EN / DA
Krop og sind

Mekanisme opdaget som regulerer et vigtigt transportprotein

Natrium-proton-transportproteiner findes i alle livsformer på Jorden. Nu forstår forskere lidt bedre, hvordan de reguleres.

Na+/H+-udvekslingsprotein 1 (NHE1) regulerer surhedsgraden inde i vores celler ved at smide syre i form af protoner ud af dem.

Proteinet er samtidig én af livets allerførste proteiner og fandtes, allerede inden de første rigtige celler på Jorden så dagens lys.

Hidtil har der været mange ubesvarede spørgsmål omkring hvordan NHE1 fungerer, men nu har danske forskere kastet lys over det.

Opdagelsen kan på sigt få stor betydning for behandling af mennesker med sygdomme som kræft, muskelsygdomme, hjerte-kar-sygdomme og fedtleversygdommen nonalkoholisk steatohepatitis.

”NHE1 er ikke mindst vigtig for udvikling af sygdomme, hvor metabolismen er ændret, eksempelvis kræft eller metabolisk syndrom, og så findes den i stort set alle menneskeceller. Samtidig spiller NHE1 ind i hele det maskineri, som sikrer funktionen af proteinerne i vores celler, ved at sørge for at de har den rigtige surhedsbalance. Det betyder, at når NHE1 ikke fungerer, som det skal, fungerer hele kroppen heller ikke,” fortæller en forsker bag det nye studie, Stine Falsig Pedersen, der er professor på Biologisk Institut ved Københavns Universitet og leder universitetets NHE1-gruppe, én af verdens førende inden for forskning i netop dette vigtige protein.

Forskningsresultatet er for nylig offentliggjort i Nature Communications.

Proteinkompleks kontrollerer aktiviteten af mange proteiner

Foruden at regulere den indre surhedsbalance i celler, interagerer NHE1 med et andet protein, enzymet calcineurin, der også findes i stort set alle celler og regulerer aktiviteten af mange af kroppens proteiner.

Når proteiner er blevet lavet, skal de kunne reagere på en celles tilstand, så deres aktivitet svarer til behovet.

Denne er oftest reguleret ved at sætte små fosforgrupper på proteinerne eller ved at fjerne dem igen. Calcineurin fjerner dem.

Når calcineurin er bundet til NHE1, regulerer den aktiviteten af NHE1, så den holder den indre surhedsgrad på et stramt reguleret niveau.

”Vi har for første gang kortlagt strukturen af dele af de to proteiner sammen, så vi kan se, hvordan calcineurin kan fjerne netop én bestemt fosforgruppe fra NHE1, stort set uden at røre ved de andre,” forklarer Stine Falsig Pedersen.

Samarbejde mellem forskere med forskellige kompetencer

Forskerne har benyttet forskellige avancerede teknikker til at belyse funktionen og strukturen af NHE1 og calcineurin. Én teknik er røntgenkrystallografi, hvor de først har bragt proteinkomplekset på krystalstruktur og derefter frosset det ned for til sidst at skyde røntgenstråler igennem det. Forskerne bruger spredningen af røntgenstrålerne til at bestemme proteinets struktur.

Ydermere har forskerne brugt nuklear magnetisk resonans (NMR)-scanninger til at studere, hvordan proteinkomplekset fungerer, når NHE1 er bundet til calcineurin, og de har udtrykt en lang række NHE1-mutanter i celler og studeret aktiviteten af NHE1 med real-time fluorescens-teknikker.

”Det er et meget interdisciplinært forskningsarbejde, som har krævet kompetencerne fra tre forskergrupper med hver deres ekspertiseområde,” siger Stine Falsig Pedersen.

Forskningen er blevet til i et samarbejde mellem Stine Falsig Pedersens forskergruppe, der er eksperter i NHE1 og cellers syre-base-regulering, Birthe B. Kragelunds forskergruppe, der er eksperter i at bruge NMR til at studere hvordan proteiner fungerer, og en forskergruppe fra University of Arizona, som er eksperter i calcineurin og røntgenkrystallografi.

Første til at identificere specifik binding mellem NHE1 og calcineurin

Et interessant grundvidenskabeligt fund i det nye studie er, at calcineurin ikke er så uspecifikt, som det ellers ser ud til at være.

Forskere ved meget lidt om, hvordan calcineurin ”vælger” de proteiner, der skal defosforyleres, og baseret kun på præcis den del af proteinet, der ligger lige omkring det sted, som skal defosforyleres, burde calcineurin ukritisk defosforylere de fleste fosforgrupper i NHE1.

Men helt forbavsende viser det nye forskningsarbejde, at kun en meget specifik sted bliver defosforyleret: T779.

”Udover sammenhængen med calcineurin er vi også de første til at opdage, at T779 er vigtig i at aktivere NHE1, og det er afgørende for at forstå, hvordan NHE1 fungerer og påvirker reguleringen af celler og udviklingen af forskellige sygdomme. Vi vidste ikke, at genkendelsen var så specifik, for det er aldrig beskrevet før,” forklarer Stine Falsig Pedersen.

Mus uden NHE 1 kan ikke få fedtlever

Stine Falsig Pedersen fortæller, at forskere har for nylig set, at knock-out mus, der mangler NHE1, er beskyttet mod at udvikle fedtleversygdommen nonalkoholisk steatohepatitis.

Hun har for nylig selv fået en bevilling til netop at undersøge, hvilken rolle NHE1 spiller i at udvikle nonalkoholisk steatohepatitis og om regulering af NHE1 med medicin kan modvirke sygdommen.

”Calciumhomøostasen er dysreguleret i nonalkoholisk steatohepatitis. Calcineurin er også calciumreguleret og dysreguleret ved nonalkoholisk steatohepatitis, og noget tyder på, at hele samspillet mellem NHE1, calcineurin og calcium kan være én af mekanismerne bag nonalkoholisk steatohepatitis. Det er vi nu ved at undersøge nærmere,” fortæller Stine Falsig Pedersen.

NHE1 involveret i kræft, muskelsygdom og hjerte-kar-sygdomme

Opdagelser vedrørende NHE1 kan også komme til at betyde nye måde at undersøge eller behandle mennesker med kræft i fremtiden.

Stine Falsig Pedersens egen forskning har vist, at ved mange kræftformer fungerer NHE1 ikke, som den skal. Der er ofte for meget af den, og den er for aktiv, så cellerne bliver ”for gode” til at smide syre ud.

NHE1 kan derfor blive et muligt mål for kræftbehandlinger når funktionen af proteinet er dysreguleret.

Endelig bliver NHE1 også undersøgt som mål for behandlinger mod den invaliderende muskelsygdom Duchennes muskeldystrofi samt som mål til at behandle mennesker med hjerte-kar-sygdomme.

”I begge tilfælde sættes NHE1-dysreguleringen i forbindelse med calcium-dysregulering, så også her kunne forbindelsen mellem NHE1 og calcineurin vise sig at være vigtig,” forklarer Stine Falsig Pedersen.

Artiklen ”Molecular basis for the binding and selective dephosphorylation of Na+/H+ exchanger 1 by calcineurin” er udgivet i Nature Communications. Stine Falsig Pedersen modtog i 2018 støtte fra Novo Nordisk Fonden til projektet ”Investigating the role of NHE1-mediated Ca2+ dysregulation and mitochondrial damage in nonalcoholic steatohepatitis (NASH)”.

Stine Falsig Pedersen
Professor
Our overall objective is to increase the understanding of the regulation, physiology, and structure-function relationship of the ubiquitous plasma membrane Na+/H+ exchanger isoform 1 (NHE1), as well as of other pH regulatory ion transporters, in particular the Na+,HCO3- cotransporter NBCn1. NHE1 is a member of the SLC9A family of Na+/H+ exchanger proteins. NHE1 is a highly conserved protein with central roles in the control of cell volume, intracellular pH, and cytoskeletal organization. Consequently, many pivotal cellular functions, including migration, proliferation, and cell death are dependent on NHE1. Excessive NHE1 activity has been shown to play a major role in, on the one hand, cell damage and death after ischemia-reperfusion injuries (e.g. after a stroke or heart attack) and on the other hand, in several aspects of cancer development, including the accelerated growth and migratory/invasive properties of cancer cells. Both the regulation and function of NHE1 are highly complex. NHE1 is activated by intracellular acidification, by a wide array of hormones and growth factors, and by osmotic cell shrinkage and other physical stimuli. In addition to being an ion transporter, NHE1 also plays physiological roles which are at least in part independent of the ions transported, but rather reflecting its functions as a scaffold for F-actin binding and cellular signaling. The 3D structure of NHE1 is unknown, as are the locus and mechanism of ion translocation and interaction with commercially available inhibitors developed for clinical use. Given the widespread clinical importance of excessive NHE1 activity, and the paucity of data regarding the mechanisms by which carriers such as NHE1 mediate ion exchange, these issues are of substantial interest both in terms of basic research and in a clinical context. The tail region of NHE1 is known to be important for NHE1 regulation and function, however, the structure of this region is also essentially unelucidated.