At mennesker er forskellige, er næppe en videnskabelig nyhed. Vores forskelligheder har tværtimod stået i vejen for mange videnskabelige gennembrud. Det er nemlig svært at måle, hvordan ydre stimuli påvirker vores fysiologi, når både udgangspunkt og reaktion varierer så meget fra person til person. Det problem har forskere nu omgået ved i det enkelte menneske at koble fysiologiske data til målinger af små ændringer af kroppens proteiner. Metoden kan både bruges til at tegne personlige stofskifteprofiler og finde vigtige nye regulatorer af stofskiftet. Studiet påviser mindst en ny og overraskende en af slagsen.
En af nøglerne til i fremtiden at sikre lighed i sundhed er at sikre forskellig behandling tilpasset det enkelte individ – også kendt som personlig medicin. Selv om mennesker består af nogenlunde de samme cellulære byggeklodser, så kan små molekylære forskelle gøre, at en type behandling virker bedre end en anden i det enkelte individ. Nu har forskere udviklet en ny analysemetodik til at kortlægge de små molekylære forskelle og derved muliggjort identifikation af hidtil ukendte cellulære mønstre og samspil med kroppens fysiologi.
”Overfladen af kroppens byggeklodser – proteinerne – modificeres konstant inde i kroppen med små kemiske fosfatgrupper. Via en kombination af eksperimentelle og beregningsmæssige analyser er det lykkedes os at koble den kemiske signalering sammen med proteinernes biologiske funktion og, særlig interessant, med den fysiologiske betydning for hele kroppen. Det er en metode, der ikke kun kan forudsige individuelle fysiologiske forskelle, men kan hjælpe med at identificere nye vigtige mekanismer af de her proteiner i regulering af kroppens stofskifte,” forklarer en medforfatter på en artikel om forskningsresultaterne, professor Jørgen Wojtaszewski fra Sektion for Molekylær Fysiologi, Institut for Idræt og Ernæring, Københavns Universitet.
Så små, at de forsvinder
Af- og påsætning af fosfatmolekyler (fosforylering) på proteiner er en af de måder, kroppens celler kan samle og integrere information fra det omliggende miljø til at styre biologiske processer. Mens grundstrukturen af proteiner er genetisk bestemt, og dermed overordnet uændret livet igennem, så kan det, at proteinet fosforyleres, bidrage til at finjustere funktionen af de enkelte proteiner, fx deres aktivitet af samspillet mellem de mange proteiner.
”Udfordringen har været, at der er titusindvis af de små kemiske ændringer, så vi er usikre på, hvilke der er de vigtigste og dermed afgørende for regulering af kroppens processer – vores fysiologi. Dette, kombineret med at vi alle sammen er forskellige, kan betyde, at identificering af ændringer risikerer at forsvinde i forskellighederne. I stedet for at se det som en forhindring, forsøgte vi i stedet at bruge det til vores fordel,” siger Elise Needham, ph.d.-studerende og førsteforfatter på artiklen.
Tidligere har forskere målt på en given forsøgsgruppes gennemsnitlige fosforylering på hver af de tusindvis af proteiner. Dette har givet nogen indsigt, men ved at se på data på en ny, personfikseret måde, forventer forskerne at kunne få langt mere og ny information.
”Sådanne ændringer i fosforylering, som vi ser, er både individuelle og nogle gange så små, at de forsvinder, hvis vi blot kigger på gennemsnittet af enkelte fosforyleringer. I stedet inddrager vi variationen af de forskellige fosforyleringer som reaktion på forskellige typer af stimuli og sammenholder denne med de individuelle variationer i fysiologiske processer. På den måde kan vi, selv om de enkelte individer har forskellige udgangspunkter og reagerer forskelligt, identificere vigtige kemiske ændringer, som er bestemmende for fysiologien,” forklarer Elise Needham.
Personalised phosphoproteomics
Forskerne kalder den nye metode ”Personalised Phosphoproteomics” eller ”personlig fosfoproteomik”, da de før og efter en given fysiologisk intervention, som fx fysisk aktivitet og/eller insulinstimulering (foregivende fødeindtagelse) måler de enkelte individers fosforylerings-profil. Et kæmpe arbejde – men med bemærkelsesværdige resultater.
”Vi genererede omfattende fosfoproteomisk data om sammenhængen mellem fysisk aktivitet og insulins virkningsmekanismer i den menneskelige skeletmuskulatur for at se, om vi kunne indsnævre de tusinder af observerede fosforyleringssteder til dem, som er koblet til skeletmusklernes glukoseoptagelse. Vi identificerede ~130 steder, der var stærkt positivt associerede til den muskulære glukoseoptagelse,” siger Sean Humphrey, postdoc ved School of Life and Environmental Sciences på University of Sydney.
Flere af disse steder formodes at være regulatorisk og funktionelt forbundne. En helt uventet aktør var proteinet mTOR. Ud fra tidligere forsøg i modelsystemer havde forskerne forventet en nærmest modsat rolle for mTOR.
”Vores opfølgende biokemiske analyser påviste nye reguleringsroller af mTOR. For eksempel identificeredes der en kobling til proteinet AMPK, som tidligere studier har påvist er vigtig i reguleringen af muskelstofskiftet. Blandt andet er AMPK nødvendig for den forbedring, der ses i musklernes insulinfølsomhed efter forudgående fysisk aktivitet,” siger Sean Humphrey. Opdagelser som denne udfordrer den etablerede viden, og ville formentlig ikke være blevet til uden den nye analytiske metode.
Bringe os tættere på at forstå
Ved at anvende denne nye metode til at undersøge, hvordan fysisk aktivitet forstærker insulins virkning i menneskers muskulatur, håber forskerne altså både at bekræfte allerede kendte sammenhænge mellem proteiner involveret i glukosemetabolisme, men også at kunne finde nye som den ovenfor omtalte mellem mTOR og AMPK.
”I dag er det en meget lille procentdel af de tusindvis af post-translationelle modifikationer, som vi kender funktionen af, så der ligger et stort potentiale i at identificere hidtil ukendte steder, som er mest kritiske for biologiske processer, hvilket medfører stor interesse for videre undersøgelser” siger Christian Pehmøller, tidl. seniorforsker ved Pfizer Global Research and Development, Cambridge.
Hermed kan kortlægningen af disse fundamentale cellulære processer i fremtiden også lægge grundstenen for udviklingen af nye effektive lægemidler til mange forskellige typer af komplekse sygdomme, ikke blot i stofskiftet, men også i forbindelse med for eksempel kræftsygdomme,
”Det nye værktøj giver os for første gang - ved at udnytte menneskelig variation - mulighed for at forbinde den helt centrale type signalering med biologisk funktion og variation i mennesket. Det vil derfor også naturligt bringe os tættere på at forstå det molekylære grundlag for, hvordan sundhed og behandling varierer dynamisk på tværs af den menneskelige befolkning, så vi kan give det enkelte individ den bedst mulige behandling,” vurderer Christian Pehmøller.
