Klumper af protein gennemhuller hjerneceller
Danske forskere har afdækket en giftig mekanisme, som kan ligge bag Parkinsons sygdom. Med en nyudviklet testplatform har de for første gang vist, hvordan klumper af giftigt protein kan gennemhulle hjerneceller og tømme dem for livsvigtige stoffer.
Når den første rystende håndbevægelse afslører et nyt tilfælde af Parkinsons sygdom, har den kroniske lidelse allerede været aktiv længe. Hjernecelle efter hjernecelle er blevet angrebet og slået ihjel. Og ”skurken” er giftige proteinophobninger i hjernecellerne. Det er velkendt. Mekanismen bag har imidlertid hidtil været ukendt. Men nu har et hold forskere fra iNANO på Aarhus Universitet for første gang vist, hvordan nogle af proteinklumperne kan gøre det af med hjernecellerne ved at danne huller i dem, så de tømmes for indhold.
”Der er nogle helt fundamentale ting, vi ikke ved omkring det her emne, som jeg er virkelig passioneret omkring og gerne vil udforske nærmere. Og jeg tror, jeg kan bidrage med min biofysiske vinkel og nogle lidt andre spørgsmål end læger og molekylærbiologerne på det her forskningsfelt.”
”Vi har for første gang vist, hvordan nogle af de giftige proteinklumper kan sætte sig på hjernecellens beskyttende membran og danne små porer eller huller i membranen,” forklarer postdoc Mette Galsgaard Malle, som er sidsteforfatter på studiet.
Opdagelserne er gjort ved hjælp af en ny avanceret testplatform med modeller af celler, som også har gjort det muligt at optage en video af tre af ”cellerne” under angreb.
Forskningen er støttet af 鶹, og studiet er publiceret i det anerkendte tidsskrift ACS nano, udgivet af The American Chemical Society.
En overraskende opdagelse
Parkinsons sygdom er en fremadskridende kronisk sygdom, som nedbryder nerveceller i hjernen, og først og fremmest dem, der producerer dopamin. Det fører til motoriske og kognitive forstyrrelser. Ifølge WHO får dobbelt så mange sygdommen i dag som for 25 år siden. Der findes i dag ingen kur, kun symptombehandling.
Sygdomsmekanismerne er kun delvis kortlagt, men en vigtig faktor menes at være proteinet alfa-synuclein, som klumper sig sammen i hjernens nerveceller, neuronerne, og ødelægger dem. Normalt er alfa-synuclein involveret i regulering af dopamin og andre signalstoffer, men ved Parkinsons sygdom begynder proteinerne at klæbe sammen i forskellige små eller større klumper. De små klumper kaldes oligomerer, og det er nogle af dem, forskerne har undersøgt.
”Vi har ikke så mange studier af oligomerer, selvom de bliver anset for at være den mest giftige form af alfa-synuclein, fordi de kan forstyrre membraner, og også synapser, altså de kontaktpunkter, hvor cellerne kommunikerer med hinanden, ” forklarer Mette Galsgaard Malle.
En fremherskende teori om oligomerer er, at de laver huller i cellerne, og det er altså den, som de danske forskere nu for første gang har underbygget i et forsøg. Samtidig har de gjort en anden – overraskende – opdagelse.
Forventningen var, at proteinklumperne ville sætte sig på cellemembranen og lave et hul, og så ville membranen gå i stykker. Men forskerne fandt, at oligomerer angriber cellen ad flere omgange og i tre trin: De skifter mellem at binde sig til membranens overflade, og bore sig henholdsvis halvt og helt ned i membranen. Og hullerne er ikke statiske, som forventet, men åbner og lukker sig i hastige glimt alt efter membranens sammensætning, den elektriske ladning, og de molekyler, der binder til proteinklumperne. Så selvom membranen bliver gennemhullet, er den intakt i længere tid, inden cellen er tømt for indhold og dør.
Bo Volf Brøchner, ph.d.-studerende og førsteforfatter på studiet fortæller om opdagelsen:
”Det skete rigtig mange gange, at oligomererne lavede huller, og så trak sig tilbage igen. I et tilfælde talte vi 37 gange. Det kom helt bag på os, at det var sådan en dynamisk proces.”
Han mener, at det kan forklare, hvorfor cellerne ikke dør med det samme, men er dysfunktionelle, inden de går til.
”Det er en vigtig opdagelse for at forstå, hvorfor og hvordan de er her porteinklumper er så giftige for vores celler,” siger Mette Galsgaard Malle.
Platform afslører detaljer og variationer
For at undersøge oligomerernes effekt på cellemembranerne i en hidtil uset detaljeringsgrad, udviklede forskerne en helt ny testplatform med tusindvis af liposomer, små fedtbobler, som fungerer som model for celler, placeret på en glasplade.
De kunstige celler kan konstrueres i varierende former og størrelser, og forskerne kan fylde forskellige stoffer i dem, lige som de kan tilsætte stoffer til membranernes overflader. Med avanceret mikroskopi, måling af elektriske signaler hen over membranerne og specialudviklede computerprogrammer kan forskerne undersøge og analysere, hvordan membraner og stoffer interagerer under forskellige betingelser. Og helt afgørende kan de udforske ”cellerne” en ad gangen og i realtid.
”Vi får alle variationer med, og kan se, hvordan hvert enkelt molekyle interagerer i stedet for at kigge på en milliard celler ad gangen, og arbejde med gennemsnitsværdier, som man ellers traditionelt gør med andre metoder,” forklarer Mette Galsgaard Malle.
I det konkrete forsøg fik forskerne bakterier til at producere alpha-synuclein, og dernæst påvirkede de proteinerne til at klumpe sammen som oligomerer.
De fyldte nogle af de kunstige celler med fluorescerende farvestof, og tilsatte oligomerer til membranerne. Nu kunne de afdække, hvilke membraner, oligomererne især bandt sig til, og og hvordan de lavede huller i dem. Og på videooptagelser kunne de efter et stykke tid se farvestof løbe ud af nogle af liposomerne, som følge af, at oligomererne havde dannet huller i membranerne.
Det viste sig, at oligomererne foretrækker nogle membraner frem for andre.
”Mærkeligt nok binder de sig helst til de mest kurvede membraner, men de er bedst til at lave huller i de større membraner, som er fladere. Og det er vigtigt at vide, fordi vi gerne vil prøve at komme et skridt nærmere på at få stoppet den her negative proces,” forklarer Mette Galsgaard Malle.
Endnu en vigtig opdagelse er, at oligomererne foretrækker membraner, som minder om membraner omkring mitokondrierne, som populært sagt er cellernes energifabrikker.
Det kan tyde på, at skaderne starter der, mener forskerne.
I alt screenede forskerne 500.000 individuelle interaktioner mellem liposomer og oligomerer.
Næste step er at teste resultaterne i cellekulturer.
”Nu skal vi se, om resultaterne fra platformen kan overføres til mere komplekse, biologiske systemer,” siger Mette Galsgaard Malle.
Platformen kan i princippet være springbræt til at teste mange andre stoffers interaktioner med membranerne. Og Mette Galsgaard Malle har også allerede planer om at videreudvikle platformen, og er i fuld gang med at søge midler til nye projekter.
”Den her platform åbner for så mange nye muligheder. Eksempelvis at undersøge andre giftige mekanismer i Parkinsons sygdom, og andre neurodegenerative sygdomme, som Alzheimers, hvor ophobning af proteiner også spiller en rolle.”
