Wallenberg Scholars

Proteinforskning som kan förändra synen på sjukdomsutveckling

Sjukdomar som Alzheimer och Parkinsons men även vissa cancerformer uppstår för att proteiner i cellerna börjar vecka sig på ett felaktigt sätt eller för att de binder till andra proteinkedjor eller metalljoner. Proteinernas beteende och betydelse står i centrum för Pernilla Wittung-Stafshedes forskning.

Bild på gult protein

Pernilla Wittung-Stafshede pratar med inlevelse och stor intensitet när hon berättar om sin forskning och passion för livets grundläggande mekanismer, proteinerna. Det är många gånger svårt för en som inte är naturvetare att hänga med i svängarna, inte för att hon är dålig på att förklara, tvärt om, hon har en proteinkedja i plast i händerna som hon illustrativt vecklar ihop och ut, men det går i en rasande takt, något som också hennes forskningskarriär har gjort.

– Det är väldigt fascinerade att försöka förstå vad som styr hur proteiner når sina aktiva former och vad som kan gå fel, samtidigt som det är fruktansvärt svårt, konstaterar hon.

Proteiner är långa kedjor av aminosyror som kopplas ihop i en viss ordning utifrån vår genetiska kod. För att aktiveras måste varje kedja veckas ihop till en specifik struktur i cellerna.

– Frågan är hur kedjorna veckar ihop sig. Naturen vet hur man gör, proteiner veckas hela tiden i levande organismer. Skulle kedjorna slumpmässigt testa olika former skulle det ta oändlig tid, istället måste det finnas något som styr dem åt rätt håll, konstaterar Pernilla.

"Jag har i princip fått råd att göra alla de experiment jag vill göra. Det är bara fantasin som är begränsningen just nu - och det faktum att jag inte kan ha hur stor grupp som helst. Det är suveränt att ha möjligheten att prova olika nya saker eftersom det ofta är slumpen som avgör om man upptäcker något stort."

Kopparjoner kan orsaka neurologiska sjukdomar

Pernilla som är professor i biologisk kemi vid Umeå universitet, har gjort många grundläggande upptäckter om hur proteiner som binder metaller, metallproteiner, eller proteiner som binder till andra proteinkedjor, oligomerer, kopplar ihop veckning och bindning. Många av de viktigaste proteinerna i cellen behöver binda metaller eller andra proteinkedjor för att utföra sitt arbete. Fria metaller är farliga och felaktiga proteinbindningar kan leda till sjukdomar.

Kopparjoner kan spela en stor roll i utvecklingen av ALS, Alzheimer och Parkinson. Koppar har även funnits i mängder vid cancertumörer.

– Det finns ingen fri koppar i cellerna utan istället finns utvalda proteiner som transporterar metallen till behövande proteiner. Ingen vet ännu hur detta går till på mekanistisk nivå, vad som är drivkraften och hur protein-koppar komplex ser ut.

Ökade kunskaper om metallproteiner kan bland annat förbättra läkemedel.

– Det vanligaste läkemedlet mot allvarlig cancer, Cisplatin, har många bieffekter som orsakas av att det binder till andra proteiner, bland annat kopparproteiner. Läkemedlet måste in i cellkärnan men om kopparproteiner får tag i det så kan det inte nå målet. Om vi förstår hur koppar transporteras i cellen kan vi kanske komma på sätt att förhindra utvecklandet av sjukdomar som påverkas av koppar, säger Pernilla Wittung-Stafshede.

Proteinernas utrymme i cellen har betydelse

Sedan några år tillbaka studerar hon också hur stor betydelse cellmiljön har för proteiners egenskaper som veckning, form och funktion.

– Proteinveckning har oftast studerats i vattenlösning, en miljö där det finns mycket större utrymme jämfört med i en cell. Cellerna är fyllda med andra proteiner, DNA, ribosomer och annat; upp till 40 procent av cellvolymen kan vara upptagen av andra molekyler. Mindre plats för proteinerna borde stabilisera dem men kan även leda till oönskade interaktioner med andra proteiner i närheten.

Det är först under de senaste åren som forskare börjat göra biofysikaliska experiment i miljöer som efterliknar cellens inre. När Pernilla och hennes studenter började studera effekten av cell-liknande miljö gjorde de en oväntad upptäckt.

– Det visade sig att det hopveckade proteinet blev mer stabilt samtidigt som det veckade sig snabbare. Detta stämmer överens med vad vi, och andra, förutspått. I ett trängre utrymme favoriseras det som är mindre – det veckade proteinet.

De såg också något som ingen kunnat gissa, att proteinets veckade form också kunde ändras i cell-liknande miljö.

– Vi experimenterade med ett protein från Borreliabakterien. I den vanliga hopveckade formen av proteinet, som har en avlång form, som en amerikansk fotboll, så syns inte en viktig antigen, men när proteinet placerades i cell-liknande miljö ändrades formen till en boll, en sfär, och då poppade antigenen ut och blev synlig på proteinets yta. Om proteinet antar bollformen då den finns i infekterade organismer kan detta kan förklara varför det bildas antikroppar till just denna antigen vid infektion, en fråga som tidigare varit oklar, förklarar Pernilla.

Slutsatsen av studierna i cell-liknande miljö är att forskarna inte riktigt vet hur de aktiva formerna av proteinerna ser ut.

– Det är lite läskigt. Proteiner kan se annorlunda ut inne i celler jämfört med vad vi tror från våra vatten-baserade experiment. Kanske är trängseln som påverkar formen naturens sätt att styra proteinaktivitet?

Möjligt att stoppa Parkinson?

För att nå större förståelse samarbetar Pernilla med forskare som har kompletterande kompetenser – till exempel de som jobbar med teoretiska modeller och simuleringar, och experter inom NMR-metoder.

– Det jag kan och tycker är roligt är de molekylära detaljerna och biofysiken man kan studera hos proteiner i provrör, konstaterar hon.

Hon samarbetar också med en professor inom organisk kemi för att se om man kan lära sig styra proteinfelveckning och aggregering med hjälp av små syntetiska molekyler.

När vissa proteiner felveckas börjar de dra sig till varandra och bilda klumpar, stora oligomerer eller aggregat, som sen i sin tur klumpar ihop sig till långa fibrer, amyloida fibrer. Det är en generell process, samma typ av fibrer bildas i sjukdomar som Parkinson, ALS, Alzheimer och typ 2 diabetes, men det är olika proteiner som ingår i processerna.

– När vi sätter till en viss molekyl till det protein som är inblandat i Parkinsonproteinet går felveckningsprocessen mycket snabbare och vi får mycket fibrer. Det är en paradox eftersom samma molekyl kan stoppa fiberbildning hos ett bakteriellt protein. Detta betyder att även om fibrerna är ungefär likadana, finns det detaljer i proteinerna och mekanismerna som styr vad som händer. Vi hoppas kunna ta fram olika små molekyler som vi kan använda för att styra proteinansamling, proteinaggregering, precis som vi vill och använda dem som redskap för att studera olika felveckningssjukdomar på en molekylär nivå, berättar Pernilla Wittung-Stafshede.

Text Carina Dahlberg/KAW
Bild Magnus Bergström