Forskningsprojekt
Koppar är en av de viktigaste metaller som behövs i kroppen; dock kan ensamma kopparjoner vara skadliga. Som skydd blir koppar från maten direkt omhändertagen av transportproteiner. Genetiska fel i dessa proteiner har kopplats till sjukdomar.
I levande organismer behövs en mängd proteiner för att utföra kemiskt och mekaniskt arbete. För att utföra sin funktion måste varje proteinkedja veckas till en specifik struktur, i princip ett hoprullat garnnystan. Många proteiner behöver binda små ligander (t.ex. metaller) för att utföra kemiska reaktioner. Men hur levereras dessa ligander till proteinkedjor i cellerna? I detta projekt ska vi studera de dedikerade proteiner som transporterar koppar i mänskliga celler (t.ex. Atox1, Wilson disease protein, ceruloplasmin) med en mängd spektorskopiska metoder.
Detta grundvetenskapliga projekt ämnar undersöka koppartransportvägar i människa på en molekylär nivå. För att fungera behöver levande organismer flera metalljoner; dessa kan inte tillverkas i cellerna utan måste tas upp via födan. En av de allra viktigaste metaller, som behövs i djur och människa, är koppar. Koppar finns bl.a. i skaldjur, nötter, lever, russin och choklad. Koppar utnyttjas som “kofaktor’ i aktiva säten i många viktiga enzymer (proteiner som kan katalysera reaktioner) i kroppen. Oftast sitter kopparjonen fast i proteinet via kemiska bindingar och ger därmed enzymet en unik reaktiv egenskap. Kopparjoner är “redox”-aktiva, vilket betyder att de kan ge och ta en elektrisk laddning (elektron). Många enzymbaserade reaktioner i kroppen utnyttjar elektronöverföring som drivmedel. Kopparbindande enzymer har uppgifter som t.ex. att hjälpa till med järnupptag, se till att energiinnehållet i kolhydrater, proteiner och fett omvandlas till användbar energi. Kopparbindande enzymer är också ansvariga för omvandlig av melanin, pigmentering av huden, och för reparation av vävnader i hjärta och blodkärl. Om kopparmängden i cellerna blir fel kan detta leda till problem med blodcirkulation, försvagat immunsystem och risk för hjärtsjukdomar. Höga mängder koppar har även hittats i cancertumörer och i plack hos patienter med Alzheimers sjukdom.
Eftersom koppar är redoxaktiv, är ensamma kopparjoner farliga. Elektronöverföring stimulerat av koppar kan leda till fria radikaler, som kan skada det gentiska materialet, vävnader och organ. Naturen har löst denna paradox med en dedikerad klass av proteiner som tar hand om kopparn så fort den kommer in i kroppen. Membranproteiner på cellernas utsida fångar upp koppar från blodet och flyttar det till cellens insida, cytoplasman. Där tas den direkt upp av ett koppar-“chaperone”-protein (Atox1 i människa) som binder kopparjonen via svavelbryggor. Atox1 levererar sen kopparn till ett stort protein (Wilsons disease protein; WND) som har många olika funktionella delar och sitter inbäddat i cellens Golginätverk. WND transporterar kopparn vidare, med hjälp av energi från ATP- hydrolys, från cytoplasman till insidan av Golgi nätverket. Därinne passerar de flesta kopparbindande enzymer för att hämta sitt koppar. Även om proteinerna i denna biologiska bana är identifierade, finns inget kunnade om strukturer, mekanismer och drivkrafter som gör att koppar transporteras från Atox1 till WND och sedan vidare mot Golgi inom WND.
I det föreslagna projektet (som har tre delsteg/Aims) ska vi använda biofysikaliska metoder, spektroskopi (ljusabsorption hos molekyler), kalorimetri (reaktionsvärme) och datasimuleringar i kombination med individuella mänskliga proteiner (som vi tillverkat genom odling i bakterier) för att studera kinetik, termodynamik, och strukturförändringar, som är kopplade till koppartransportprocessen i människa. Vi vill i Steg 1 identifiera till vilken eller vilka av WNDs sex kopparbindande moduler Atox1 levererar koppar. Det är oklart varför det mänskliga WND-proteinet har sex likadana kopparmottagande moduler (som pärlor på ett halsband) när andra organismer har bara en eller två motsvarande moduler. Sedan vill vi undersöka hur själva kopparöverförningen går till (Steg 2). Vi spekulerar att under ett kort tidsintervall binda både Atox1- och WND-modulen till kopparn samtidigt. Med våra metoder kan vi bestämma vad som driver denna reaktion i en riktning mot WND/Golgi och hur detta temporära komplex ser ut strukturellt. Vår hypotes är att båda proteinerna måste veckla upp sig litet för att komplexet ska bildas. Slutligen, i Steg 3, vill vi testa hur kopparn transporteras mellan WNDs sex moduler och hur denna process är kopplad till ATP-hydrolys och proteinstrukturförändringar. Vi gissar att WNDs ATP-bindande modul styr detta via direkta interaktioner med de kopparbindande modulerna.
Detta grundforskningsprojekt ämnar karaktärisera en central process i människa (motsvarande process finns i alla organismer): hur kopparjoner transporteras mellan och inom proteiner i cellerna. Kan vi få en molekylär fysikalisk förståelse av dessa processer, kan denna information hjälpa oss att analysera hur mutationer i de inblandade proteinerna leder till sjukdomar (Wilsons disease, Menkes disease, aceruloplasminemia) och hur andra mänskliga tillstånd/sjukdomar är kopplade till förändringar i koppartransport och/eller kopparmängd.
