Kekurangan Alpha -1 Antitrypsin: Apa yang melindungi yang satu – dan bukan yang lain?

Para peneliti di MPI biokimia telah menggunakan alur kerja proteomik visual dalam spasial untuk mengungkapkan mengapa beberapa pasien dengan defisiensi antitrypsin penyakit herediter alpha-1 tetap sehat meskipun cacat genetik.

Pendeknya:

• Penyakit Herediter Kekurangan Alpha-1-Antitrypsin: Para peneliti telah menemukan mengapa beberapa pasien tetap sehat meskipun cacat genetik, sementara yang lain mengembangkan fibrosis hati yang parah
• Proteomik visual yang dalam: Menggabungkan pencitraan AI dengan spektrometri massa untuk mengungkapkan pola protein yang berbeda dalam sel hati, menunjukkan bagaimana mereka sakit dan mekanisme penyembuhan alami apa yang mereka aktifkan.
• Harapan untuk aplikasi klinis: Salah satu pendekatan yang mungkin adalah pengembangan sistem peringatan dini fibrosis hati berdasarkan respons peroksisomal awal sel hati.

Alpha-1-Antitrypsin adalah yang disebut protease inhibitor, sejenis inhibitor enzim. Ini diproduksi di hati tetapi memberikan efeknya di paru -paru, di mana ia mengatur aktivitas sel kekebalan tubuh. Peraturan ini sangat penting dan respons imun yang terlalu aktif dapat menyebabkan penyakit paru -paru yang serius. Namun, beberapa orang membawa mutasi genetik yang menyebabkan protein alpha-1 tidak terlipat secara tidak benar. Akibatnya, terlalu sedikit fungsional alpha-1 yang diproduksi, dan jumlah yang tidak mencukupi mencapai paru-paru.

Mutasi diwarisi dari satu atau kedua orang tua. Sekitar satu dari 20 orang di Eropa membawa bentuk mutasi heterozigot – diwarisi hanya dari satu orangtua – dan sering tidak mengalami gejala atau hanya yang ringan. Sebaliknya, bentuk homozigot yang lebih jarang, diwarisi dari kedua orang tua, mempengaruhi sekitar satu dari 2.000 orang dan jauh lebih parah. Pasien -pasien ini berisiko lebih tinggi terkena penyakit paru -paru, seperti penyakit paru obstruktif kronis (COPD), tetapi juga komplikasi hati termasuk fibrosis parah atau bahkan tumor.

Satu mutasi, jalur divergen

Sebuah tim peneliti internasional yang dipimpin oleh Prof. Matthias Mann di Max Planck Institute of Biokimia di Martinsried, dekat Munich, kini telah mengungkap wawasan baru yang penting tentang bentuk kondisi homozigot. Penulis pertama Florian Rosenberger, dari Departemen Proteomik dan Transduksi Sinyal, menjelaskan: -dalam bentuk homozigot, sesuatu yang mencolok menonjol. Ini adalah penyakit monogenetik, yang berarti semua pasien membawa mutasi yang sama – jadi secara teori, perkembangan penyakit harus seragam. Tapi itu bukan apa yang kita lihat. Sepertiga pasien mengalami fibrosis hati yang parah, di mana jaringan ikat menumpuk dan merusak fungsi hati. Namun, dua pertiga tetap sehat. Kami ingin memahami mengapa itu terjadi. Mekanisme molekuler apa yang melindungi beberapa pasien sementara yang lain mengalami penyakit?-

Tim ini menggunakan teknik yang disebut dalam proteomik visual dalam, dikembangkan secara kolaboratif dalam martin dan kopenhagen oleh kelompok penelitian proteomik Matthias Mann. Metode ini menerapkan analisis proteome canggih untuk mengidentifikasi mekanisme penyakit. Untuk studi Alpha-1, sampel jaringan hati dari pasien di Jerman dan Denmark dianalisis.

-Kami memeriksa jaringan di seluruh spektrum penuh tahapan penyakit,- Rosenberger melanjutkan. -Bahkan pada tahap awal – ketika tanda -tanda klinis belum muncul – kita dapat mengamati bagaimana tubuh dalam beberapa kasus berhasil menghentikan perkembangan penyakit .- Untuk analisis mereka, para peneliti menggunakan jaringan saraf konvolusional (CNN) – suatu bentuk kecerdasan buatan yang awalnya dilatih untuk mengenali wajah dan objek sehari -hari dalam gambar.

Perbedaan halus dengan dampak besar

CNN juga tampil mengesankan pada gambar jaringan hati manusia. Itu mampu membedakan antara variasi struktural yang halus dalam penyakit ini, terutama cara agregat protein alpha-1 dalam sel hati (hepatosit). Agregat ini adalah ciri khas onset penyakit. -Su CNN dapat mendeteksi perbedaan yang sangat baik dalam morfologi agregat,- kata Rosenberger. Dua bentuk berbeda menonjol: agregat seperti remah dengan struktur kasar, tidak teratur, dan agregat seperti bola dengan penampilan yang lebih jelas. Ini menimbulkan pertanyaan kunci: Apa yang menentukan jenis mana yang muncul – dan apakah mereka secara acak atau bermakna secara biologis?

Di sinilah tim membuat terobosan. Mereka berhasil merekonstruksi urutan peristiwa molekuler – pembentukan remah, bola, dan transisi di antara mereka – dan mengidentifikasi urutan temporal mereka. Agregat seperti remah muncul pertama kali, sebagai respons awal dari sel yang ditekankan. Ini dikaitkan dengan aktivitas di kompartemen sel khusus yang disebut peroxisom. Agregat seperti bola muncul kemudian, selama tahap fibrosis yang lebih maju. Menariknya, bagaimanapun, jenis agregat tidak selalu berkorelasi dengan keparahan penyakit. Bahkan pasien dengan hanya fibrosis ringan dapat menunjukkan morfologi seperti bola canggih.

– Pergeseran dari remah-remah ke bola adalah temuan kunci,- Rosenberger menjelaskan. -Ini mengungkapkan urutan respons kompensasi sel hati yang dipasang dalam upaya untuk memerangi pembentukan agregat – dan dengan itu, fibrosis hati.-

Menuju aplikasi klinis

Analisis gambar berbasis AI yang ditingkatkan memainkan peran penting dalam mengungkap mekanisme ini. – Kemajuan Teknologi yang Berharga dalam Spektrometri Massa sangat penting,- kata Profesor Matthias Mann. -Kami sekarang dapat melakukan pengukuran sel tunggal, memungkinkan kami untuk mengekstrak informasi molekuler terperinci dari hanya sejumlah kecil jaringan-bahkan dari sel hati individu yang sakit.-

Temuan studi-s mungkin segera memiliki relevansi klinis. Perkembangan fibrosis pada individu dengan mutasi homozigot berpotensi dicegah. Dengan meninjau sejarah pasien, kami melihat bahwa mereka yang memiliki fibrosis parah tidak memiliki respons peroksisomal dini,- kata Rosenberger. -Kami sekarang tahu respons ini protektif. Tujuan kami adalah mengembangkan sistem peringatan dini untuk fibrosis hati – cara untuk mengidentifikasi pasien yang berisiko sebelum gejala muncul.-

Dengan meninjau sejarah pasien, kami melihat bahwa mereka yang memiliki fibrosis parah tidak memiliki respon peroksisomal dini.

Aleksander Krag, Profesor di University of Southern Denmark dan Kepala Pusat Penelitian Hati Odense, menekankan:-dengan menangkap akumulasi antitrypsin alpha-1 pada tingkat sel tunggal, kami telah menemukan pemicu molekuler awal tentang bagaimana defisiensi antitrypsin alpha-1 berkembang. Ini menunjuk ke arah target yang dapat ditindaklanjuti yang dapat menyebabkan peningkatan terapi untuk pasien.-

Profesor Pavel Strnad, seorang ahli hepatologi di rumah sakit universitas Aachen dan kolaborator lama pada proyek ini, menambahkan:-lipat protein yang luar biasa adalah pusat dari banyak penyakit manusia, termasuk Parkinson-S dan Alzheimer-S. Mempelajari kondisi monogenik seperti defisiensi antitrypsin alpha-1 memberikan peluang unik untuk lebih memahami perkembangan penyakit. Karya ini memperdalam wawasan kita tentang gangguan lipat protein dan konsekuensinya, dan akan menjadi penting bahkan di luar defisiensi antitrypsin alpha-1.-

Studi ini diterbitkan dalam jurnal Alam.

Glosarium

Proteomik visual yang dalam: Metode proteomik spasial yang dikembangkan di laboratorium Profesor Matthias Mann (Mund et al.,Bioteknologi Alam2022). Metode ini menggabungkan mikroskop modern, kecerdasan buatan, mikrodiseksi laser dan spektrometri massa ultra-sensitif.

Enzim: adalah protein yang bertindak sebagai katalis. Ini berarti bahwa keterlibatan mereka mempercepat reaksi biologis.

Spektrometri massa: adalah teknik analitik yang memisahkan dan mengukur ion sesuai dengan rasio massa-ke-muatannya untuk mengidentifikasi dan mengukur zat atau molekul kimia. Ini adalah teknologi landasan dalam proteomik, memungkinkan identifikasi dan kuantifikasi ribuan protein dalam sampel biologis yang kompleks.

Protease inhibitor : Suatu zat yang menghambat aktivitas enzim yang membelah protein, yang dikenal sebagai protease, untuk mencegah degradasi protein.

Proteome: terdiri dari totalitas semua protein dalam organisme hidup, jaringan atau sel pada titik waktu tertentu. Proteome sangat dinamis dan bereaksi terhadap persyaratan sel, serta penyakit atau pengaruh lingkungan.

Proteomik: adalah studi tentang proteome.

Florian A. Rosenberger, Sophia C. Mädler, Katrine Holtz Thorhauge, Sophia Steigerwald, Malin Fromme, Mikhail Lebedev, Caroline on Weiss, Marc Oeller, Maria Wahle, Andreas Metousis, Maximilian Zwiebel, Niklas A. Schmacke, Sönke Detlefsen, Peter Boor, Ondå EJ Fabián, Soån, Soån, Fraåˆková, Aleksander Krag, Pavel Strnad & Matthias Mann