Kampen mod proteinklumperne

26
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
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I
Kampen mod
proteinklumperne
- kroppens forsvar mod Parkinsons sygdom
Parkinsons sygdom skyldes giftige klumper af protein,
som kroppen selv danner. Ved at studere kroppens
forsvarssystemer mod sådanne proteinklumper håber
forskerne at afsløre sygdommens hemmeligheder.
Af Kresten Lindorff-Larsen
Den afdøde pave Johannes
Paul II, Salvador Dali og Johnny
Cash havde den. Ja selv Adolf
Hitler havde den vist – Parkinsons
sygdom. En uhelbredelig
nervesygdom, der hvert år rammer
tusindvis af mennesker verden
over.
I Danmark anslås det, at ca.
5000 lider af sygdommen, der
typisk optræder efter 60-års
alderen. Sygdomsrisikoen stiger
med alderen: ca. 1 % for 65-75
årige og op til 3 % for de endnu
ældre. Og med en stigende levealder
i befolkningen tyder alt
på, at en endnu større andel
af os vil få Parkinsons sygdom
i fremtiden. Disse tal betyder
dog ikke, at unge kan vide sig
sikre. For sygdommen kan også
ramme langt yngre mennesker.
Skuespilleren Michael J. Fox fik
diagnosen som 30-årig og lever
stadigvæk med sin sygdom. Og
da vi stadig ikke ved, hvorfor
Skuespilleren Michael J. Fox fik
diagnosen Parkinson allerede som
30-årig. Han er 44 år i dag.
sygdommen opstår, er der lang
vej til en helbredende behandling.
Forskningen i Parkinsons sygdom
er altså stadig på det meget
fundamentale stadium, hvor det
drejer sig om at forstå, hvorfor
sygdommen overhovedet opstår.
Samtidig er det også vigtigt at
klarlægge, hvordan kroppen
forsvarer sig mod sygdommen,
fordi det kan give os et indblik
i, hvad der går galt, når dette
forsvar ikke virker. Særligt interessant
er det, at den nyeste
forskning viser, at de samme
forsvarsmekanismer måske også
virker mod en lang række andre
sygdomme såsom Alzheimers
og den menneskelige variant af
kogalskab Creutzfeldt-Jacobs
syge.
Nervecellerne dør
Selvom den engelske læge James
Parkinson opdagede sygdommen
allerede i starten af 1800-
tallet, var det først i anden
halvdel af det 20. århundrede,
at vi begyndte at få en grundlæggende
forståelse af årsagen
til Parkinsons sygdom. Specielt
viste forskningen, at en bestemt
type nerveceller i hjernen var
gået til grunde hos patienter
med sygdomen. Disse celler
producerer stoffet dopamin, der
er et vigtigt signalmolekyle i
vores nervesystem. De døde nerveceller
findes især i et område
af hjernen med det lidet flatterende
navn “den sorte substans”,
der blandt andet er vigtig for,
at vi kan bevæge os. Så på det
overordnede niveau er sagen
klar: nervecellerne i den sorte
substans dør og kan dermed
ikke producere den dopamin,
der er vigtig for at kontrollere
vore bevægelser.
Disse resultater gav forskere
og læger en oplagt vej til
behandlingen af patienter. Ved
at give dem et supplement af
dopamin (eller rettere et af dets
molekylære forstadier) og ved
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
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I
27
ner den eksisterende dopamin,
kan man modvirke mange af
symptomerne. I hvert fald i et
stykke tid.
Den italienske forbindelse
Lige så vigtig som afklaringen
af, hvad de dopaminproducerende
cellers rolle var, lige så
lidt gav disse fund klarhed over,
hvorfor sygdommen opstår. Er
det genetiske faktorer eller miljøet,
der bestemmer, eller er det
som så ofte en kombination af
disse faktorer?
Det var en lille italiensk
landsby, der skulle være grundlag
for de næste store fremskridt
i forskningen. I byen Contursi
øst for Napoli findes en familie,
der har en ekstraordinær
høj hyppighed af sygdommen.
Og ved hjælp af undersøgelser
af familiemedlemmernes DNA
fandt forskerne i 1996 frem til
det gen, der var årsag til den
uheldige familiehistorie – et
gen, der koder for et protein
kaldet alfa-synuclein.
De medlemmer af familien,
der arver en muteret form for
synuclein-genet, får Parkinsons
sygdom, mens dem, der har
den normale form, går fri. I den
muterede form er en enkelt base
i DNA-strengen skiftet ud med
en anden. Denne mutation forårsager,
at synuclein-proteinet,
der består af flere hundrede atomer,
får sølle fire atomer ekstra.
Men disse fire atomer er nok
til at give de uheldige italienere
Parkinsons sygdom.
Denne opdagelse fik hurtigt
stor betydning for forskningsverdenen,
for ikke alene var det
et direkte bevis for, at der findes
arvelige former for Parkinson og
for, at synuclein havde en central
rolle i sygdommen. Mindst
ligeså overraskende var det, at
synuclein-proteinet tidligere
var blevet fundet i forbindelse
med patienter med Alzheimer.
Således var der måske var en
sammenhæng mellem de to sygdomme.
Giftige klumper i hjernen
Yderligere forskning har vist, at
den arvelige form for Parkinsons
sygdom fundet i Italien ikke er
særligt hyppig. Alligevel var fundet
starten på nye molekylære
Parkinsons syge
Parkinsons sygdom har navn efter
den britiske læge Dr. James
Parkinson, der i 1817 gav den
første lægelige beskrivelse af
sygdommen.
Parkinsons sygdom beskrives
i dag som en kronisk neurodegenerativ
sygdom, der medfører en
tiltagende ændring af kroppens
bevægelser.
Med sygdommen følger en
række invaliderende symptomer:
Patienten får ufrivillig rysten og
meget langsomme bevægelser.
Balanceproblemer og muskelstivhed
er også hyppige. Disse
motoriske problemer gør dagligdagen
for mange Parkinson
patienter svær. Nogle patienter
lider af alvorlige tab på essentielle
funktioner som gang,
tale, synkning, vandladning og
afføring. Depressioner og søvnforstyrrelser
forekommer også.
Ofte følges rystelserne også
af hukommelsesproblemer og
demens.
I dag har 5000 danskere Parkinsons
sygdom, og i USA lider
mindst 500.000 mennesker
af sygdommen. Gennemsnitsalderen
for diagnose er cirka 60
år. Det er sjældent, at mennesker
under 40 år får konstateret
sygdommen.
studier af, hvordan sygdommen
opstår.
Kort tid efter fandt forskere,
at der i nervecellerne hos næsten
alle Parkinson-patienter findes
store mængder af synuclein i en
speciel sammenklumpet form.
Disse sammenklumpninger, kaldet
aggregater, er kendt fra en
række andre sygdomme, heriblandt
Alzheimer. Den italienske
familie er så uheldig at have
en form af proteinet, der har en
særlig stor tendens til at klumpe
sammen. Andre Parkinsonpatienter
har fuldstændig den
samme form som raske mennesker,
men af en eller anden
årsag klumper proteinet alligevel
sammen. Måske på grund af
ydre påvirkninger – måske fordi
patienter er arveligt disponerede
på forskellige måder. Det ved vi
endnu ikke.
For at forstå sygdommen
yderligere udviklede forskere en
De små aggregater klistrer
sammen til lange fibrille r.
Fibrillierne klumper
sammen i såkaldte Lewy
legemer i nervecellerne.
Figuren viser princippet i dannelsen af de skadelige klumper af proteinet
synuclein i nerveceller, der er skyld i Parkinsons sygdom.
mus, der ikke kunne lave synuclein.
Disse mus viste ingen specielle
tegn på Parkinson eller lignende
sygdomme. Ja faktisk var
musene stort set normale. Så det
er altså ikke, fordi Parkinsonpatienter
mangler synuclein, at
de bliver syge. Derimod tyder
alt på, at de bliver syge, fordi de
har for meget protein, og når
man har for meget, så klumper
det sammen, bliver giftigt for
cellerne og slår dem ihjel.
Aggregater alle vegne
Fundet af sammenklumpninger
hos både Parkinson patienter
og Alzheimer-patienter er
bare et af mange indicier på den
sygdomsfremkaldende effekt
af proteiner. Faktisk findes der
nu en lang række sygdomme,
der alle har det tilfælles, at de
skyldes sammenklumpninger
af proteiner. Hvem husker
ikke billederne af brændende
køer i England for nogle år
siden, dengang hvor kogalskab
var på alles læber? I kogalskab
og i den menneskelige variant
af sygdommen, Creutzfeldt-
Jacobs syge, er der også sammenklumpninger
af protein i
nervecellerne. I disse sygdomme
er det ikke synuclein, men
derimod prion-proteinet, der
klumper sammen. Igen ved vi
ikke præcis, hvad der er årsagen.
Og nyere forskning viser,
at der kan findes proteinaggregater
i patienter med en lang
række andre sygdomme, herunder
visse former for sukkersyge
og måske endda i nogle former
for stær i øjet. Fælles for disse
sygdomme er, at vi alle har de
involverede proteiner, men at
de først bliver skadelige, når de
pludselig finder på at klumpe
sammen. Så mens alle disse sygdomme
er helt forskellige på
det medicinske plan, minder de

28
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
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I
om hinanden på det molekylære
niveau. Det betyder ikke
alene, at vi kan lære noget om
alle disse sygdomme, men det
peger også frem mod, at man
måske kan finde generelle helbredelsesmetoder,
der virker
mod alle sygdommene.
GroEL set fra siden.
GroEL set fra oven.
Proteinet GroEL er et eksempel på en “molekylær anstandsdame”, som kan binde til proteiner, der ikke har
den rigtige struktur. Herved kan sådanne anstandsdamer måske forhindre dannelsen af de giftige sammenklumpninger
af protein, der findes i nervecellerne hos patienter med Parkinsons sygdom.
De fire billeder viser gærceller, der laver meget store
mængder synuclein. Dette protein er klumpet sammen
og fremstår som hvide pletter på billederne.
Her ses tre billeder af gær, der laver mindre mængder
af synuclein. Her findes synuclein proteinet spredt udover
hele cellen (grønt), men især bundet til cellemembranen,
der derfor fremstår ekstra grøn.
Heldigvis har vi
anstandsdamerne
Hvis en lang række proteiner
kan indgå i disse upassende
og for cellen giftige alliancer,
så overrasker det måske ikke,
at evolutionen har udviklet
forsvarsmekanismer, der skal
beskytte os mod proteinaggregater.
Vores normale immunforsvar
er udviklet til at genkende
fremmede proteiner
fra bakterier og vira. Men i
sygdomme som Parkinsons
sygdom er det vores egne proteiner,
der gør os syge, og her
hjælper immunforsvaret ikke
meget.
Derfor har evolutionen frembragt
en serie af små molekylære
nano-maskiner, som skal
forhindre proteiner i at klumpe
sammen. Disse forsvarsproteiner,
kaldet molekylære chaperoner
(efter det engelske ord for
anstandsdamer) har som funktion
at forhindre, at der dannes
disse uheldige forbindelser. Og
hvis enkelte proteinaggregater
skulle slippe forbi chaperonernes
netværk og cellens kvalitetskontrol,
kan andre proteiner
aktivt gå ind og splitte sammenklumpningerne
ad.
Flere centrale spørgsmål står
dog stadig ubesvarede: Hvordan
fungerer disse processer? Hvordan
kan cellen finde ud af, at
et ellers fuldkomment normalt
protein er ved at indgå i skadelige
alliancer? Og hvordan kan
chaperonerne genkende disse og
skille dem ad igen?
Gær med
Parkinsons sygdom
Ved den nyoprettede gruppe
for Proteinbiologi på Institut
for Molekylær Biologi og
Fysiologi ved Københavns Universitet
forsker vi blandt andet
i de molekylære mekanismer
bag chaperonernes funktion. I
stedet for at bruge mennesker
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
M O L E K Y L Æ R B I O L O G I
29
Molekylære anstandsdamer
Om forfatteren:
Normalt
protein
Stress
Udfoldet
protein
Anstandsdame
Den generelle funktion af molekylære anstandsdamer.
Uden
anstandsdame
Med
anstandsdame
Kompleks af protein
og anstandsdamer
Aggregat af udfoldede proteiner
Normalt protein
gendannet
Efter Jesper Givskov Sørensen
Kresten Lindorff-Larsen er
adjunkt ved Institut for Molekylær
Biologi og Fysiologi,
Københavns Universitet
E-mail:
klindorff-larsen@aki.ku.dk
Tlf.: 3532 1736
Kresten Lindorff-Larsen er en
af de 24 unge forskere, der for
nyligt modtog Det Frie Forskningsråds
eliteforskerpris.
Proteiner er cellernes arbejdsheste,
der sørger for alt det
praktiske arbejde i cellerne. For
langt de fleste proteiner er forudsætningen
for, at de kan udføre
deres funktion, at den lange
kæde af aminosyrer, de består
af, er foldet på den helt rigtige
måde. Den tredimensionale
struktur af proteinet er dermed
helt afgørende for funktionen.
Hvis en celle udsættes for
stress – f.eks. høje temperaturer
– kan proteinerne imidlertid
begynde at folde sig ud igen og
dermed miste deres funktion.
Hvad værre er, har sådanne delvist
udfoldede proteiner også let
ved at klumpe sig sammen i aggregater,
der er direkte skadelige
for cellen. Cellernes værn mod
en sådan upassende opførsel af
proteiner er en gruppe proteiner
kaldet molekylære chaperoner
– hvor ordet chaperone på engelsk
betyder anstandsdame.
En del af disse proteiner kaldes
også ofte for varmechok-proteiner,
fordi fl ere af dem aktiveres,
når cellen stresses ved at blive
udsat for høje temperaturer.
Alpha-Synuclein adskiller sig
fra de fl este andre proteiner i
cellen ved ikke at have nogen
veldefi neret tredimensional
struktur. Hvordan det udfører
sin – indtil nu ukendte – funktion
i cellen uden at have en
specifi k struktur er noget, vi
endnu ikke forstår. Men ligesom
almindelige proteiner kan
synuclein klumpe sig sammen i
aggregater, der er giftige for cellen.
Hvad der fremkalder denne
proces ved vi endnu ikke. Fordi
synuclein-proteinet altid er udfoldet
har det en større tendens
til at klumpe sig sammen end
normalt foldede proteiner, og
derfor er det vigtigt for cellen
at beskytte sig mod dannelsen
af giftige synuclein-aggregater.
Derfor benytter cellen sandsynligvis
også chaperone-proteiner
til at forhindre aggregering af
synuclein-proteinet, samt af
de mange andre proteiner, der
er involveret i lignende aggregeringssygdomme.
Men fordi
synuclein-proteinet er udfoldet
selv under normale fysiologiske
betingelser, er det ikke klart,
hvordan chaperonerne kan se
forskel på protein, der opfører
sig normalt, og protein, der er
ved at aggregere.
Artiklen er en redigeret version
af artiklen “Kroppens
kamp mod Parkinsons sygdom”
bragt i Universitetsavisen nr.
3-2006.
hvorledes chaperonerne forhindrer
synuclein i at danne
disse aggregater, har vi overtalt
almindeligt bagegær til at
danne aggregater, der minder
om dem i Parkinsons sygdom.
Selv om gærceller på mange
måder adskiller sig fra de dopaminproducerende
nerveceller
i mennesker, kan gær bruges
som et fantastisk modelsystem
til at studere de molekylære
detaljer i fænomenerne. For
eksempel kan vi få gærceller til
at dø ved at få dem til at producere
store mængder synuclein.
Og ved at koble synuclein
til et protein, der lyser
op, kan vi se direkte ind i cellerne
og følge processen, mens
den forløber. Her kan vi tydeligt
se, at i gær – som i mennesker
– er det dannelsen af proteinaggregater,
der får cellerne
til at dø.
Det næste skridt bliver at se,
i hvor stor grad, vi kan kurere
gærcellerne ved hjælp af de
molekylære chaperoner.
Et multidisciplinært
forskningsprojekt
For at komme tættere på et svar
er vi i gruppen nødt til at bruge
en tværfaglig tilgang. Vi kan
gennem cellebiologien finde
frem til de relevante proteiner
og studere deres aktivitet inde
i levende celler. Med disse studier
som udgangspunkt kan
vi foretage biokemiske og biofysiske
målinger, der kan give
os en kvantitativ forståelse af
den molekylære genkendelse:
hvordan, hvorfor, hvor hurtigt
og hvor meget? Og endeligt
benytter vi moderne computersimuleringsmetoder
til at forstå,
hvordan atomerne i proteinerne
vekselvirker med hinanden
– f.eks. for at forstå, hvorfor
fire atomer ekstra kan give
ophav til en arvelig sygdom.
Eller for at forstå, hvordan
cellens anstandsdamer kan
genkende de giftige sammenklumpninger
og sørge for at
skille dem ad i tide. Og måske
forstå, hvorfor disse processer
nogle gange ikke fungerer og
dermed kan give anledning til
for eksempel Parkinsons sygdom.
Læs videre.
www.parkinson.dk
www.ninds.nih.gov
Biokemien bag kogalskab.
Aktuel Naturvidenskab nr.
2/2000.
Dørvogtere og faldgruber – om
proteinfoldning og Alzheimers
sygdom. Aktuel Naturvidenskab
nr. 2/2001.
Bananfl uer og stress – evolution
i ugunstige miljøer.
Aktuel Naturvidenskab nr.
1/2001.