Overraskende opdagelse i hjernen kan få betydning for udvikling af medicin

Et lille og næsten uanseeligt enzym i hjernen har fået forskere til at klø sig i hovedbunden, fordi enzymet ikke opfører sig, som forskerne havde forventet.

Enzymet, der hedder V-ATPase, er i hjernen på opgaven at laste små cellulære bolde med neurotransmittere, som efterfølgende kan blive frigivet til nabocellerne som én stor samlet besked af signalmolekyler.

Neurotransmitterne er ansvarlige for al signalering internt i hjernen og fra hjernen til resten af kroppen. Derfor er V-ATPasen et helt og aldeles centralt enzym hos alle pattedyr. Uden enzymet, ingen signalering og intet liv.

Man skulle umiddelbart tro, at når nu enzymet er så essentielt for liv, er det også aktivt og oppe på dupperne hele tiden, men sådan ser virkeligheden ikke ud. Det viser i hvert fald ny forskning.

V-ATPasen tænder og slukker efter forgodtbefindende og tillader sig endda at holde timelange pauser, hvor de små cellulære bolde altså ikke bliver lastet med neurotransmittere, og det kan potentielt påvirke neuronal kommunikation.

Opdagelsen er både overraskende og kommer med en helt ny indsigt i hjernen og aktiviteten af enkelte molekyler, hvilket kan bidrage til udvikling af nye lægemidler mod en lang række sygdomme.

”Når vi vil udvikle lægemidler, er det nødvendigt at vide, hvordan et potentielt lægemiddel påvirker kroppens molekyler. Det undersøger vi typisk på et gennemsnit af mange molekyler, men ikke på enkeltmolekyleniveau. Men når man som i tilfældet med V-ATPasen har ét enzym, som alene er ansvarlig for signaleringen mellem hjernens neuroner, kan det have enorm betydning, om man påvirker et enzym, der er tændt eller slukket,” forklarer en af forskerne bag studiet, professor Dimitrios Stamou fra Institut for Kemi ved Københavns Universitet.

Forskningen er offentliggjort i Nature.

Kun én pakkemedarbejder er på arbejde

V-ATPasen fungerer som en slags pakkemedarbejder, der laster små cellulære bolde med neurotransmittere.

Til det formål skal V-ATPasen bruge cellernes energiressource, ATP.

Når V-ATPasen laster celleboldene med neurotransmittere, opkoncentrerer enzymet signalmolekylerne op til 100 gange.

Cellekuglerne fungerer som små sæbebobler, der ved et givent signal fusionerer med cellemembranen og frigiver alle neurotransmitterne ud i omgivelserne som ét klart signal, der ikke er til at tage fejl af. Effekten manifesteres i alt fra bevægelse til lagring af minder i hukommelsen.

Det nye studie viser, at hver enkelt cellekugle kun har én V-ATPase til at fylde dem med neurotransmittere.

Dimitrios Stamou fortæller, at det er unikt, at så vigtigt et cellesystem er så afhængigt af blot ét enzym.

”Hvis V-ATPasen ikke virker, bliver der ikke lastet neurotransmittere i celleboldene, og så kan neuronerne ikke sende signaler til omgivelserne. I dette studie kan vi desuden vise, at V-ATPasen højst overraskende ikke er i gang hele tiden, men tager sig timelange pauser fra sit arbejde. Faktisk er enzymerne på trods af deres vigtighed kun aktive 40 pct. af tiden,” forklarer han.

40 pct. af V-ATPaserne holder fri

Dimitrios Stamou mener, at opdagelsen rejser en masse spørgsmål om hjernen, blandt andet hvad det har af betydning, at de lagermedarbejdere, der skal pakke neurotransmitterne, øjensynligt kun har et deltidsjob, og at ingen andre kan overtage deres rolle i at få signaleringen til at fungere.

Hjernen må øjensynligt have fundet en måde at omgå dette problem, men det er endnu uklart hvordan.

Ydermere viser undersøgelsen, at de små cellekugler hele tiden taber protoner, hvilket er en del af det cellulære brændstof. Det svarer til, at en bil spilder benzin på vejen hele tiden.

Den samlede opdagelse pryder da også forsiden af den udgave af Nature, hvori studiet er publiceret, med teksten ”Pump, rest, leak, repeat” – en reference til den uendelige cyklus, som V-ATPaserne er en del af.

”Det får os til at stille os selv en masse spørgsmål, som vi skal undersøge fremadrettet. Hvad betyder det, at 40 pct. af V-ATPaserne er på ferie? Hvad betyder det, at de cellulære kugler ikke er lastet med neurotransmittere? Har kroppen udviklet måder at omgås dette problem, og hvad er de måder? Eller, alternativt, kunne fraktionen af aktive enzymer i sig selv kode information om hvordan strømmen af neurotransmittere kan kontrolleres? Vi ved det ikke, men vores studie peger på, at det er noget, som skal undersøges nærmere,” siger Dimitrios Stamou.

Måtte udvikle helt ny undersøgelsesteknik

En del af den ekstraordinære opdagelse omhandler også den teknik, som forskerne har benyttet til at studere V-ATPasen med.

Førhen var det ikke muligt for forskere at måle på aktiviteten af ét enkelt transporterenzym. Den teknologi måtte Dimitrios Stamou først udvikle, og det kom der en videnskabelig artikel ud af i 2016.

Men en afgørende flaskehals med denne teknologi var, at det var nødvendigt at oprense de enzymer, som man ønskede at undersøge, for derefter at studere dem i et nyt kunstigt miljø. Dette var særligt et problem for enzymer fra pattedyr, som simpelthen stoppede med at fungere, når de blev taget ud af deres naturlige omgivelser.

Ved hjælp af den nyere metode kan forskerne i dag fuldstændig ændre enzymoprensingen, fordi de nu udtager hele cellekuglen fra mus og studerer den ved stuetemperaturer, hvor den er velfungerende i op til flere timer.

Det gør også, at forskerne kan lave eksperimenter på enzymerne i flere timer og blandt andet se, at de ofte holder lange pauser fra deres arbejde for derefter at starte op igen.

”Oprensede V-ATPase kunne kun måles i få minutter, men det har ikke været nok til at se, hvordan de hele tiden bliver tændt og slukket,” forklarer Dimitrios Stamou.

Kan have betydning for ”drug screening”

Betydningen af opdagelsen kan vise sig at række ud over ”blot” en ny indsigt i hjernen.

V-ATPasen er et interessant mål for medicin mod neurodegenerative sygdomme og kræft, men når lægemiddeludviklere skal teste deres lægemidler for en effekt mod V-ATPaserne, undersøger de effekten på et gennemsnit af enzymer – hvoraf 40 pct. altså ikke er på arbejde.

Dimitrios Stamou fortæller, at det kommer med en risiko for at overse effekter af medicin på gennemsnittet af enzymer, som medicin godt kan have på det enkelte aktive enzym.

”Man kan stille sig selv spørgsmålet, hvor mange screeninger for lægemidler der ligger under for bias, fordi vi i screeningerne overser effekter, der er gemt i gennemsnittet. Det gælder ikke bare for effekter i hjernen, men overalt i kroppen, hvor mange proteiner er isoleret i meget små antal. Vi er så småt begyndt at udvikle metoder, der gør det muligt for os at studere disse proteiner ét ad gangen, og hvordan vi skal tilgå dem i forhold til udvikling af lægemidler,” siger Dimitrios Stamou.