Forskere har udviklet en metode til at studere, hvordan proteiner er fordelt på overfladen af en celle. Metoden afslører, at fordelingen af proteiner har stor betydning for fortolkningen af de signaler, som bliver sendt ind i cellen.
G-protein-koblede receptorer (GPCR) er lige så vigtige for livet som det er at trække vejret.
Denne familie af proteiner, som indeholder omkring 800 medlemmer, er nemlig ansvarlige for at sende signaler på tværs af cellemembranen fra omgivelserne til ind i cellens indre.
Derved gør GPCR det muligt for celler at reagere på for eksempel lugt, smag, lys og andre eksterne stimuli, ligesom 35 pct. af alle moderne lægemidler er målrettet netop disse proteiner.
Hidtil har forskere dog haft store huller i deres viden om GPCR, men de huller bliver fyldt ud i et nyt studie, hvori forskere for det første har udviklet en metode til endelig at kunne studere organiseringen af proteiner i cellemembranen og for det andet kortlægge, hvad der er afgørende for distribueringen af GPCR i cellemembranen.
Opdagelserne åbner op for helt nye forskningsområder inden for blandt andet effekten af lægemidler eller forståelsen af cellefunktion som et resultat af celleform.
"Forskere har i over 50 år stillet spørgsmål, som de ikke har kunnet besvare, fordi de ikke har haft metoderne til at studere organiseringen af GPCR i cellemembranen, men det kan vi nu. Vores resultater viser blandt andet, at en celles form og cellemembranens struktur spiller den afgørende rolle for distribueringen af GPCR i cellemembranen. Derved har celleformen en nøglerolle i forhold til, hvordan en celle fortolker signaler fra omgivelserne, og det er nyt," fortæller en af forskerne bag udviklingen af metoden, professor Dimitrios Stamou fra Institut for Kemi ved Københavns Universitet.
Forskningen er offentliggjort i Nature Chemical Biology.
Membranproteiner har givet forskere grå hår
Udfordringen for forskere har i årtier været at forstå, hvordan 800 GPCR kan omdanne information fra titusinder af stimuli fra omgivelserne til effekter inde i cellen.
GPCR er transmembrane proteiner med en del af proteinet på ydersiden af membranen ud mod omgivelserne og en del af proteinet på indersiden af membranen ind mod cellens indre.
Når et molekyle binder sig til receptoren på ydersiden af membranen, ændrer proteinet form, og denne ændring fører til et signal på indersiden. På den måde kan en celle tilpasse sig givne situationer ved at ændre på proteinudtrykket som svar på det, der sker i omgivelserne.
Da forholdet ikke er 1:1:1, altså ét signalmolekyle til én GPCR til ét signal inden i cellen, har forskere længe spekuleret i, at for eksempel den rummelige organisering af GPCR i cellemembranen kan spille en rolle i at udvide repertoiret af mulige signaleringsveje.
Det har dog ikke før nu været muligt at undersøge denne teori.
"Fordi vi ikke har kunnet studere det, har det ikke været muligt at sige, om der eksisterer denne rummelige organisering af GPCR, og om det har betydning for cellesignalering. Hvis organiseringen eksisterer, er spørgsmålet også, hvilke mekanismer der styrer organiseringen, og hvad det har af betydning for for eksempel effekten af lægemidler," forklarer Dimitrios Stamou.
Skaber 3D-struktur af cellemembraner
I forskningen har Dimitrios Stamou med sine kollegaer udviklet en unik metode til at studere cellemembraner.
Problemet har hidtil været, at forskere har forsøgt at undersøge cellemembraner i 2D, og det har gjort det umuligt at studere distribution af proteiner i 3D, idet en cellemembran ikke er flad som et stykke papir, men i stedet bugter sig i bakker og dale.
Hvis man kigger på en cellemembran under et normalt mikroskop, vil nogle ting derved være i fokus, for eksempel bakketoppene, mens størstedelen ikke vil være det. Jo højere opløsning, des større bliver problemet. Derfor kan man heller ikke se, hvordan GPCR er distribueret.
Forskerne i Dimitrios Stamous forskningsgruppe har brugt fire år på at udvikle en metode, hvor de ikke bare kigger på ét billede af en cellemembran, men kombinerer 500 billeder af en cellemembran til et 3D-billede, hvor alle bakker og dale i billedet står knivskarpt.
Det samme gælder for alle de proteiner, som sidder på overfladen – uanset om de sidder på en bakketop eller i en bølgedal.
"Med metoden kan vi ikke bare se GPCR, men også andre interessante proteiner, for eksempel H-RAS, der spiller en vigtig rolle i behandling af kræft, og PIEZO1, som er vigtigt for fornemmelsen af mekanisk tryk, for eksempel når man presser to fingre mod hinanden. Når vi bruger metoden til at studere distributionen af GPCR, står det lysende klart, at der er en klar fordeling af proteinerne med høj koncentration nogle steder i cellemembranen og lav koncentration andre steder," siger Dimitrios Stamou.
GPCR samler sig på bakketoppe i cellemembranen
I næste skridt i forskningen undersøgte forskerne, hvad der bestemmer organiseringen af GPCR.
Her stod det klart, at proteinerne samler sig på toppen af bakker i det landskab, som cellemembranen skaber.
Selvom en cellemembran er flydende, og proteiner og lipider flyder ind og ud mellem hinanden, forbliver koncentrationen af GPCR høj på bakketoppene og tilsvarende lav i bølgedalene.
Det skyldes dog ikke højden på cellemembranen, men derimod cellemembranens kurve.
Når kurven er positiv, som den er nær en bakketop, afstedkommer det en samling af GPCR, mens en negativ kurve, som den er i en bølgedal, ikke tiltrækker GPCR.
"Vores udviklede metode har altså ikke bare gjort det muligt for os at verificere, at der er en rummelig distribution af GPCR, men vi har også identificeret den bagvedliggende mekanisme," siger Gabriele Kockelkoren, der er førsteforfatter på studiet.
Celleform har større betydning end antaget
Betydningen af en celles form for distribueringen af GPCR og dermed også cellesignalering ind i cellerne er ifølge Dimitrios Stamou enormt interessant.
Det skyldes ifølge forskeren, at det er velkendt, at celleform ikke er ens.
Et neuron ser for eksempel markant anderledes ud end en rød blodcelle eller en nyrecelle.
Disse former er ekstremt konserverede i evolutionen og ens mellem næsten alle levende væsner på Jorden.
Årsagen er formentlig den, at formen spiller en meget stor rolle for mønsteret i distribueringen af GPCR og dermed cellefunktion.
"Det åbner op for et helt nyt forskningsområde, hvor det nu er muligt at undersøge, hvad der sker med cellefunktion, når man ændrer på formen. Ændrer det så også ved funktionen, og hvad har det af betydning for for eksempel behandling med et lægemiddel? Det er den slags spørgsmål, som vi nu kan begynde at besvare," forklarer Dimitrios Stamou.
Dimitrios Stamou er sammen med sine kollegaer selv i færd med at besvare en masse af disse spørgsmål og har allerede nu en lang række videnskabelige artikler på vej.
Blandt andet viser denne forskning, at det er muligt med blot kendskab til formen på en cellemembran at forudsige med stor præcision, hvor GPCR er lokaliseret.
"Det er ekstraordinært, at vi i et ekstremt kompliceret miljø, hvor proteiner og lipider flyder ind og ud mellem hinanden, har én egenskab, der er så dominerende og er så bestemmende for, hvordan cellen opfører sig. Det er utroligt interessant og meget uventet," siger Dimitrios Stamou.
