Publicerad: 2023-01-11 15:35 | Uppdaterad: 2023-01-20 09:23

Proteinerna som fixar (nästan) allt

Proteinet p53. Foto: TT
Proteinet p53 håller koll på DNA-skador och skyddar mot cancer. Foto: TT, Science Photo Library

Proteiner kan göra vilken uppfinnare som helst grön av avund. Det är proteinerna som får kroppen att fungera. Men det är samma superämnen som gör fel när vi blir sjuka i exempelvis cancer eller Alzheimers sjukdom. Forskarnas uppgift är att få ordning på proteinerna när de krånglar.

Text: Annika Lund för Medicinsk Vetenskap nr 4 2022 / Tema: Proteiner

Den som googlar uttrycket ”kroppens byggstenar” inser snabbt att det är ett överanvänt och luddigt uttryck. Oftast gäller liknelsen de molekyler som hjälper kroppens celler att fungera: proteinerna. Men de är så mycket mer än bara byggstenar. 

Så – vad är då ett protein? Finns det någon definition? 

Ja, alla proteiner består av aminosyror som fogas samman till en kedja som viks ihop till en viss struktur. I övrigt skiljer de sig åt – rejält. För om man frågar vad proteiner egentligen gör i kroppen, då är svaret lite slängigt allt. (Kolla in proteinskolan längst ned för ett mer exakt svar.) 

Proteinforskningens stora kliv 

Proteinforskning har tagit närmast ofattbart stora kliv de senaste två decennierna. Ett första bamsekliv togs när forskarna lyckades kartlägga människans arvsmassa. Då framkom att på den tre meter långa DNA-sträng som finns i varje cell, där finns cirka 21 000 avsnitt som producerar proteiner, de proteinproducerande generna. 

Janne Lehtio
Janne Lehtio. Foto: Stefan Zimmerman.

Sedan förstod forskarna att varenda gen kan producera flera versioner av varje protein. Det ger ungefär 90 000 proteinvarianter. Och proteinerna kan förändras även efter tillverkning. Till exempel genom att en annan molekyl fäster vid dem. Det påverkar proteinerna på flera sätt, förklarar Janne Lehtiö, professor i proteomik vid institutionen för onkologi-patologi vid Karolinska Institutet.  

– De kemiska modifieringar som sker hos proteiner efter att de har bildats påverkar var i cellen de kommer att befinna sig, hur stabila de är och vilka andra proteiner de samverkar med. Allt detta påverkar deras funktion.  

Han beskriver det hela med en bild, där ett träd som gör plommon liknas vid en gen som tillverkar ett protein.  

– Man kan tänka att det är plommon från ett och samma träd, men ändå är inte plommon i en tårta samma sak som ett torkat plommon i en fläskstek. På motsvarande sätt kan en gen producera proteinvarianter som får olika tillbehör och därmed olika funktion. I dag vet vi ganska lite om de här förändringarna som sker efter proteinets tillblivelse, de så kallade posttranslationella förändringarna. Vi vet egentligen inte så mycket om hur de fungerar i biologiska system, säger Janne Lehtiö.  

Sammantaget är det svårt att säga hur många proteiner som egentligen finns i kroppen. De sisådär 21 000 generna gör alltså ungefär 90 000 proteinvarianter – men lägger man till alla varianter som uppstår till följd av senare förändringar är antalet inte känt.  

Proteomforskare studerar hela proteinbilden

Ändå är det just det som proteomforskare försöker studera – hela proteinbilden. Per celltyp. Eller per vävnadstyp. 

– Jag började som proteinkemist och undersökte enskilda proteiner, hur de förändras i sin struktur och hur det styr deras funktion. Men så småningom förstod jag att proteiner påverkas av sin miljö och jobbar i lag. Bio-login kan endast förstås genom att titta på alla proteinerna samtidigt och det är vad vi gör inom proteomiken. Man kan säga att en proteinkemist fokuserar på en violinist, men en proteomforskare försöker lyssna på hela symfoniorkestern, säger Janne Lehtiö.  

Han och hans kollegor försöker bland annat att skapa referensproteom för olika celltyper, alltså vilka proteiner som ”normalt” bör ingå i en frisk cell av ett visst slag. Detta referensproteom kan sedan jämföras med vad som finns i sjuka celler av samma slag. Forskarna har till exempel försökt få fram en bild av vilka proteiner som brukar finnas i friska celler av det slag som lungcancer kan utvecklas ur. Sedan kan de jämföra med proteinbilden hos cancerceller och få en större förståelse för hur sjukdomen uppstår och vad som driver den.  

Janne Lehtiös forskargrupp undersöker också proteinbilden vid så kallad HER2-positiv bröstcancer, som uppstår när det bildas flera kopior av den gen som gör proteinet HER2. Som en följd producerar cellen väldigt mycket HER2, som säger åt cellen att dela sig. En stor mängd av detta protein leder till massiv celldelning varpå en tumör växer fram.  

Det finns läkemedel som kan fastna på HER2-proteinet som då inte längre kan skicka signaler om delning. De här läkemedlen har betytt mycket för bröstcancervården, eftersom de botar många patienter.  

Kan påverka val av cancerbehandling

Men hos vissa patienter överlever cancercellerna ändå. Efter några rejäla klubbslag från läkemedlet växer tumörerna till sig igen och sjukdomen upptäcks på nytt.  

Janne Lehtiö och hans kollegor har ägnat sig åt att försöka förstå vad som skiljer patienter som får tillbaka sin sjukdom från dem som blir botade. De har samarbetat med ett läkarteam i en studie som omfattar 150 patienter med HER2-positiv bröstcancer. Forskarna har kartlagt proteomet i cancercellerna hos alla dessa patienter, både inför behandlingsstart och efter två veckor. 

Det har gett intressanta svar.  

– Man kan säga att när man blockerar HER2-proteinet hos de här patienterna så tystar man en violinist som spelar falskt. Men om man lyssnar på hela orkestern, då kan det avslöjas att fler spelar falskt. En del av de här patienterna har fler proteiner som inte samarbetar och bör stoppas, säger Janne Lehtiö.  

Forskarna har hittat avvikelser som känns igen från andra cancersjukdomar och som behandlas med helt andra läkemedel, som i dag inte används vid HER2-positiv bröstcancer.  

– Just nu optimerar vi vår metod för att på ett bra sätt kunna selektera fram patienter som har vissa förändringar, som vi tror är behandlingsbara. Samtidigt diskuterar vi hur det hela skulle kunna mynna ut i en klinisk studie, där en subgrupp av patienter med HER2-positiv bröstcancer skulle kunna få en cocktail av fler redan godkända läkemedel, säger Janne Lehtiö. 

Många cancerceller saknar p53

Det finns några proteiner som är relevanta för väldigt många cancersjukdomar, oavsett i vilket organ tumörerna har uppstått. Ett sådant är p53 – världens mest studerade protein. Det finns normalt i alla celler och brukar liknas vid en superhjälte, The Guardian of the Genome, med ständig uppsikt över cellens DNA. Om DNA-skador upptäcks, då agerar p53 genom att förhindra cellen från att dela sig. Det leder på sikt till att cellen också dör.  

En cell som saknar p53 har alltså förlorat en viktig nödbroms. Många cancerceller har inget eller för lite p53.  

Michael Landreh
Michael Landreh. Foto: Privat bild.

– I cancerceller har det uppstått en rad fel, så förändringar kring p53 är sällan det enda problemet. Men det är ett fel som gör alla andra fel betydelselösa. Upp till 60 procent av alla tumörer har mutationer som påverkar p53, säger Michael Landreh, docent vid institutionen för mikrobiologi, tumör- och cellbiologi vid Karolinska Institutet. 

Han har ägnat mycket tid åt att undersöka p53 och MYC, som är ett annat protein som är relevant för många cancersjukdomar. MYC kan sägas ”kapa” en cell och få den att producera proteiner på ett hänsynslöst sätt i syfte att endast värna sig själv – den kapade cellen blir en cancercell.  

Gemensamt för p53 och MYC-proteiner är att de är ostrukturerade – de har ingen enkelt beskriven form. MYC har kallats för undruggable, omöjlig att nå för behandling, av detta skäl – det är svårt att hitta en plats på proteinet där man kan få något att fastna, något som skulle kunna förändra det så att det slutar bete sig så skadligt.  

– När det gäller p53 har en del av proteinet en tydlig struktur som binder till DNA-molekylen. Men resten av proteinet består av en stor mängd fladdriga trådar som virvlar runt ungefär som kokt spagetti, i ständig rörelse, berättar Michael Landreh. 

Den som vill interagera med p53 måste alltså på något sätt få saker att fastna på den där kokta spagettin. Men vad fastnar där? Och hur fattar man om något har fått fäste? 

Det undersöker Michael Landreh med masspektrometri. Det är en metod som med stor precision kan beskriva massan av ett protein. Förenklat kan man säga att forskarna skjuter iväg proteinet i en tunnel och ser hur snabbt det flyger, vilket hänger ihop med dess vikt. Sedan exponerar de proteinet för olika molekyler, som andra proteiner eller läkemedel, och ser om det flyger långsammare i tunneln. I så fall har det blivit tyngre – något har fastnat på det.  

– Vi vill försöka förstå hur de här proteinerna och massor av andra proteiner interagerar med varandra. Vi vill veta vilka som binder till varandra eller tvärtom – vad som kan få ett protein att släppa taget om ett annat. Målet är att kunna påverka skadliga proteiner och göra dem ofarliga, säger Michael Landreh. 

Krånglande protein vid Alzheimers sjukdom

Men sjukdomar kan också uppstå för att ett protein interagerar med sig själv på ett skadligt sätt. Så är fallet vid till exempel Alzheimers sjukdom där ett mycket litet protein, en så kallad peptid, krånglar. Det är betaamyloid, som finns även i friska hjärnor, som veckar sig på ett felaktigt sätt. Man kan säga att peptiden viker ihop sig som en tumstock gång på gång, tills det har bildats en så kallad fibrill, en stark kabel av proteiner eller peptider. Det är en tålig struktur som är mycket svår att lösa upp. De kan dessutom klumpa ihop sig och bilda plack. 

Fibriller och plack kan bildas av olika slags proteiner och peptider. De förekommer i hjärnan vid flera neurodegenerativa sjukdomar, som Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom.   

Men betydelsen av dessa fibriller och plack är omdiskuterad.  

Axel Abelein
Axel Abelein. Foto: Privat bild.

–  Det verkar som att själva bildandet av fibrillerna innebär något som är toxiskt och skadligt för nervcellerna. De färdiga fibrillerna kanske mest är någon form av slutförvaring. Den stora skadan verkar ske under processen på vägen dit, säger Axel Abelein, biofysiker och forskare vid institutionen för biovetenskaper och näringslära vid Karolinska Institutet. 

Han forskar om tillståndet mellan den normala peptiden och den färdiga fibrillen. I de faserna kallas anhopningarna för oligomerer (som består av ett fåtal proteiner) eller protofibriller (som består av fler proteiner och har börjat se ut som fibriller). Av någon anledning dras fler och fler peptider till de här strukturerna, som samtidigt veckar sig felaktigt.  

Axel Abelein och hans kollegor försöker förhindra bildandet av de här toxiska oligomererna och protofibrillerna. För att lyckas med det undersöker de funktionen av ytterligare proteiner i sammanhanget, så kallade chaperonproteiner, som hjälper till vid just veckningen. 

Forskarna har i provrör visat att processen att bilda fibriller går långsammare när ett visst chaperonprotein, kallat BRICHOS, är närvarande. De har också prövat att ge det här chaperonproteinet i injektionsform till möss som är framavlade för att få Alzheimers sjukdom. De försöken visade att möss som fått behandling behöll fler kognitiva funktioner, till exempel sitt arbetsminne, än möss som inte fått behandling.  

– Vårt mål är att förstå neurodegenerativa sjukdomar bättre genom att ringa in varför vissa proteiner, som betaamyloid, beter sig så konstigt. När det handlar om Alzheimers sjukdom hoppas vi kunna lägga grunden för ett nytt läkemedel och det här chaperonproteinet är vår kandidat, säger Axel Abelein. 

Aminosyror i en unik form

Proteiner är i grunden en kedja av aminosyror, men det är trassligare än så.

Proteiner är molekyler som är uppbyggda av kedjor av 20 olika aminosyror.

Aminosyrorna har viss ordningsföljd som bestäms av ordningen av kväve­baser i en gen.

Varje protein har en unik tredimensionell struktur som bestämmer dess funktion.

Den tredimensionella strukturen kan beskrivas i fyra nivåer, där primärstrukturen – ordningen av aminosyror – är den enklaste.

Vad gör proteiner?

Det korta svaret är nästan allt. Det långa svaret är att de...

… ger oss struktur
Proteinerna är komponenter i kroppens vävnader, som muskler, senor och skelett.

… sköter transporter
Proteiner ser till att rätt sak hamnar på rätt plats – ett exempel är hemoglobin, som skjutsar runt syre i kroppen.

… får saker att hända
Även enzymerna, som kan sägas styra hastigheten på kroppsliga processer, exempelvis hur snabbt maten vi äter omvandlas till sådant cellerna kan använda, är proteiner.

… rör sig
Både musklers sammandragningar och cellers förflyttningar i kroppen kontrolleras av proteiner som genererar rörelse, som exempelvis aktin och myosin.

… försvarar oss
Proteiner är också viktiga i immunförsvaret – antikroppar är proteiner.

… fungerar som förråd
Proteiner kan lagra andra molekyler tills de behöver användas. Ett exempel är ferritin som lagrar järn inne i kroppens celler.

… kommunicerar
Flera av våra hormoner, kroppens budbärare som reglerar alltifrån tillväxt till blodtryck och blodsocker, är proteiner. Det är även de receptorer som tar emot olika signaler, exempelvis receptorerna i våra sinnesceller som gör att vi kan uppleva omvärlden.

En betydande del av dig

Hur många är proteinerna? Det är svårt att veta exakt, men här är några nyckeltal:

Ungefär 15 procent av kroppsvikten utgörs av proteiner.

Uppskattningsvis produceras 90 000 olika slags proteiner i kroppen. Fler proteinvarianter tillkommer sedan genom att existerande proteiner förändras.

Enligt en uppskattning innehåller en cell i genomsnitt några tiotals miljoner proteinmolekyler. Antalet sträcker sig från några hundra till tusentals beroende på vilket protein det är.

Röda blodceller innehåller ett par tusen olika typer av proteiner, medan exempelvis nervceller kan behöva många fler protein­typer för att fungera.

 

Källor: Janne Lehtiö, www.thoughtco.com, NE