Proteiner en invecklad historia. Per Hammarström IFM-Department of Chemistry Linköping University, Sweden

Transkript

1 Proteiner en invecklad historia Per Hammarström IFM-Department of Chemistry Linköping University, Sweden 6 augusti 2008

2 Proteiner?

3 kvalster spikhuvud hårstrå pollen Ebola virus E. Coli röd blodkropp Rhino virus Amyloid fibrill Prion protein 5 nanometers 10 Å

4 Proteiner är mycket komplicerade makromolekyler. vattenmolekyl α-helix β-flak

5 Från n gen till protein - en introduktion

6 Globulära proteiner Genomet kodar för en myriad olika proteinmolekyler Filament proteiner Membranproteiner

7 Det genetiska maskineriet (gen protein) är konserverat från bakterie till människa

8 Totala genomens storlek varierar mellan olika organismer Organism Bacteria Yeast Worm Fly Weed Human Number or chromosomes Genome size in base pairs ~400,000 - ~10,000,000 14,000, ,000, ,000, ,000,000 3,000,000,000

9 Det humana genomet Genesweep 2003 Gav uppskattningar mellan gener Proteinkodande gener uppskattas till men fortfarande ingen konsensus.

10 Från n gen till protein - översikt Nirenberg, Khorana and Holley Nobelpris 1968 "for their interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis"

11 Kemiska egenskaper hos DNA och RNA Skillnad mellan DNA och RNA

12 1. Transkription (DNA mrna messenger RNA) RNA polymeras + transkriptionsfaktorer (60 proteiner) Roger Kornberg Nobelpris 2006

13 Aminosyrornas olika kemiska egenskaper

14 t-rna (transfer RNA) t-rna är adaptermoleyler som översätter basparsekvens till specifik aminosyra

15 Den genetiska koden 64 triplettkoder, 20 aminosyror Marshall Nirenberg Heinrich Matthaei

16 Ribosomen

17 Basparsmatchningen sker mellan mrna bundet till ribosomen och med trna-aa

18 2. Translationsprocessen

19

20 Från gen till protein DNA RNA Protein Ett evolutionärt konserverat system Efter translationen måste proteinet veckas för att vara funktionellt..

21 Proteinveckning sker spontant från sekvensinformationen 2:a delen av genetiska koden <ms - min Uppveckade proteinkedjor Veckade proteiner

22 Protein Folding and the Thermodynamic Hypothesis, Christian Boehmer Anfinsen, Jr. ( ), "The native conformation is determined by the totality of interatomic interactions and hence by the amino acid sequence, in a given environment." Nobelpris i kemi 1972

23 Proteinveckningen kan illustreras med ett trattformat energilandskap Entropi U e Energi U c I N

24 Proteinveckningen är kooperativ Veckningsgrad 1 0 N U Denatureringstryck (temp, [denaturant]) Veckningsgrad 1 N a Intermediärer rer kan populeras I b U c U e energibarriär 0 c Denatureringstryck (temp, [denaturant]) U N

25 Proteinveckning i cellen Cytoplasma 1. ER 2. chaperoner Hsp60 (GroEL) 2. Hsp70 (DnaK, BiP) Nobelpris Rose, Hershko, Ciechanover 2004

26 Felveckning är livsfarligt

27 Three classes of protein misfolding diseases Loss-of-function Disease Albinism Cancer Cystic Fibrosis Haemophilia disorders Marble brain syndrome Phenyl keton uria Precursor protein tyrosinase P53 tumor suppressor CFTR FV, FVII, FVIII, FIX, FX, FXI, FXIII carbonic anhydrase II phenylalanine hydroxylase Gain-of-toxicfunction Alzheimer s disease Primary systemic amyloidosis Familial amyloidotic polyneuropathy Type II diabetes ALS Parkinson s disease Aβ-Protein Ig Light Chain transthyretin islet Amyloid Poly Peptide superoxide dismutase α-synuclein Infectious Misfolding Creutzfeldt Jakob disease Mad cow disease Kuru prion protein prion protein prion protein amyloid

28 Amyloidavlagringar drabbar olika organ Centrala nervsystemet (PrP, A-beta, TTR) Hjärta (TTR) Lever (Lys), pankreas (IAPP) Njure (Lys, TTR) amyloida plack Perifera nervsystemet (TTR) vaskulär amyloid

29 Alzheimer s Disease 1901, a 51-year-old woman, Auguste D, admitted to the state asylum in Frankfurt. She was suffering from cognitive and language deficits, auditory hallucinations, delusions, paranoia and aggressive behaviour. Alois Alzheimer was the physician at the hospital. On post mortem, he had found plaques, tangles and arteriosclerotic changes in her brain. Alois Alzheimer ( ) George G. Glenner ( ) Aβ protein (1-40/42) DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIA

30 Amyloidfibrer omvandling 100 nm Cross-β-sheet Varierande Morfologi School of Crystallography Birkbeck College London

31 Ultrastruktur av senila plack i Alzheimers Rigida fibriller Diffus tjock matta av fibriller Rigid ytskikt Diffust center Philipsson et al., Neurobiol. Ag Nilsson et al., ACS Chem.Biol 2007

32 Smittsam amyloid

33 Amyloidfibrillering av lysozym in vitro Nile red Rajesh Mishra Fluorescence 5e+005 4e+005 3e+005 2e+005 1e % seed Lag jämvikt tillväxt Time (h) Seeding Katalyserar Amyloid fibrillering

34 D. Carleton Gajdusek Kuru discoveries concerning new mechanisms for the origin and dissemination of infectious diseases". Nobel prize 1976 Kuru plack Kurupatient Fore-stammen

35 Infektioner Parasiter: Malaria Bakterier: Tuberkulos, Pest, MRSA, magsår Virus: Smittkoppor, Influenza, SARS, Blödarfeber Ebola

36 Stanley B. Prusiner "for his discovery of Prions - a new biological principle of infection Nobel Prize 1997

37 Mink Encephalopathy Scrapie Bovine Spongiform Encephalopathy (BSE) Feline Encephalopathy Chronic Wasting Disease of Deer and Elk ANIMALS PRIONS HUMAN Creutzfeldt-Jakob Disease sporadic scjd inherited aquired iatrogenic CJD variant CJD fcjd Fatal Familial Insomnia Gerstmann-Str Sträussler-Scheinker Disease

38 Utvecklingen av galna kosjukan och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom i Storbritannien scjd and vcjd (Bekräftade fall) BSE cases BSE UK sporadic CJD nvcjd Year

39 Kannibalism har medfört spridning av smittan i ett kretslopp slakt kadavermjöl Hjärnvävnad med BSE/Scrapie Håligheter = Spongiform

40 Vid en handfull anläggningar i Syd- och Mellan-sverige krossas och mals kadaver av självdöda och sjuka kor och grisar med avfall från slakterierna. Ibland mals också hundar och katter ner och blandas med slam från reningsverk, blod och orent slaktavfall som tarminnehåll. Massan kokas och används sedan som ingrediens i nästan allt foder till landets kor, kalvar, grisar och kycklingar och även i hund- och kattmat Erik Fichtelius SR-Konsumentekot 1985

41 Chronic Wasting Disease (CWD) friskt rådjur klinisk CWD

42 CWD i Nordamerika Chronic Wasting Disease Alliance's web site (

43 Hur smittar prioner? - PrP avlagras som amyloidfibrer - Värden måste bära PrP för att smittas PrP knockoutmus är resistent

44 PrP C 43% α-helix 3% β-sheet Prionproteinet (PrP) PrP Gene Chromosome: 20 Location: 20pter-p12 GeneID: Exon Funktion okänd 2 Glykosyleringar 1 membranankare - PrP finns i fisk, grodjur, reptiler, däggdjur - Binder kopparjoner (detox?) -Receptor? - Immunförsvaret? - Minne? Ostrukturerad domän

45 Veckningsformer av PrP Rättveckad-PrP C Felveckade-PrP SC Många olika konformationer

46 Prionsjukdom (mushjärna) Alzheimerssjukdom (mushjärna) 50x Prionplack i orange yttre hippocampus (oriens layer) Amyloid-beta plack i orange/gul inre hippocampus (dentate gyrus) 100x

47 New Level 3** Laboratory for Prion Research at LiU Omkl. rum

48 Prionamyloid in vitro h ThT fluorescence % seed Time (h) Karin Almstedt Sofie Nyström

49 Sammanfattning Proteinveckningsproblemet är fortfarande olöst men oerhört välstuderat Felveckade proteiner orsakar 100-tals sjukdomar Molekylära chaperoner skyddar mot felveckning Stora likheter mellan amyloidsjukdomar och prionsjukdomar vad är skillnaden?

50 Acknowledgements My group Karin Sörgjerd Karin Almstedt Sofie Nyström Rajesh Mishra Ina Berg Daniel Sjölander Linköping University Peter Nilsson Stefan Thor Uno Carlsson Olle Inganäs Nalle Jonsson Peter Konradsson Katarina Kågedal Samuel Svensson (AZ) Gunilla Westermark Uppsala University Lars Nilsson Lars Lannfelt Univ Hosp. Zürich Adriano Aguzzi Financial support Swedish Foundation for Strategic Research Wenner-Gren Foundations Linköping University Swedish Research Coucil Knut and Alice Wallenberg Foundation Carl Tryggers Foundation NTNU Trondheim Mikael Lindgren

51