Незамеченные микропротеины могут помочь в лечении ожирения и нарушений обмена веществ
За последние 30 лет уровень ожирения вырос более чем вдвое, затронув более миллиарда человек во всем мире. Это распространённое состояние также связано с другими нарушениями обмена веществ, включая диабет 2 типа, сердечно-сосудистые заболевания, хроническую болезнь почек и онкологические заболевания.
Современные варианты лечения включают коррекцию образа жизни, бариатрическую хирургию и препараты GLP-1, такие как Ozempic или Wegovy, но многим пациентам сложно получить доступ к этим видам лечения или завершить их, а также впоследствии поддерживать потерянный вес.
Ученые Института Солка ищут новую стратегию лечения с помощью микропротеинов — малоизученного класса молекул, обнаруженных по всему организму и играющих роль как в здоровье, так и в болезнях.
В новом исследовании ученые проверили тысячи генов жировых клеток, используя технологию редактирования генов CRISPR, чтобы найти десятки генов, которые, вероятно, кодируют микропротеины (один из которых они подтвердили), регулирующие либо пролиферацию жировых клеток, либо накопление липидов.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences , выявляют новые микробелки, которые потенциально могут служить мишенями для разработки лекарственных препаратов для лечения ожирения и других метаболических нарушений . Исследование также демонстрирует ценность скрининга CRISPR для дальнейшего поиска микробелков.
«Скрининг CRISPR чрезвычайно эффективен для выявления важных факторов ожирения и обмена веществ, которые могут стать терапевтическими целями», — говорит старший автор Алан Сагателян, профессор и заведующий кафедрой имени доктора Фредерика Полсена в Университете Солка.
«Эти новые технологии скрининга позволяют нам открыть совершенно новый уровень биологической регуляции, управляемой микропротеинами. Чем больше мы проводим скрининг, тем больше микропротеинов, ассоциированных с заболеваниями, мы обнаруживаем и тем больше потенциальных мишеней для разработки будущих лекарств».
Современные методы лечения ожирения и метаболических нарушений
Когда потребление энергии превышает её расход, жировые клетки могут увеличиваться в размере и количестве. Жировые клетки запасают избыток энергии в виде жировых молекул, называемых липидами. Однако, хотя с некоторым избытком энергии можно справиться, его избыток может привести к накоплению жировых отложений по всему телу, что приводит к воспалению всего организма и дисфункции органов.
Эту сложную систему накопления энергии регулируют множество факторов. Проблема в том, как обнаружить их все и отфильтровать факторы, которые могут оказаться подходящими терапевтическими кандидатами?
Этот вопрос давно волнует учёных Солка. Профессор Солка Рональд Эванс работает над ним уже несколько десятилетий. Эванс — эксперт по PPAR-гамма, ключевому регулятору развития жировых клеток и потенциальной цели для лечения диабета.
Разработано несколько препаратов для лечения ожирения, воздействующих на рецепторы PPAR-гамма, но они приводят к побочным эффектам, таким как увеличение веса и потеря костной массы. Идеального препарата для лечения ожирения на основе рецепторов PPAR-гамма пока не существует.
Когда препараты PPAR-гамма оказались неэффективны, на сцену вышли препараты GLP-1. GLP-1 — это пептид, достаточно малый, чтобы считаться микропротеином, и он служит регулятором уровня сахара в крови и аппетита. Однако, как и PPAR-гамма, препараты GLP-1 имеют свои недостатки, такие как потеря мышечной массы и тошнота. Тем не менее, популярность препаратов GLP-1 свидетельствует о многообещающем будущем препаратов на основе микропротеинов в области лечения ожирения.
Команда Сагателяна сейчас ищет новый метод лечения микропротеинами, используя новые генетические инструменты, которые выведут микропротеины из «темного мира». Долгие годы длинные участки генома считались «мусорными» и потому оставались неисследованными. Но последние технологические достижения позволили учёным изучить эти тёмные участки и обнаружить скрытый мир микропротеинов, что, в свою очередь, расширило белковые библиотеки на 10–30%.
В частности, команда Солка использует инновационный скрининг CRISPR для поиска потенциальных микропротеинов в «темных» областях. Этот подход позволяет одновременно обнаружить тысячи потенциальных микропротеинов, участвующих в накоплении липидов и биологии жировых клеток, ускоряя поиск следующего препарата на основе PPAR-гамма или GLP-1.
Как скрининг CRISPR ускоряет поиск микропротеинов
Методы CRISPR-скрининга работают путём вырезания интересующих генов из клеток и наблюдения за тем, развивается ли клетка без них или погибает. На основании этих результатов учёные могут определить важность и функцию конкретных генов. В данном случае группу Солка интересовали гены, которые могут кодировать микробелки, участвующие в дифференцировке или пролиферации жировых клеток.
«Мы хотели узнать, есть ли что-то, что мы упустили за все эти годы исследований метаболических процессов в организме», — говорит первый автор Виктор Пай, научный сотрудник лаборатории Сагателяна, занимающийся постдокторантской деятельностью.
«А CRISPR позволяет нам выбирать интересные и функциональные гены, которые специфически влияют на накопление липидов и развитие жировых клеток».
Это последнее исследование является продолжением предыдущего исследования лаборатории Сагателяна. В ходе предыдущего исследования были выявлены тысячи потенциальных микропротеинов путём анализа цепей РНК, кодирующих микропротеины, полученных из жировой ткани мышей. Эти цепей РНК, кодирующих микропротеины, были отложены в архив до изучения их функций.
В новом исследовании эта коллекция была впервые расширена за счёт включения дополнительных микропротеинов, идентифицированных из модели прежировых клеток. В частности, эта новая модель отражает процесс дифференцировки из прежировой клетки в полностью зрелую жировую клетку. Затем исследователи провели скрининг клеточной модели с помощью CRISPR, чтобы определить, сколько из этих потенциальных микропротеинов участвует в дифференцировке или пролиферации жировых клеток.
«Мы не первые, кто проводит скрининг микропротеинов с помощью CRISPR, — добавляет Пай, — но мы первые, кто ищет микропротеины, участвующие в пролиферации жировых клеток. Это огромный шаг в исследованиях метаболизма и ожирения».
Микропротеины, представляющие интерес, и дальнейшие шаги
Используя мышиную модель и метод скрининга CRISPR, команда выявила микробелки, которые могут участвовать в биологии жировых клеток. Затем они ещё больше сузили круг потенциальных микробелков в ходе другого эксперимента, чтобы составить список из 38 потенциальных микробелков, участвующих в формировании липидных капель, что указывает на увеличение накопления жира в процессе дифференцировки жировых клеток.
На этом этапе все микропротеины, вошедшие в шорт-лист, всё ещё считались «потенциальными» микропротеинами. Это связано с тем, что генетический скрининг выявляет гены, которые могут кодировать микропротеины, а не сами микропротеины. Хотя этот подход является полезным обходным путём для обнаружения микропротеинов, которые в противном случае настолько малы, что их трудно обнаружить, он также означает, что отобранные микропротеины требуют дальнейшего тестирования для подтверждения их функциональности.
Именно это и сделала команда Солка. Они выбрали несколько микропротеинов из списка отобранных для тестирования и смогли подтвердить один из них. Пай предполагает, что этот новый микропротеин, названный Adipocyte-smORF-1183, влияет на образование липидных капель в жировых клетках (также известных как адипоциты).
Верификация Adipocyte-smORF-1183 — важный шаг на пути к выявлению большего количества микропротеинов, участвующих в накоплении липидов и регуляции жировых клеток при ожирении. Это также подтверждает эффективность CRISPR для поиска микропротеинов, участвующих в биологии жировых клеток, ожирении и метаболизме.
«В этом и есть цель исследований, верно?» — говорит Сагателян. «Непрерывно. Это постоянный процесс совершенствования: мы внедряем более совершенные технологии и улучшаем рабочие процессы, чтобы ускорить исследования и, в конечном итоге, улучшить терапевтические результаты».
Далее исследователи повторят исследование с человеческими жировыми клетками. Они также надеются, что их успех вдохновит других использовать CRISPR-скрининг для дальнейшего выявления микробелков, таких как Adipocyte-smORF-1183, который до сих пор считался несущественным фрагментом «мусорной» ДНК.
Дальнейшая проверка или скрининг новых клеточных библиотек расширит список потенциальных кандидатов на лекарственные препараты, подготавливая почву для новых и улучшенных методов лечения ожирения и метаболических расстройств в будущем.