort en sockerenhet i taget. Stegen måste ske i ordning: saknas ett enzym kan inget enzym längre fram komma åt sitt substrat.

1. 1Endocytos, GAG-rika proteoglykaner tas upp i cellen
2. 2Lysosomal nedbrytning, kedjan kortas stegvis, en enhet i taget
3. 3α-L-iduronidas-steget, enzymet klyver iduronsyrabindningar
4. 4Vidare nedbrytning, efterföljande lysosomala enzymer tar vid
5. 5Återvinning, enkla sockerarter och sulfat frigörs och återanvänds

α-L-iduronidas ligger mitt i kedjan. Saknas det stannar nedbrytningen där, och substratet ansamlas progressivt i lysosomen. En enda enzymbrist räcker alltså för att blockera nedbrytningen helt.

Hur ställs diagnosen, och vad kan vi erbjuda Lina? Utredningen går från klinisk misstanke till säkerställd enzym- och gendefekt. Behandlingen syftar till att ersätta det som fattas.

Diagnostik (stegvis)

1. 1Klinisk misstanke, den karakteristiska fenotypen väcker frågan
2. 2GAG-screening, kvantifiering av glykosaminoglykaner i urin
3. 3Enzymanalys, mätning av α-L-iduronidas-aktivitet (bekräftar diagnosen)
4. 4Molekylär genetik, IDUA-genanalys identifierar mutationen
5. 5Bilddiagnostik, skelettöversikt och MR hjärna kartlägger organengagemang

Behandling

Linas sjukdom visar hur en enda enzymdefekt, via störd intracellulär sortering och nedbrytning, ger en systemisk sjukdomsbild. Kedjan löper i tre led, där varje led följer på det föregående.

1. 1Enzymdefekt → substratansamling, α-L-iduronidas-brist gör att GAG ansamlas i lysosomerna
2. 2Cellulär dysfunktion, inlagringen stör autofagi, energimetabolism och cellens normala funktion
3. 3Systemiska effekter, yttrar sig som utvecklingsförsening, organomegali och skelettdeformiteter

Terapeutiska ansatser

Varje led i kedjan ger en angreppspunkt, och så tänker man kring behandling av lysosomala lagringssjukdomar i stort.

Enzymersättning

Tillför det enzym som saknas (ERT)

Substratreduktion

Minskar produktionen av det material som ansamlas

Cellterapi

Transplanterar friska celler som producerar enzymet

Genterapi

Korrigerar den underliggande genetiska defekten