COMMD3 coordinates mannose-6-phosphate receptor trafficking to sustain lysosomal protease maturation

In elke cel bevindt zich een gespecialiseerd afvalsysteem dat bekend staat als het lysosoom. Denk aan dit systeem als een recyclingcentrum dat oude eiwitten, vetten en zelfs binnendringende virussen afbreekt tot hun basisbouwstenen. Voor dit centrum is een constante aanvoer van krachtige spijsverteringsenzymen nodig. Deze enzymen worden in een ander deel van de cel geproduceerd en moeten zorgvuldig naar het recyclingcentrum worden begeleid. Als het begeleidingssysteem faalt, komen de enzymen nooit aan, komt het recyclingcentrum tot stilstand en raakt de cel verstopt met afval. Dit proces is essentieel voor de menselijke gezondheid; wanneer dit misgaat, kan dit leiden tot ernstige ziekten. Bovendien hebben sommige virussen, waaronder het virus dat COVID-19 veroorzaakt en het virus achter Ebola, geleerd om dit leveringssysteem te kapen om cellen binnen te dringen en infectie te veroorzaken. Het begrijpen van hoe precies deze enzymen worden afgeleverd, zou nieuwe manieren kunnen onthullen om deze virussen te stoppen.

Onderzoekers aan de University of Illinois Chicago hebben een ontbrekend puzzelstukje van deze levering ontdekt. Ze identificeerden een specifiek eiwit genaamd COMMD3 dat fungeert als een verkeersregelaar voor de enzymen. In hun studie, gepubliceerd in een preprint, vonden het team en de onderzoekers dat zonder COMMD3 de leveringsvrachtwagens die de enzymen vervoeren, vast komen te zitten in het verkeerde deel van de cel. Deze blokkade voorkomt dat de enzymen rijpen tot hun actieve vorm, wat effectief het vermogen van de cel om materiaal te verteren, uitschakelt. De onderzoekers toonden aan dat dit falen een directe impact heeft op het vermogen van het SARS-CoV-2- en het ebolavirus om cellen te infecteren, aangezien deze virussen vertrouwen op de rijpe enzymen om hun toegang te ontgrendelen.

Om het probleem te begrijpen, keken de wetenschappers eerst naar wat er gebeurt wanneer het COMMD3-eiwit ontbreekt. Ze gebruikten menselijke longcellen die genetisch waren bewerkt om dit eiwit te verwijderen. Wanneer deze cellen werden blootgesteld aan de oorspronkelijke stam van SARS-CoV-2, slaagde het virus er niet in om zich te vermenigvuldigen. De hoeveelheid nieuw geproduceerd virus daalde zo drastisch dat het bijna onmogelijk was om te detecteren. Hetzelfde resultaat trad op bij het ebolavirus. Echter, het virus werd niet geblokkeerd omdat de deur van de cel, bekend als de ACE2-receptor, ontbrak of defect was. De onderzoekers bevestigden dat de receptoren aanwezig waren en normaal functioneerden. In plaats daarvan vond de blokkade plaats binnen de cel, specif specifiek in het pad dat het virus gebruikt om binnen te komen.

De sleutel tot deze blokkade bleek een spijsverteringsenzym te zijn genaamd Cathepsin L. In gezonde cellen wordt dit enzym in een inactieve vorm gemaakt en moet het door een reeks zure compartimenten reizen om actief te worden. De onderzoekers ontdekten dat dit enzym in cellen die COMMD3 missen, in zijn inactieve staat bleef steken. Het accumuleerde in grote hoeveelheden maar kon zijn werk niet doen. Gevolgelijk kon het virus de eiwitten niet activeren die het nodig heeft om te fuseren met het celmembraan. Wanneer de wetenschappers een chemische stof toevoegden om de entry-eiwitten van het virus kunstmatig te activeren, was het virus in staat om de cellen te infecteren, zelfs zonder COMMD3. Dit bewees dat het falen van het virus om binnen te komen te wijten was aan een gebrek aan actieve enzymen, en niet aan een probleem met het virus zelf of het celoppervlak.

Het team onderzocht vervolgens waarom de enzymen niet konden rijpen. Ze ontdekten dat het leveringssysteem voor deze enzymen vertrouwt op twee specifieke receptoren, bekend als de mannose-6-fosfaat-receptoren. Deze receptoren fungeren als de vrachtwagens die de enzymen oppakken en ze naar de juiste bestemming rijden. In gezonde cellen bewegen deze vrachtwagens soepel van vroege stoppunten naar de uiteindelijke leveringszone. In cellen zonder COMMD3 stapelden de vrachtwagens zich echter op bij de vroege stoppunten. De onderzoekers gebruikten krachtige microscopen en dichtheidsgradiënten om aan te tonen dat de receptoren gevangen zaten in de vroege endosomen, niet in staat om de latere compartimenten te bereiken waar de enzymen moeten rijpen. Deze verkeersopstopping betekende dat de enzymen nooit het zure milieu bereikten dat vereist is om actief te worden.

Een verrassende ontdekking kwam naar voren toen de onderzoekers probeerden het probleem op te lossen. Het COMMD3-eiwit heeft twee hoofddelen: een C-terminaal gedeelte dat het helpt om zich te voegen bij een groter complex genaamd de Commander, en een N-terminaal gedeelte dat minder begrepen werd. Het team verwachtte dat het deel dat zich bij het Commander-complex voegt, het belangrijkste zou zijn voor de functie. In plaats daarvan ontdekten zij dat het N-terminale gedeelte alleen voldoende was om het leveringssysteem te herstellen. Toen zij slechts dit kleine stukje van het eiwit in de defecte cellen plaatsten, begonnen de receptoren weer te bewegen, de enzymen rijpten, en werden de cellen weer vatbaar voor virale infectie. Het deel van het eiwit dat zich bij het grotere complex voegt, was op zichzelf niet genoeg om de verkeersopstopping op te lossen.

Om te bevestigen dat de receptoren inderdaad de oorzaak van het probleem waren, verwijderden de onderzoekers beide soorten receptoren uit gezonde cellen. Het resultaat was identiek aan het verwijderen van COMMD3: de enzymen slaagden er niet in om te rijpen, en de virussen konden de cellen niet binnendringen. Dit bevestigde dat COMMD3 werkt door ervoor te zorgen dat deze receptoren correct door de cel bewegen. De studie toonde ook aan dat dit mechanisme specifiek is; andere virussen die cellen via andere paden binnendringen, werden niet beïnvloed door de afwezigheid van COMMD3.

Dit werk onthult een nieuwe laag van controle in hoe cellen hun interne afval beheren en hoe virussen dat systeem exploiteren. De onderzoekers hebben aangetoond dat COMMD3 essentieel is voor het opheffen van de verkeersopstopping die de leveringsreceptoren vasthoudt. Zonder COMMD3 kunnen de spijsverteringsenzymen van de cel niet rijpen en worden virussen die afhankelijk zijn van die enzymen gestopt in hun spoor. De bevinding dat een klein, specifiek deel van het eiwit dit hele proces aanstuurt, suggereert dat cellen gespecialiseerde instrumenten hebben voor verschillende delen van hun interne logistiek, los van de grotere complexen waarmee ze vaak geassocieerd worden. Door dit pad in kaart te brengen, geeft de studie een duidelijker beeld van de cellulaire mechanica die zowel gezondheid als infectie beheersen.