02/09-10 - Pressemeddelelse

Neurologiske sygdomme skyldes fejl i cellepumpe

Natrium-kaliumpumpen er essentiel for alt dyreliv, og den er målet for nogle af de ældst kendte lægemidler. Men selvom pumpen har været kendt og undersøgt i mere end 50 år, har en gruppe danske forskere netop opdaget nyt om dens helt basale mekanisme. Denne mekanisme er yderst vigtig, for hvis den forstyrres kan det give de neurologiske sygdomme migræne og spastisk lammelse (dystonisk parkinsonisme). Resultaterne åbner op for ny forskning i en af de mest grundlæggende cellulære mekanismer, og de giver ny indsigt, som kan vise sig værdifuld for langsigtede forsøg på at forstå og bekæmpe neurologiske sygdomme.

Forskere anført af den 34-årige postdoc Hanne Poulsen ved grundforskningscentret PUMPKIN på Molekylærbiologisk Institut ved Aarhus Universitet har i samarbejde med forskergrupper fra Syddansk Universitet i Odense (grundforskningscentret MEMPHYS) og H. Lundbeck A/S afluret natrium-kaliumpumpens mekanisme. Kroppen bruger generelt omkring en fjerdedel af sin tilgængelige energi til at drive natrium-kaliumpumpen (i hjernen endda næsten tre fjerdedele), da den skal opretholde vitale saltkoncentrationer i og uden for cellerne til at styre mange forskellige processer, fx elektriske nerveimpulser.

Det prestigefyldte tidsskrift Nature har netop offentliggjort forskernes nye opdagelser, der viser, at natrium-kaliumpumpen er styret af et lille stempel bestående af blot en enkelt proton, og genetiske ændringer, der påvirker dette stempel, kan forårsage migræne eller dystonisk parkinsonisme.

"Strøm" på cellerne

Ligesom det er vigtigt at have strøm på sin computer, er det særligt i hjernen vigtigt at have strøm på cellerne, for at de hurtigt og effektivt kan kommunikere med hinanden. "Batteriet" i hjernen oplades af natrium-kaliumpumpen, som sørger for, at natrium er udenfor, og kalium er indenfor, så når en kanal for natrium åbnes, vil natrium suse ind i cellen. Hvis tilstrækkeligt mange kanaler åbner, bliver cellen aktiveret og sender et budskab videre til andre celler i netværket, og den særligt intensive kommunikation mellem hjerneceller betyder, at hjernen konstant bruger størstedelen af sin energi (ATP) til at drive natrium-kaliumpumperne.

Mutationer i natrium-kaliumpumper giver neurologiske sygdomme

Der findes forskellige natrium-kaliumpumper, og mutationer i dem kan have forskellige konsekvenser. Mutationer i en type fører til migræneanfald med aura, halvsidig lammelse og evt. epileptiske anfald. Symptomerne afhjælpes delvist af traditionel migrænemedicin, men patienter rådes primært til at undgå situationer, der kan udløse anfald, såsom kontaktsport. Mutationer i en anden giver endnu værre symptomer, fx manglende muskelkontrol, stive bevægelser og besvær med at synke og tale, som typisk udløses hos disponerede i ung voksenalder efter fysisk eller psykisk stress. Sygdommen, kaldet "rapid on-set dystonia with parkinsonism", udvikler sig i løbet af få timer eller dage, og der er i dag ingen behandling for den.

Natrium-kaliumpumpens "hale" har en speciel struktur

Hvis en mutation i natrium-kaliumpumpen rammer et område, som er afgørende for mekanikken, vil det enten føre til celledød eller sygdom. Et stort antal af sygdomsmutationerne ligger i nærheden af pumpens "hale" (dvs. omkring de sidste aminosyrer i proteinmolekylet). Nobelprismodtager Jens Christian Skou beskrev som den første natrium-kaliumpumpen allerede i 1957, men halen var aldrig genstand for nærmere analyse, før det i 2007 lykkedes forskere fra PUMPKIN centeret at bestemme natrium-kaliumpumpens atomare struktur. Her opdagede de, at halen har en speciel struktur, som er af betydning for natrium-kaliumpumpens funktion, men det stod dog ikke klart hvorfor.

Måling af strømme i frøæg

Hanne Poulsen anvendte derfor elektrofysiologiske metoder til at undersøge, hvordan ændringer omkring halen påvirker natrium-kaliumpumpen. Da antallet af ioner, som pumpes ind og ud, er forskellige, dannes en svag, men målbar strøm. Forskerne brugte frøæg som "modelceller", og her indsatte de forskellige natrium-kaliumpumper og målte pumpestrømmen ved at stikke små elektroder ind i æggene (se figurer nederst).

Da forskerne målte på pumper uden "haler" eller med mutationer, fik de meget overraskende resultater. Strømmene viste bl.a., at halen er vigtig for at binde og frigive natrium-ionerne, mens den ikke har betydning for kalium-ionerne. For at forklare observationerne fik forskerne i Århus den ide, at en proton fra cellen virker som et stempel, der skubber natriumionerne ud og fylder den ene af pumpens tre 'ionbeholdere', så der kun er to beholdere tilbage til kalium (se figur 1). Denne stempelfunktion kunne også forklare, at mutationer ved "halen" forstyrrer pumpefunktionen som basis for de neurologiske sygdomme.

Figur 1. Den nye model for natrium-kaliumpumpen.

Til venstre: pumpen binder tre natrium-ioner (grøn) fra cellen, lukker dem inde, og når de skal frigives på den anden side, hjælper stemplet (dvs. en proton fra cellen (sort) ) til at skubbe dem ud.

Til højre: Protonen bliver siddende, så der kun er plads til at optage to kalium-ioner (rød) udefra, kalium-ionerne og protonen lukkes inde i pumpen og frigives alle inde i cellen. Pumpen danner således både store forskelle i ionkoncentrationer og i antallet af ladninger på hver side af membranen.

Et utal af cellens processer afhænger af, at der er spændings- og koncentrationsforskelle over membranen, ligesom vi i vores hverdag udnytter stikkontakternes spændingsforskelle til mange forskellige formål.

Figur: Hanne Poulsen

-----

Kom sovende til resultatet

- "Det var svært at forklare de nye elektrofysiologiske data ud fra de traditionelle modeller for pumpens funktion, så vi skulle udvikle en ny ide, der både hang sammen med vores egne målinger og med, hvad man ellers vidste," udtaler Hanne Poulsen. "Vi havde længe overvejet, om der kunne være en ekstra kanal i pumpen, og en hel aften diskuterede jeg med Poul Nissen, hvor og hvordan de forskellige døre i pumpen mon åbner og lukker, men vi nåede ikke frem til en helt tilfredsstillende forklaring. Men midt om natten vågnede jeg pludselig med ideen om et protonstempel, der ville kunne forklare de nye effekter, så jeg er bogstavelig talt kommet sovende til resultatet", slutter Poulsen.

- "Det er ikke tit, man får den slags gennembrud i forskning", siger lederen af PUMPKIN centeret professor Poul Nissen. "Hanne har bidraget med et helt frisk og nyt syn på et meget længe studeret problem og har på den måde formået at skabe mening ud af et væld af både gamle og nye data. Det er en højest usædvanlig præstation og en yderst velfortjent anerkendelse, at et så prestigefyldt tidsskrift som Nature publicerer resultatet", tilføjer Nissen.

Grundforskning er vigtig for udvikling af ny medicin
Dette er først og fremmest en grundvidenskabelig opdagelse, som viser, at selv et af de mest undersøgte proteiner kan gemme på overraskelser, når man går til opgaven med et frisk blik for det uventede. Men fordi proteinet er så fundamentalt for mange cellulære processer, kunne udviklingen af medicin rettet mod pumpen være mulig.

Faktisk er et af de ældst kendte lægemidler, som har været brugt til hjertelidelser i mere end 200 år, en hæmmer af pumpen, nemlig digitalis fra planten fingerbøl (Digitalis). Problemet med digitalis er, at blot en lille smule for meget kan have meget ubehagelige bivirkninger (hvorfor det også har været brugt som mordgiften digitoxin i både Agatha Christie bøger og James Bond film). Det ville derfor være fordelagtigt at udvikle nye stoffer, der var lettere at dosere og/eller havde færre bivirkninger. For at kunne udvikle nye stoffer til regulering af pumperne er det centralt at kende pumpens mekanisme grundigt, og her man fundet en meget gunstig ny mulighed for at udvikle ny medicin mod fx migræne, dystonisk parkinsonisme og epilepsi.

Forskningschef Jan Egebjerg fra Lundbeck, som også er medforfatter på artiklen udtaler: "Det er i grundforskningen vi finder de nye ideer, som åbner helt nyt land i den medicinske verden. Hanne Poulsens arbejde er et fremragende eksempel på, at studier af grundlæggende molekylers funktion pludselig fortæller os noget uventet, som også omhandler neurologiske sygdomme og muligheder for udvikling af nye typer medicin. Det er helt afgørende for virksomheder som Lundbeck at få dette afsæt og være på forkant i den internationale konkurrence om de nye ideer".

Link til artiklen i Nature: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature09309.html

Link til billede : Fire af artiklens forfattere (fra venstre mod højre): postdoc hanne poulsen, professor poul nissen, postdoc maike bublitz og lektor j. preben morth. klik på foto for større udgave. foto: Lisbeth Heilesen

Neurological disease mutations compromise a C-terminal ion pathway in the Na+/K+-ATPase

Hanne Poulsen1, Himanshu Khandelia2, J. Preben Morth1, Maike Bublitz1, Ole G. Mouritsen2, Jan Egebjerg3 & Poul Nissen1

1PUMPKIN - Centre for Membrane Pumps in Cells and Disease, Aarhus University, DK-8000 Aarhus C, Denmark
2MEMPHYS - Centre for Biomembrane Physics, University of Southern Denmark, DK-5220 Odense, Denmark
3H. Lundbeck A/S, DK-2500 Copenhagen Valby, Denmark

Mere information :
Postdoc Hanne Poulsen, PUMPKIN Centret, Molekylærbiologisk Institut, Aarhus Universitet, 89 42 50 21 / 30 25 40 65

2. september - Lisbeth Heilesen

RELATEREDE NYHEDER
- Poul Nissen og hans forskergruppe har tre artikler i samme nummer af Nature - 13-12-07 00:00
- Forskere fra Molekylærbiologisk Institut rydder forsiden af Nature - 13-12-07 00:00