Menargetkan “Proteoletargi” untuk Memulihkan Mobilitas Protein Mungkin Merupakan Pendekatan Terapi untuk Penyakit Kronis

Penyakit kronis seperti diabetes tipe 2 dan gangguan inflamasi merupakan penyebab utama beban penyakit dan kematian di seluruh dunia, namun pengobatannya terbukti sulit karena mungkin tidak ada satu penyebab, seperti mutasi gen tunggal, yang menjadi sasaran terapi. Penelitian yang dilakukan oleh para ilmuwan Whitehead Institute kini menemukan bahwa banyak penyakit kronis menunjukkan berkurangnya mobilitas protein sebagai penyebab utama disfungsi penyakit tersebut.

Dipimpin oleh Richard Young, PhD, penelitian in vitro yang dilakukan tim menunjukkan bahwa pergerakan separuh dari seluruh protein yang aktif dalam sel melambat ketika sel berada dalam kondisi penyakit kronis, dan hal ini mengurangi fungsi protein. Temuan ini menunjukkan bahwa penurunan mobilitas protein – tim menyebutnya sebagai proteolethargy cacat mobilitas – mungkin memainkan peran penting dalam penurunan fungsi seluler pada penyakit kronis. Studi tersebut menghubungkan proteolethargy dengan lingkungan redoks yang tidak teratur yang berdampak pada sistein pada permukaan protein. Tim juga mengusulkan strategi terapi baru untuk mengobati penyakit kronis.

“Saya sangat antusias dengan manfaat penelitian ini bagi pasien,” kata Alessandra Dall’Agnese, PhD, salah satu penulis makalah yang diterbitkan para peneliti di Sel. “Harapan saya adalah hal ini akan mengarah pada kelas obat baru yang memulihkan mobilitas protein, yang dapat membantu orang-orang dengan berbagai penyakit yang semuanya memiliki mekanisme ini sebagai satu kesatuan.”

Young, Dall’Agnese dan rekannya, termasuk mahasiswa pascasarjana Shannon Moreno dan Ming Zheng, serta ilmuwan peneliti Tong Ihn Lee, PhD, menggambarkan temuan mereka dalam makalah berjudul “Proteolethargy adalah mekanisme patogenik pada penyakit kronis.” Dalam laporan mereka, tim tersebut mencatat, “Ada informasi yang terbatas mengenai mobilitas berbagai protein dengan beragam fungsi dalam sel manusia dan bahkan lebih sedikit informasi mengenai efek rangsangan patogen pada mobilitas protein. Kurangnya pengetahuan ini mungkin menjelaskan mengapa proteolethargy tampaknya tidak digambarkan sebagai mekanisme patogenik pada penyakit kronis…Model yang dijelaskan di sini untuk proteolethargy pada penyakit mempunyai implikasi terhadap pengembangan terapi untuk penyakit kronis tertentu.”

Penyakit yang terkait dengan sinyal patogen atau kronis adalah penyebab utama morbiditas dan mortalitas, kata para penulis. Berbeda dengan penyakit yang memiliki hubungan sebab akibat yang jelas antara mutasi gen dan penyakit dan jalur seluler yang terkena dampaknya sudah ditentukan, pada sindrom kronis, mutasi gen penyebab jarang terjadi, kata para peneliti, dan mungkin terdapat disregulasi berbagai proses seluler. , seperti regulasi gen, biosintesis ribosom, dan aktivitas metabolisme. “Untuk sindrom umum seperti diabetes dan gangguan inflamasi, patologi biasanya melibatkan stimulus yang terus menerus dan/atau tingkat tinggi namun belum tentu merupakan mutasi yang diketahui pada gen tertentu… Jadi, bagaimana mendefinisikan hipotesis yang akan menginformasikan pengembangan terapeutik berdasarkan disfungsi seluler yang begitu luas telah lama membuat jengkel para dokter dan ilmuwan penelitian.”

Studi yang baru dilaporkan berfokus pada mobilitas protein dalam konteks penyakit kronis. Para ilmuwan menjelaskan bahwa miliaran molekul protein yang diproduksi di dalam sel harus meninggalkan tempat sintesisnya dan tiba di tujuan selulernya, tempat mereka menjalankan fungsi khususnya. Untuk melakukan hal ini, protein harus bergerak melalui lingkungan yang padat dengan biomolekul. “Baru-baru ini, sinyal patogen pada penyakit kronis tertentu dilaporkan menyebabkan berkurangnya pergerakan molekul reseptor ke dalam kumpulan protein fungsional,” para peneliti mencatat.

Tim pertama kali menduga bahwa sel-sel yang terkena penyakit kronis mungkin memiliki masalah mobilitas protein setelah mengamati perubahan perilaku reseptor insulin, sebuah protein pemberi sinyal yang bereaksi terhadap keberadaan insulin dan menyebabkan sel mengambil gula dari darah. Pada penderita diabetes, sel menjadi kurang responsif terhadap insulin—suatu keadaan yang disebut resistensi insulin—menyebabkan terlalu banyak gula yang tertinggal di dalam darah. Pada penelitian sebelumnya dipublikasikan pada reseptor insulinYoung dan rekannya melaporkan bahwa mobilitas reseptor insulin mungkin relevan dengan diabetes.

Temuan dari penelitian ini dan penelitian sebelumnya mengarahkan tim untuk mempertimbangkan kemungkinan bahwa sinyal yang tidak teratur mungkin menjadi penyebab lebih banyak cacat mobilitas protein dalam sel, dan bahwa berkurangnya mobilitas protein itu sendiri mungkin merupakan mekanisme patogen yang umum terjadi pada berbagai penyakit.

Untuk menguji hipotesis ini, dalam penelitian yang baru mereka laporkan, tim mengamati protein yang terlibat dalam berbagai fungsi seluler. Eksperimen mereka mempertimbangkan MED1, protein yang terlibat dalam ekspresi gen; HP1α, protein yang terlibat dalam pembungkaman gen; FIB1, protein yang terlibat dalam produksi ribosom; dan SRSF2, protein yang terlibat dalam penyambungan RNA pembawa pesan. Tim menerapkan pelacakan molekul tunggal dan metode lain untuk mengukur bagaimana masing-masing protein tersebut bergerak dalam sel sehat dan sel dalam kondisi penyakit. “Pelacakan partikel tunggal (SPT) dan pemulihan fluoresensi setelah photobleaching (FRAP) memungkinkan pengukuran kinetika mobilitas protein dalam sel hidup…” komentar mereka.

Hasilnya menunjukkan bahwa semua kecuali satu protein yang mereka selidiki menunjukkan penurunan mobilitas (sekitar 20-35%) pada sel penyakit. Tim selanjutnya berangkat untuk menentukan apa yang menyebabkan protein melambat. Mereka menduga bahwa cacat tersebut ada hubungannya dengan peningkatan tingkat spesies oksigen reaktif (ROS), molekul yang sangat rentan mengganggu molekul lain dan reaksi kimianya. Banyak jenis pemicu yang berhubungan dengan penyakit kronis, seperti kadar gula atau lemak yang lebih tinggi, racun tertentu, dan sinyal peradangan, menyebabkan peningkatan ROS, yang juga dikenal sebagai peningkatan stres oksidatif.

Para peneliti mengukur mobilitas protein lagi, dalam sel yang memiliki tingkat ROS tinggi dan tidak berada dalam kondisi penyakit, dan melihat cacat mobilitas protein yang serupa, menunjukkan bahwa stres oksidatif mungkin menjadi penyebabnya. Hasil percobaan kolektif, mereka menyarankan “… konsisten dengan model di mana beragam rangsangan patogen yang diketahui menginduksi stres oksidatif menyebabkan penekanan mobilitas protein dalam berbagai jenis sel yang relevan dengan penyakit.”

Bagian terakhir dari teka-teki ini adalah mengapa beberapa, namun tidak semua, protein melambat dengan adanya ROS. SRSF2 adalah satu-satunya protein yang diteliti yang tidak terpengaruh dalam percobaan, dan memiliki satu perbedaan yang jelas dari yang lain. Permukaan SRSF2 tidak mengandung sistein, bahan penyusun asam amino dari banyak protein. Sistein sangat rentan terhadap gangguan ROS karena akan menyebabkannya berikatan dengan sistein lain. Ketika ikatan ini terjadi antara dua molekul protein, hal ini akan memperlambatnya karena kedua protein tersebut tidak dapat bergerak melalui sel secepat salah satu protein saja.

Sekitar setengah dari protein dalam sel kita mengandung sistein permukaan, sehingga cacat mobilitas protein tunggal ini dapat berdampak pada banyak jalur seluler yang berbeda. “Kami memperkirakan bahwa 50% protein manusia mengandung setidaknya satu sistein yang terpajan di permukaan, sehingga ada potensi setengah dari proteom rentan terhadap proteolethargy di lingkungan ROS tinggi,” tulis para penulis.

Hal ini masuk akal ketika kita mempertimbangkan keragaman disfungsi yang muncul pada sel penderita penyakit kronis, yang mungkin terkait dengan disfungsi sinyal sel, proses metabolisme, ekspresi gen, dan pembungkaman gen. Semua proses ini bergantung pada berfungsinya protein secara efisien, termasuk protein yang dipelajari oleh para peneliti.

Bagaimana protein yang bergerak lebih lambat melalui sel menyebabkan disfungsi seluler yang luas dan signifikan? Dall’Agnese mengibaratkan setiap sel seperti kota kecil, dengan protein sebagai pekerja yang menjaga semuanya tetap berjalan. Protein harus berpindah-pindah dalam lalu lintas padat di dalam sel, berpindah dari tempat mereka diciptakan ke tempat mereka bekerja. Semakin cepat perjalanan mereka, semakin banyak pekerjaan yang mereka selesaikan.

Biasanya, sebagian besar protein berada di sekitar sel dan bertabrakan dengan molekul lain sampai mereka menemukan molekul yang bekerja atau ditindaklanjuti. Semakin lambat suatu protein bergerak, semakin sedikit molekul lain yang dapat dijangkaunya, sehingga semakin kecil kemungkinannya untuk mampu melakukan tugasnya. Young dan rekannya menemukan bahwa penurunan protein menyebabkan penurunan output fungsional protein secara terukur. Ketika banyak protein gagal menyelesaikan tugasnya tepat waktu, sel mulai mengalami berbagai masalah—seperti yang biasa terjadi pada penyakit kronis.

Young dan rekannya melakukan beberapa percobaan untuk memastikan bahwa penurunan mobilitas protein sebenarnya menurunkan fungsi protein. Hasilnya menunjukkan, misalnya, ketika reseptor insulin mengalami penurunan mobilitas, ia bekerja kurang efisien pada IRS1, sebuah molekul yang biasanya menambahkan gugus fosfat.

Penemuan bahwa penurunan mobilitas protein akibat stres oksidatif dapat memicu banyak gejala penyakit kronis memberikan peluang untuk mengembangkan terapi untuk menyelamatkan mobilitas protein. Selama percobaan mereka, para peneliti memperlakukan sel dengan obat antioksidan—sesuatu yang mengurangi ROS—yang disebut N-asetil sistein (NAC) dan melihat bahwa obat ini memulihkan sebagian mobilitas protein. “Hasil ini konsisten dengan kemungkinan bahwa peningkatan kadar ROS menyebabkan penurunan mobilitas protein tertentu dan menunjukkan bahwa perubahan perilaku protein disebabkan oleh perubahan lingkungan oksidatif,” komentar mereka.

Dalam makalah mereka, tim tersebut lebih lanjut menyarankan, “Homeostasis redoks diatur oleh banyak jalur dan protein, yang melawan peningkatan sementara ROS yang terjadi secara normal dalam beragam proses seluler sehingga ada kemungkinan bahwa penargetan terapeutik dari jalur alami ini akan terbukti bermanfaat untuk mengobati atau mencegah. proteoletargi. Penyelamatan mobilitas protein dengan pengobatan NAC, seperti yang dijelaskan di sini, adalah bukti prinsip konsep ini.”

Para peneliti sedang melakukan berbagai tindak lanjut terhadap penelitian ini, termasuk pencarian obat yang aman dan efisien mengurangi ROS dan memulihkan mobilitas protein. Mereka mengembangkan suatu pengujian yang dapat digunakan untuk menyaring obat-obatan untuk melihat apakah obat tersebut mengembalikan mobilitas protein dengan membandingkan efek setiap obat pada biomarker sederhana dengan sistein permukaan dengan yang tidak memiliki biomarker. Mereka juga mencari penyakit lain yang mungkin melibatkan mobilitas protein, dan mengeksplorasi peran berkurangnya mobilitas protein dalam penuaan.

“Memulihkan mobilitas protein mungkin dapat dipertimbangkan sebagai salah satu hipotesis terapeutik untuk penyakit kronis ini,” tulis mereka. “Biosensor mobilitas protein, seperti yang dikembangkan untuk penelitian ini, mungkin terbukti bermanfaat untuk skrining dengan hasil tinggi untuk obat-obatan yang mengembalikan mobilitas protein normal dalam kondisi sinyal patogen.”

Young, yang juga seorang profesor biologi di Massachusetts Institute of Technology, menambahkan, “Kompleksnya biologi penyakit kronis telah menyulitkan untuk menghasilkan hipotesis terapeutik yang efektif. Penemuan bahwa beragam rangsangan yang berhubungan dengan penyakit semuanya menginduksi suatu ciri yang sama, proteolethargy, dan bahwa ciri ini dapat berkontribusi terhadap sebagian besar disregulasi yang kita lihat pada penyakit kronis, adalah sesuatu yang saya harap akan menjadi terobosan nyata dalam pengembangan obat yang manjur. melintasi spektrum penyakit kronis.”

Lee menyatakan, “Pekerjaan ini merupakan upaya kolaboratif dan interdisipliner yang mempertemukan para ahli biologi, fisikawan, kimia, ilmuwan komputer, dan dokter-ilmuwan. Menggabungkan keahlian tersebut merupakan kekuatan lab Young. Mempelajari masalah ini dari berbagai sudut pandang sangat membantu kami memikirkan bagaimana mekanisme ini dapat bekerja dan bagaimana hal ini dapat mengubah pemahaman kita tentang patologi penyakit kronis.”

Zheng juga menambahkan, “Saya gembira bahwa kami dapat mentransfer wawasan dan metodologi berbasis fisika, yang biasanya digunakan untuk memahami proses molekul tunggal seperti transkripsi gen dalam sel normal, ke konteks penyakit dan menunjukkan bahwa hal tersebut dapat dilakukan. digunakan untuk mengungkap mekanisme penyakit yang tidak terduga.” “Penelitian ini menunjukkan bagaimana pergerakan acak protein dalam sel dikaitkan dengan patologi penyakit,” Moreno sependapat: “Di sekolah, kita diajarkan untuk mempertimbangkan perubahan struktur protein atau rangkaian DNA ketika mencari penyebab penyakit, namun kita telah menunjukkan bahwa hal tersebut bukanlah satu-satunya faktor yang berkontribusi. Jika Anda hanya mempertimbangkan gambaran statis dari suatu protein atau sel, Anda akan kehilangan kesempatan untuk menemukan perubahan yang hanya muncul ketika molekul sedang bergerak.”