Медицинский диагноз «краудсорсинг» помогает исследователям определить ген, ответственный за редкое заболевание легких

В 2018 году 31-летняя женщина обратилась в Массачусетскую больницу общего профиля (MGH) в Бостоне с респираторной инфекцией, настолько тяжелой, что ей пришлось вводить кислород. Поездка в больницу из-за проблем с легкими не была для нее чем-то новым – в прошлом несколько раз из-за повторяющихся инфекций она оставалась под наблюдением врача в течение нескольких дней, пока они не взорвались. Теперь, однако, казалось, что она не покинет больницу, пока не получит два совершенно новых легких.

У женщины были проблемы с дыханием, так как она была ребенком. Ее вспышки обычно проявляются как пневмония – неприятный, мокрый кашель, сопровождаемый лихорадкой. После многих лет этого пути между трахеей и альвеолами, называемыми бронхами, были опухшие и воспаленные. Ее врачи подозревали, что эти частые респираторные приступы как-то связаны со слизью, образующейся в ее дыхательных путях.

Слизь – это первая линия защиты организма от грязи и патогенов, которые мы вдыхаем, когда дышим. Липкое вещество, состоящее в основном из воды, солей и белков с сахаром, называемых муцинами, задерживает поступающий материал на его липкой поверхности. Оттуда реснички – крошечные похожие на пальцы выступы из клеток, которые могут выглядеть как маленькие ресницы – выталкивают слизь вверх через дыхательные пути, где она в конечном итоге проглатывается или кашляет.

Такие состояния, как кистозный фиброз, могут привести к тому, что слизь, которая выстилает легочные пути, станет настолько толстой, что реснички не смогут ее вытолкнуть, что приведет к бронхоэктазии – отечности бронхов. Однако когда врачи проверили женщину на такие вероятные причины, результаты оказались отрицательными. Ее дело было полной загадкой.

Взломать кейс

В ожидании двойной трансплантации легкого женщина познакомилась с доктором Рагху Чивукулой, в то время сотрудником отделения медицины легких и интенсивной терапии в MGH, который интересовался редкими и необычными заболеваниями легких в результате его докторской диссертации. обучение генетике человека. За время, проведенное с этими часто тяжело больными пациентами, «стало ясно, что в биологии легких и в основе болезней легких остается много вопросов без ответа», – сказал он. Чивукула вскоре понял, что состояние женщины было одним из этих вопросов без ответа.

Часто, когда врачи не могут поставить диагноз, они в конечном итоге направляют пациента в другую больницу или обращаются к специалисту. MGH, с его репутацией одной из лучших больниц в Америке, видит довольно много таких загадочных случаев. На самом деле они увидели так много, что в 2016 году в больнице была создана программа под названием Pathways Consult Service, где ученые могли оценить этих необычных пациентов, чтобы понять, могут ли их болезни быть чем-то совершенно новым для науки. Программа помогает связать врачей с исследователями в районе Бостона, чтобы помочь придумать технологии и ресурсы, чтобы глубоко погрузиться в биологию невыявленных состояний пациентов.

После своих первоначальных бесед с женщиной с заболеванием легких Чивукула обратился к программе «Пути», чтобы выяснить, могут ли они помочь ему в дальнейшем расследовании ее болезни.

«Мы были так взволнованы, когда Рагу, невероятный врач и ученый, пришел к нам с этой возможностью узнать о биологии у этого пациента, которого он видел», – говорит д-р Катрина Армстронг, главный врач отделения медицины в MGH, который работает с программой Pathways.

Читайте по теме:  Новые опухолевые мутации обнаружены в недостаточно исследованных областях генома рака

Пока женщина ждала пересадки легкого, Чивукула допросила ее о ее истории болезни. Он также поговорил с двумя ее братьями и сестрами, которые были в городе, чтобы помочь своей сестре в преддверии ее операции. Разговор с тремя из них подсказал Чивукуле: респираторные инфекции возникли в семье женщины. У двух ее братьев и сестер были схожие, хотя и более умеренные симптомы.

Это открытие привело к тому, что Чивукула, с помощью программы «Пути», отправил генетический материал женщины, ее родителей и двух братьев и сестер Фовзану С. Алкурая, генетику из специализированной больницы и исследовательского центра короля Фейсала (KFSHRC), в Эр-Рияде. , Саудовская Аравия. Когда пришли результаты, Алкурая проанализировал данные в поисках мутаций, которые могли бы сыграть роль в легочных проблемах семьи. Во всех трех геномах выделяется одно общее различие: мутация в гене NEK10. «Я написал обратно Рагу, чтобы сказать ему, как я был взволнован, узнав этот новый ген», – говорит Алкурая.

Ученые не были уверены, что сделал этот ген, хотя они знали, что он кодирует киназу – тип белка, участвующий в передаче сигналов, модифицируя другие белки фосфатной группой. Предыдущие исследования предполагали, что белок NEK10 может играть роль в том, как раковые клетки реагируют на повреждение ДНК у людей и формирование нервной системы у определенных видов рыб, но ни одно исследование никогда не связывало его активность с какими-либо человеческими заболеваниями или с дыхательная система.

Как только он понял, что мутация женщины влияет на киназу, Чивукула решил заняться этим проектом в рамках своей постдокторской работы в лаборатории Дэвида Сабатини в Институте Уайтхеда. Чивукула изначально начал работать с Сабатини над проектом о роли лизосом в развитии легочного фиброза. Поскольку предыдущее исследование Сабатини было сфокусировано на понимании важных протеинкиназ в клетках, новая мутация казалась идеальным дополнительным проектом. «Я надеялся, что сочетание моих собственных интересов в биологии легких с опытом лаборатории Дэвида в лаборатории клеточной биологии мирового уровня и специализированным инструментарием позволит нам выяснить это заболевание», – говорит Чивукула.

Таинственная мутация

Чтобы определить, может ли эта мутация быть виновной в состоянии женщины, Чивукула и Сабатини более внимательно рассмотрели саму мутацию; они обнаружили, что изменения в последовательности ДНК женщины не заставляют ее клетки экспрессировать меньше NEK10. Вместо этого изменение вызвало встраивание семи дополнительных аминокислот в белок NEK10, что, как предположил Чивукула, может сделать белок нестабильным и не сможет выполнять какую-либо ключевую работу в клетках легких женщины.

Тем не менее, она была всего лишь одной пациенткой, и вполне возможно, что эта специфическая мутация, которая появилась в ДНК ее и ее братьев и сестер, не была связана с ее состоянием. Ученые задавались вопросом, было ли это случайностью, или же мутации NEK10 могут быть виноваты в других случаях необъяснимых проблем с дыханием?

Чивукула начал рассылать щупальца в другие больницы и исследовательские центры по всему миру. Он надеялся найти других пациентов с необъяснимыми заболеваниями легких, которые разделяют мутации, которые были у женщины и ее братьев и сестер в генах NEK10. Медленно, другие счета поступали. Другие больницы зарегистрировали аналогичные изменения в ДНК пациентов, кодирующих белок NEK10, но не имели достаточных доказательств, чтобы связать ген с их условиями.

Читайте по теме:  Изучение роли нейронов вентрального паллидума в базальных ганглиях

Поиски Чивукулы в конечном итоге выявили еще шести пациентов. Все они, включая нескольких в возрасте до 25 лет, имели разные мутации в гене NEK10, но в целом эффекты были одинаковыми: изменения в аминокислотной последовательности белка NEK10 и состояние, подобное женскому, отмеченное пневмонией Подобные вспышки и опухшие, увеличенные дыхательные пути. Что бы ни делал NEK10, ученые теперь могли предположить, что это связано с сохранением здоровых путей к легким и обратно.

Вооружившись доказательствами, что эта мутация была связана с условиями этих пациентов, Чивукула вернулся в лабораторию, чтобы выяснить, что именно NEK10 делал в клетках. Во-первых, ему нужно было найти, где оно использовалось. Для этого он обратился к мРНК, или мессенджеру РНК, промежуточному этапу между ДНК и белками. Когда клетке необходимо экспрессировать определенный ген, она создает транскрипт мРНК. Этот транскрипт несет генетическую информацию в рибосомы, где он превращается в белок.

Чивукула и его коллеги получили ткани дыхательных путей от женщины – ее пересадка означала, что у них был хороший доступ к тканям для изучения, а также от нескольких людей с нормальными легкими. Они использовали своего рода генетическое тестирование, которое позволило им увидеть, какая РНК экспрессировалась в клетках, что дало представление о том, где использовался белок: в специализированных тканях дыхательных путей было большое количество мРНК NEK10, но едва ли в недифференцированном стволе легкого. клетки.

Чтобы увидеть, могут ли они заставить эти недифференцированные клетки продуцировать NEK10, исследователи культивировали их в лаборатории, используя метод, имитирующий слизистую оболочку дыхательных путей человека. Позволяя стволовым клеткам расти на тонкой пленке, где жидкая среда встречается с воздухом, исследователи уговаривали клетки медленно созревать и дифференцироваться в клетки дыхательных путей в лаборатории. Когда исследователи внимательно посмотрели на эту выращенную в лаборатории ткань, они обнаружили гораздо более высокую экспрессию мРНК NEK10. Это означало, что независимо от того, что делал белок, он был наиболее активным в клетках, которые выстилали дыхательные пути.

Затем они задались вопросом, может ли белок функционировать конкретно в одном типе дыхательных путей, из которых существует множество разновидностей с различными функциями. Чтобы проверить это, они использовали флуоресцентный белок для маркировки клеток, экспрессирующих NEK10, и эти клетки светились зеленым. Когда они позволяли клеткам дифференцироваться, самые светящиеся клетки были покрыты ресничками. Это показало исследователям, что состояние женщины было разновидностью цилиопатии или расстройства, связанного с ресничками. Почти все клетки позвоночных имеют некоторые виды ресничек, и мутации, которые влияют на их структуру, могут иметь такие последствия, как поликистоз почек, заболевания сетчатки и такие состояния, как ожирение и церебральные аномалии.

В легких реснички двигают слизь, покачиваясь взад-вперед в тандеме со своими соседями. Более того, предыдущие исследования показали, что нарушение ресничек дыхательных путей может вызвать заболевание, похожее на заболевание, наблюдаемое у пациентов с NEK10. Когда Чивукула более внимательно посмотрел на реснички дыхательных путей женщины, он обнаружил, что они все еще шевелились с той же скоростью, но что-то было не так; в то время как нормальные реснички могли транспортировать полистирольные шарики по скользкой волне слизи, ее мутированные реснички едва могли перемещать слизь.

Читайте по теме:  Новые случаи коронавируса затвора итальянской деревни

Под микроскопом реснички были странно комковатыми и недоразвитыми. Оказалось, что мутация привела к тому, что реснички были слишком короткими, чтобы эффективно перемещать слизь, что приводило к скоплению ее дыхательных путей. Это накопление слизи увеличивало ее вероятность возникновения респираторных инфекций, и с каждой инфекцией ее бронхи становились все более увеличенными и опухшими, пока она не могла едва дышать самостоятельно.

Новая болезнь

Чивукула, Сабатини и соавторы опубликовали свои выводы о новой болезни в природной медицине в феврале. Из того, что они наблюдали у семи пациентов, которых они изучали, это состояние следует паттерну аутосомно-рецессивного наследования – ген должен быть нокаутирован в обеих копиях для поражения ресничек дыхательных путей – во многом как муковисцидоз и большинство форм цилиопатии, которые влияют на легкие или другие ткани.

Дальнейшие исследования позволят определить, насколько изменчивым может быть состояние в зависимости от типа мутации в гене NEK10. «Вполне возможно, что существуют более легкие или более тонкие варианты этого гена, которые сами по себе не вызывают такого рода терминальную болезнь легких», – говорит Чивукула.

Это может означать мутацию в гене NEK10, которая привела к тому, что белок был деформирован, а не полностью нестабилен, говорит он, хотя на данный момент невозможно точно знать. «Что мы знаем, так это то, что этот двойной нокаут фенотипа генов встречается довольно редко», – говорит он. «Но, как и для многих генетических заболеваний, когда вы понимаете тяжелые, вы можете использовать эту информацию, чтобы по-настоящему разобраться в более распространенных формах».

Что касается женщины, которая перенесла двойную пересадку легкого , «у нее все хорошо», – говорит Чивукула. «Ей не нужен кислород, и она, наконец, может ходить, не зная дыхания. 20-летняя болезнь болеет, как и любой другой, но она в гораздо лучшем состоянии, чем до трансплантации».

Доктор Армстронг и другие сотрудники MGH взволнованы потенциальным применением результатов исследований Chivukula. «Довольно необычно [для случая с« Путями »» иметь столь же красивую историю, какую Рагу удалось собрать так быстро », – говорит она.

Возможно, в будущем, говорит Чивукула, другие пациенты, находящиеся в положении женщины, смогут лечиться до того, как их состояние станет достаточно тяжелым, чтобы в первую очередь нуждаться в пересадке. Хотя предстоит еще много исследований, прежде чем это состояние можно будет вылечить, Чивукула полагает, что потенциал есть. По его словам, реснички слегка меняются из-за внешних причин. Например, у курильщиков могут быть реснички, которые немного короче, чем у некурящих.

«Мы показали, что доставка дополнительного активного белка NEK10 на самом деле приводит к улучшению функции ресничек, поэтому это говорит о том, что это состояние может быть пригодным для употребления в будущем», – говорит он. «Нам просто нужно немного лучше понять биологию».

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Варикоз: симптомы, лечение и профилактика заболевания
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector