Kampen mod proteinklumperne
Kampen mod proteinklumperne
Kampen mod proteinklumperne
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
26<br />
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 2 | 2 0 0 6<br />
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I<br />
<strong>Kampen</strong> <strong>mod</strong><br />
<strong>proteinklumperne</strong><br />
- kroppens forsvar <strong>mod</strong> Parkinsons sygdom<br />
Parkinsons sygdom skyldes giftige klumper af protein,<br />
som kroppen selv danner. Ved at studere kroppens<br />
forsvarssystemer <strong>mod</strong> sådanne proteinklumper håber<br />
forskerne at afsløre sygdommens hemmeligheder.<br />
Af Kresten Lindorff-Larsen<br />
Den afdøde pave Johannes<br />
Paul II, Salvador Dali og Johnny<br />
Cash havde den. Ja selv Adolf<br />
Hitler havde den vist – Parkinsons<br />
sygdom. En uhelbredelig<br />
nervesygdom, der hvert år rammer<br />
tusindvis af mennesker verden<br />
over.<br />
I Danmark anslås det, at ca.<br />
5000 lider af sygdommen, der<br />
typisk optræder efter 60-års<br />
alderen. Sygdomsrisikoen stiger<br />
med alderen: ca. 1 % for 65-75<br />
årige og op til 3 % for de endnu<br />
ældre. Og med en stigende levealder<br />
i befolkningen tyder alt<br />
på, at en endnu større andel<br />
af os vil få Parkinsons sygdom<br />
i fremtiden. Disse tal betyder<br />
dog ikke, at unge kan vide sig<br />
sikre. For sygdommen kan også<br />
ramme langt yngre mennesker.<br />
Skuespilleren Michael J. Fox fik<br />
diagnosen som 30-årig og lever<br />
stadigvæk med sin sygdom. Og<br />
da vi stadig ikke ved, hvorfor<br />
Skuespilleren Michael J. Fox fik<br />
diagnosen Parkinson allerede som<br />
30-årig. Han er 44 år i dag.<br />
sygdommen opstår, er der lang<br />
vej til en helbredende behandling.<br />
Forskningen i Parkinsons sygdom<br />
er altså stadig på det meget<br />
fundamentale stadium, hvor det<br />
drejer sig om at forstå, hvorfor<br />
sygdommen overhovedet opstår.<br />
Samtidig er det også vigtigt at<br />
klarlægge, hvordan kroppen<br />
forsvarer sig <strong>mod</strong> sygdommen,<br />
fordi det kan give os et indblik<br />
i, hvad der går galt, når dette<br />
forsvar ikke virker. Særligt interessant<br />
er det, at den nyeste<br />
forskning viser, at de samme<br />
forsvarsmekanismer måske også<br />
virker <strong>mod</strong> en lang række andre<br />
sygdomme såsom Alzheimers<br />
og den menneskelige variant af<br />
kogalskab Creutzfeldt-Jacobs<br />
syge.<br />
Nervecellerne dør<br />
Selvom den engelske læge James<br />
Parkinson opdagede sygdommen<br />
allerede i starten af 1800-<br />
tallet, var det først i anden<br />
halvdel af det 20. århundrede,<br />
at vi begyndte at få en grundlæggende<br />
forståelse af årsagen<br />
til Parkinsons sygdom. Specielt<br />
viste forskningen, at en bestemt<br />
type nerveceller i hjernen var<br />
gået til grunde hos patienter<br />
med sygdomen. Disse celler<br />
producerer stoffet dopamin, der<br />
er et vigtigt signalmolekyle i<br />
vores nervesystem. De døde nerveceller<br />
findes især i et område<br />
af hjernen med det lidet flatterende<br />
navn “den sorte substans”,<br />
der blandt andet er vigtig for,<br />
at vi kan bevæge os. Så på det<br />
overordnede niveau er sagen<br />
klar: nervecellerne i den sorte<br />
substans dør og kan dermed<br />
ikke producere den dopamin,<br />
der er vigtig for at kontrollere<br />
vore bevægelser.<br />
Disse resultater gav forskere<br />
og læger en oplagt vej til<br />
behandlingen af patienter. Ved<br />
at give dem et supplement af<br />
dopamin (eller rettere et af dets<br />
molekylære forstadier) og ved<br />
at forhindre, at kroppen fjer-
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 2 | 2 0 0 6<br />
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I<br />
27<br />
ner den eksisterende dopamin,<br />
kan man <strong>mod</strong>virke mange af<br />
symptomerne. I hvert fald i et<br />
stykke tid.<br />
Den italienske forbindelse<br />
Lige så vigtig som afklaringen<br />
af, hvad de dopaminproducerende<br />
cellers rolle var, lige så<br />
lidt gav disse fund klarhed over,<br />
hvorfor sygdommen opstår. Er<br />
det genetiske faktorer eller miljøet,<br />
der bestemmer, eller er det<br />
som så ofte en kombination af<br />
disse faktorer?<br />
Det var en lille italiensk<br />
landsby, der skulle være grundlag<br />
for de næste store fremskridt<br />
i forskningen. I byen Contursi<br />
øst for Napoli findes en familie,<br />
der har en ekstraordinær<br />
høj hyppighed af sygdommen.<br />
Og ved hjælp af undersøgelser<br />
af familiemedlemmernes DNA<br />
fandt forskerne i 1996 frem til<br />
det gen, der var årsag til den<br />
uheldige familiehistorie – et<br />
gen, der koder for et protein<br />
kaldet alfa-synuclein.<br />
De medlemmer af familien,<br />
der arver en muteret form for<br />
synuclein-genet, får Parkinsons<br />
sygdom, mens dem, der har<br />
den normale form, går fri. I den<br />
muterede form er en enkelt base<br />
i DNA-strengen skiftet ud med<br />
en anden. Denne mutation forårsager,<br />
at synuclein-proteinet,<br />
der består af flere hundrede atomer,<br />
får sølle fire atomer ekstra.<br />
Men disse fire atomer er nok<br />
til at give de uheldige italienere<br />
Parkinsons sygdom.<br />
Denne opdagelse fik hurtigt<br />
stor betydning for forskningsverdenen,<br />
for ikke alene var det<br />
et direkte bevis for, at der findes<br />
arvelige former for Parkinson og<br />
for, at synuclein havde en central<br />
rolle i sygdommen. Mindst<br />
ligeså overraskende var det, at<br />
synuclein-proteinet tidligere<br />
var blevet fundet i forbindelse<br />
med patienter med Alzheimer.<br />
Således var der måske var en<br />
sammenhæng mellem de to sygdomme.<br />
Giftige klumper i hjernen<br />
Yderligere forskning har vist, at<br />
den arvelige form for Parkinsons<br />
sygdom fundet i Italien ikke er<br />
særligt hyppig. Alligevel var fundet<br />
starten på nye molekylære<br />
Parkinsons syge<br />
Parkinsons sygdom har navn efter<br />
den britiske læge Dr. James<br />
Parkinson, der i 1817 gav den<br />
første lægelige beskrivelse af<br />
sygdommen.<br />
Parkinsons sygdom beskrives<br />
i dag som en kronisk neurodegenerativ<br />
sygdom, der medfører en<br />
tiltagende ændring af kroppens<br />
bevægelser.<br />
Med sygdommen følger en<br />
række invaliderende symptomer:<br />
Patienten får ufrivillig rysten og<br />
meget langsomme bevægelser.<br />
Balanceproblemer og muskelstivhed<br />
er også hyppige. Disse<br />
motoriske problemer gør dagligdagen<br />
for mange Parkinson<br />
patienter svær. Nogle patienter<br />
lider af alvorlige tab på essentielle<br />
funktioner som gang,<br />
tale, synkning, vandladning og<br />
afføring. Depressioner og søvnforstyrrelser<br />
forekommer også.<br />
Ofte følges rystelserne også<br />
af hukommelsesproblemer og<br />
demens.<br />
I dag har 5000 danskere Parkinsons<br />
sygdom, og i USA lider<br />
mindst 500.000 mennesker<br />
af sygdommen. Gennemsnitsalderen<br />
for diagnose er cirka 60<br />
år. Det er sjældent, at mennesker<br />
under 40 år får konstateret<br />
sygdommen.<br />
studier af, hvordan sygdommen<br />
opstår.<br />
Kort tid efter fandt forskere,<br />
at der i nervecellerne hos næsten<br />
alle Parkinson-patienter findes<br />
store mængder af synuclein i en<br />
speciel sammenklumpet form.<br />
Disse sammenklumpninger, kaldet<br />
aggregater, er kendt fra en<br />
række andre sygdomme, heriblandt<br />
Alzheimer. Den italienske<br />
familie er så uheldig at have<br />
en form af proteinet, der har en<br />
særlig stor tendens til at klumpe<br />
sammen. Andre Parkinsonpatienter<br />
har fuldstændig den<br />
samme form som raske mennesker,<br />
men af en eller anden<br />
årsag klumper proteinet alligevel<br />
sammen. Måske på grund af<br />
ydre påvirkninger – måske fordi<br />
patienter er arveligt disponerede<br />
på forskellige måder. Det ved vi<br />
endnu ikke.<br />
For at forstå sygdommen<br />
yderligere udviklede forskere en<br />
De små aggregater klistrer<br />
sammen til lange fibrille r.<br />
Fibrillierne klumper<br />
sammen i såkaldte Lewy<br />
legemer i nervecellerne.<br />
Figuren viser princippet i dannelsen af de skadelige klumper af proteinet<br />
synuclein i nerveceller, der er skyld i Parkinsons sygdom.<br />
mus, der ikke kunne lave synuclein.<br />
Disse mus viste ingen specielle<br />
tegn på Parkinson eller lignende<br />
sygdomme. Ja faktisk var<br />
musene stort set normale. Så det<br />
er altså ikke, fordi Parkinsonpatienter<br />
mangler synuclein, at<br />
de bliver syge. Deri<strong>mod</strong> tyder<br />
alt på, at de bliver syge, fordi de<br />
har for meget protein, og når<br />
man har for meget, så klumper<br />
det sammen, bliver giftigt for<br />
cellerne og slår dem ihjel.<br />
Aggregater alle vegne<br />
Fundet af sammenklumpninger<br />
hos både Parkinson patienter<br />
og Alzheimer-patienter er<br />
bare et af mange indicier på den<br />
sygdomsfremkaldende effekt<br />
af proteiner. Faktisk findes der<br />
nu en lang række sygdomme,<br />
der alle har det tilfælles, at de<br />
skyldes sammenklumpninger<br />
af proteiner. Hvem husker<br />
ikke billederne af brændende<br />
køer i England for nogle år<br />
siden, dengang hvor kogalskab<br />
var på alles læber? I kogalskab<br />
og i den menneskelige variant<br />
af sygdommen, Creutzfeldt-<br />
Jacobs syge, er der også sammenklumpninger<br />
af protein i<br />
nervecellerne. I disse sygdomme<br />
er det ikke synuclein, men<br />
deri<strong>mod</strong> prion-proteinet, der<br />
klumper sammen. Igen ved vi<br />
ikke præcis, hvad der er årsagen.<br />
Og nyere forskning viser,<br />
at der kan findes proteinaggregater<br />
i patienter med en lang<br />
række andre sygdomme, herunder<br />
visse former for sukkersyge<br />
og måske endda i nogle former<br />
for stær i øjet. Fælles for disse<br />
sygdomme er, at vi alle har de<br />
involverede proteiner, men at<br />
de først bliver skadelige, når de<br />
pludselig finder på at klumpe<br />
sammen. Så mens alle disse sygdomme<br />
er helt forskellige på<br />
det medicinske plan, minder de
28<br />
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 2 | 2 0 0 6<br />
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I<br />
om hinanden på det molekylære<br />
niveau. Det betyder ikke<br />
alene, at vi kan lære noget om<br />
alle disse sygdomme, men det<br />
peger også frem <strong>mod</strong>, at man<br />
måske kan finde generelle helbredelsesmetoder,<br />
der virker<br />
<strong>mod</strong> alle sygdommene.<br />
GroEL set fra siden.<br />
GroEL set fra oven.<br />
Proteinet GroEL er et eksempel på en “molekylær anstandsdame”, som kan binde til proteiner, der ikke har<br />
den rigtige struktur. Herved kan sådanne anstandsdamer måske forhindre dannelsen af de giftige sammenklumpninger<br />
af protein, der findes i nervecellerne hos patienter med Parkinsons sygdom.<br />
De fire billeder viser gærceller, der laver meget store<br />
mængder synuclein. Dette protein er klumpet sammen<br />
og fremstår som hvide pletter på billederne.<br />
Her ses tre billeder af gær, der laver mindre mængder<br />
af synuclein. Her findes synuclein proteinet spredt udover<br />
hele cellen (grønt), men især bundet til cellemembranen,<br />
der derfor fremstår ekstra grøn.<br />
Heldigvis har vi<br />
anstandsdamerne<br />
Hvis en lang række proteiner<br />
kan indgå i disse upassende<br />
og for cellen giftige alliancer,<br />
så overrasker det måske ikke,<br />
at evolutionen har udviklet<br />
forsvarsmekanismer, der skal<br />
beskytte os <strong>mod</strong> proteinaggregater.<br />
Vores normale immunforsvar<br />
er udviklet til at genkende<br />
fremmede proteiner<br />
fra bakterier og vira. Men i<br />
sygdomme som Parkinsons<br />
sygdom er det vores egne proteiner,<br />
der gør os syge, og her<br />
hjælper immunforsvaret ikke<br />
meget.<br />
Derfor har evolutionen frembragt<br />
en serie af små molekylære<br />
nano-maskiner, som skal<br />
forhindre proteiner i at klumpe<br />
sammen. Disse forsvarsproteiner,<br />
kaldet molekylære chaperoner<br />
(efter det engelske ord for<br />
anstandsdamer) har som funktion<br />
at forhindre, at der dannes<br />
disse uheldige forbindelser. Og<br />
hvis enkelte proteinaggregater<br />
skulle slippe forbi chaperonernes<br />
netværk og cellens kvalitetskontrol,<br />
kan andre proteiner<br />
aktivt gå ind og splitte sammenklumpningerne<br />
ad.<br />
Flere centrale spørgsmål står<br />
dog stadig ubesvarede: Hvordan<br />
fungerer disse processer? Hvordan<br />
kan cellen finde ud af, at<br />
et ellers fuldkomment normalt<br />
protein er ved at indgå i skadelige<br />
alliancer? Og hvordan kan<br />
chaperonerne genkende disse og<br />
skille dem ad igen?<br />
Gær med<br />
Parkinsons sygdom<br />
Ved den nyoprettede gruppe<br />
for Proteinbiologi på Institut<br />
for Molekylær Biologi og<br />
Fysiologi ved Københavns Universitet<br />
forsker vi blandt andet<br />
i de molekylære mekanismer<br />
bag chaperonernes funktion. I<br />
stedet for at bruge mennesker<br />
eller andre dyr til at studere,
A k t u e l N a t u r v i d e n s k a b | 2 | 2 0 0 6<br />
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I<br />
29<br />
Molekylære anstandsdamer<br />
Om forfatteren:<br />
Normalt<br />
protein<br />
Stress<br />
Udfoldet<br />
protein<br />
Anstandsdame<br />
Den generelle funktion af molekylære anstandsdamer.<br />
Uden<br />
anstandsdame<br />
Med<br />
anstandsdame<br />
Kompleks af protein<br />
og anstandsdamer<br />
Aggregat af udfoldede proteiner<br />
Normalt protein<br />
gendannet<br />
Efter Jesper Givskov Sørensen<br />
Kresten Lindorff-Larsen er<br />
adjunkt ved Institut for Molekylær<br />
Biologi og Fysiologi,<br />
Københavns Universitet<br />
E-mail:<br />
klindorff-larsen@aki.ku.dk<br />
Tlf.: 3532 1736<br />
Kresten Lindorff-Larsen er en<br />
af de 24 unge forskere, der for<br />
nyligt <strong>mod</strong>tog Det Frie Forskningsråds<br />
eliteforskerpris.<br />
Proteiner er cellernes arbejdsheste,<br />
der sørger for alt det<br />
praktiske arbejde i cellerne. For<br />
langt de fleste proteiner er forudsætningen<br />
for, at de kan udføre<br />
deres funktion, at den lange<br />
kæde af aminosyrer, de består<br />
af, er foldet på den helt rigtige<br />
måde. Den tredimensionale<br />
struktur af proteinet er dermed<br />
helt afgørende for funktionen.<br />
Hvis en celle udsættes for<br />
stress – f.eks. høje temperaturer<br />
– kan proteinerne imidlertid<br />
begynde at folde sig ud igen og<br />
dermed miste deres funktion.<br />
Hvad værre er, har sådanne delvist<br />
udfoldede proteiner også let<br />
ved at klumpe sig sammen i aggregater,<br />
der er direkte skadelige<br />
for cellen. Cellernes værn <strong>mod</strong><br />
en sådan upassende opførsel af<br />
proteiner er en gruppe proteiner<br />
kaldet molekylære chaperoner<br />
– hvor ordet chaperone på engelsk<br />
betyder anstandsdame.<br />
En del af disse proteiner kaldes<br />
også ofte for varmechok-proteiner,<br />
fordi fl ere af dem aktiveres,<br />
når cellen stresses ved at blive<br />
udsat for høje temperaturer.<br />
Alpha-Synuclein adskiller sig<br />
fra de fl este andre proteiner i<br />
cellen ved ikke at have nogen<br />
veldefi neret tredimensional<br />
struktur. Hvordan det udfører<br />
sin – indtil nu ukendte – funktion<br />
i cellen uden at have en<br />
specifi k struktur er noget, vi<br />
endnu ikke forstår. Men ligesom<br />
almindelige proteiner kan<br />
synuclein klumpe sig sammen i<br />
aggregater, der er giftige for cellen.<br />
Hvad der fremkalder denne<br />
proces ved vi endnu ikke. Fordi<br />
synuclein-proteinet altid er udfoldet<br />
har det en større tendens<br />
til at klumpe sig sammen end<br />
normalt foldede proteiner, og<br />
derfor er det vigtigt for cellen<br />
at beskytte sig <strong>mod</strong> dannelsen<br />
af giftige synuclein-aggregater.<br />
Derfor benytter cellen sandsynligvis<br />
også chaperone-proteiner<br />
til at forhindre aggregering af<br />
synuclein-proteinet, samt af<br />
de mange andre proteiner, der<br />
er involveret i lignende aggregeringssygdomme.<br />
Men fordi<br />
synuclein-proteinet er udfoldet<br />
selv under normale fysiologiske<br />
betingelser, er det ikke klart,<br />
hvordan chaperonerne kan se<br />
forskel på protein, der opfører<br />
sig normalt, og protein, der er<br />
ved at aggregere.<br />
Artiklen er en redigeret version<br />
af artiklen “Kroppens<br />
kamp <strong>mod</strong> Parkinsons sygdom”<br />
bragt i Universitetsavisen nr.<br />
3-2006.<br />
hvorledes chaperonerne forhindrer<br />
synuclein i at danne<br />
disse aggregater, har vi overtalt<br />
almindeligt bagegær til at<br />
danne aggregater, der minder<br />
om dem i Parkinsons sygdom.<br />
Selv om gærceller på mange<br />
måder adskiller sig fra de dopaminproducerende<br />
nerveceller<br />
i mennesker, kan gær bruges<br />
som et fantastisk <strong>mod</strong>elsystem<br />
til at studere de molekylære<br />
detaljer i fænomenerne. For<br />
eksempel kan vi få gærceller til<br />
at dø ved at få dem til at producere<br />
store mængder synuclein.<br />
Og ved at koble synuclein<br />
til et protein, der lyser<br />
op, kan vi se direkte ind i cellerne<br />
og følge processen, mens<br />
den forløber. Her kan vi tydeligt<br />
se, at i gær – som i mennesker<br />
– er det dannelsen af proteinaggregater,<br />
der får cellerne<br />
til at dø.<br />
Det næste skridt bliver at se,<br />
i hvor stor grad, vi kan kurere<br />
gærcellerne ved hjælp af de<br />
molekylære chaperoner.<br />
Et multidisciplinært<br />
forskningsprojekt<br />
For at komme tættere på et svar<br />
er vi i gruppen nødt til at bruge<br />
en tværfaglig tilgang. Vi kan<br />
gennem cellebiologien finde<br />
frem til de relevante proteiner<br />
og studere deres aktivitet inde<br />
i levende celler. Med disse studier<br />
som udgangspunkt kan<br />
vi foretage biokemiske og biofysiske<br />
målinger, der kan give<br />
os en kvantitativ forståelse af<br />
den molekylære genkendelse:<br />
hvordan, hvorfor, hvor hurtigt<br />
og hvor meget? Og endeligt<br />
benytter vi <strong>mod</strong>erne computersimuleringsmetoder<br />
til at forstå,<br />
hvordan atomerne i proteinerne<br />
vekselvirker med hinanden<br />
– f.eks. for at forstå, hvorfor<br />
fire atomer ekstra kan give<br />
ophav til en arvelig sygdom.<br />
Eller for at forstå, hvordan<br />
cellens anstandsdamer kan<br />
genkende de giftige sammenklumpninger<br />
og sørge for at<br />
skille dem ad i tide. Og måske<br />
forstå, hvorfor disse processer<br />
nogle gange ikke fungerer og<br />
dermed kan give anledning til<br />
for eksempel Parkinsons sygdom.<br />
<br />
Læs videre.<br />
www.parkinson.dk<br />
www.ninds.nih.gov<br />
Biokemien bag kogalskab.<br />
Aktuel Naturvidenskab nr.<br />
2/2000.<br />
Dørvogtere og faldgruber – om<br />
proteinfoldning og Alzheimers<br />
sygdom. Aktuel Naturvidenskab<br />
nr. 2/2001.<br />
Bananfl uer og stress – evolution<br />
i ugunstige miljøer.<br />
Aktuel Naturvidenskab nr.<br />
1/2001.