Proteiner en invecklad historia Per Hammarström IFM-Department of Chemistry Linköping University, Sweden perha@ifm.liu.se 6 augusti 2008
Proteiner?
kvalster spikhuvud hårstrå pollen Ebola virus E. Coli röd blodkropp Rhino virus Amyloid fibrill Prion protein 5 nanometers 10 Å
Proteiner är mycket komplicerade makromolekyler. vattenmolekyl α-helix β-flak
Från n gen till protein - en introduktion
Globulära proteiner Genomet kodar för en myriad olika proteinmolekyler Filament proteiner Membranproteiner
Det genetiska maskineriet (gen protein) är konserverat från bakterie till människa
Totala genomens storlek varierar mellan olika organismer Organism Bacteria Yeast Worm Fly Weed Human Number or chromosomes 1 12 6 4 5 23 Genome size in base pairs ~400,000 - ~10,000,000 14,000,000 100,000,000 300,000,000 125,000,000 3,000,000,000
Det humana genomet Genesweep 2003 Gav uppskattningar mellan 25000-150000 gener Proteinkodande gener uppskattas till 25000 men fortfarande ingen konsensus.
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"
Kemiska egenskaper hos DNA och RNA Skillnad mellan DNA och RNA
1. Transkription (DNA mrna messenger RNA) RNA polymeras + transkriptionsfaktorer (60 proteiner) Roger Kornberg Nobelpris 2006
Aminosyrornas olika kemiska egenskaper
t-rna (transfer RNA) t-rna är adaptermoleyler som översätter basparsekvens till specifik aminosyra
Den genetiska koden 64 triplettkoder, 20 aminosyror Marshall Nirenberg Heinrich Matthaei
Ribosomen
Basparsmatchningen sker mellan mrna bundet till ribosomen och med trna-aa
2. Translationsprocessen
Från gen till protein DNA RNA Protein Ett evolutionärt konserverat system Efter translationen måste proteinet veckas för att vara funktionellt..
Proteinveckning sker spontant från sekvensinformationen 2:a delen av genetiska koden <ms - min Uppveckade proteinkedjor Veckade proteiner
Protein Folding and the Thermodynamic Hypothesis, 1950-1962 Christian Boehmer Anfinsen, Jr. (1916-1995), "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
Proteinveckningen kan illustreras med ett trattformat energilandskap Entropi U e Energi U c I N
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
Proteinveckning i cellen Cytoplasma 1. ER 2. chaperoner Hsp60 (GroEL) 2. Hsp70 (DnaK, BiP) Nobelpris Rose, Hershko, Ciechanover 2004
Felveckning är livsfarligt
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
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
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 (1864 1915) George G. Glenner (1927-1995) Aβ protein (1-40/42) DAEFRHDSGYEVHHQKLVFFAEDVGSNKGAIIGLMVGGVVIA
Amyloidfibrer omvandling 100 nm Cross-β-sheet Varierande Morfologi School of Crystallography Birkbeck College London http://people.cryst.bbk.ac.uk/~ubcg16z/amyloid/amyloid.html
Ultrastruktur av senila plack i Alzheimers Rigida fibriller Diffus tjock matta av fibriller Rigid ytskikt Diffust center Philipsson et al., Neurobiol. Ag. 2008 Nilsson et al., ACS Chem.Biol 2007
Smittsam amyloid
Amyloidfibrillering av lysozym in vitro Nile red Rajesh Mishra Fluorescence 5e+005 4e+005 3e+005 2e+005 1e+005 0 1 % seed Lag 0 20 40 jämvikt tillväxt 60 80 100 120 140 Time (h) Seeding Katalyserar Amyloid fibrillering
D. Carleton Gajdusek Kuru discoveries concerning new mechanisms for the origin and dissemination of infectious diseases". Nobel prize 1976 Kuru plack Kurupatient Fore-stammen
Infektioner Parasiter: Malaria Bakterier: Tuberkulos, Pest, MRSA, magsår Virus: Smittkoppor, Influenza, SARS, Blödarfeber Ebola
Stanley B. Prusiner "for his discovery of Prions - a new biological principle of infection Nobel Prize 1997
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
Utvecklingen av galna kosjukan och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom i Storbritannien scjd and vcjd 80 60 40 20 (Bekräftade fall) 40000 30000 20000 10000 BSE cases BSE UK sporadic CJD nvcjd 0 0 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Year
Kannibalism har medfört spridning av smittan i ett kretslopp slakt kadavermjöl Hjärnvävnad med BSE/Scrapie Håligheter = Spongiform
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
Chronic Wasting Disease (CWD) friskt rådjur klinisk CWD
CWD i Nordamerika Chronic Wasting Disease Alliance's web site (http://www.cwd-info.org)
Hur smittar prioner? - PrP avlagras som amyloidfibrer - Värden måste bära PrP för att smittas PrP knockoutmus är resistent
PrP C 43% α-helix 3% β-sheet Prionproteinet (PrP) PrP Gene Chromosome: 20 Location: 20pter-p12 GeneID: 5621 1 Exon Funktion okänd 2 Glykosyleringar 1 membranankare - PrP finns i fisk, grodjur, reptiler, däggdjur - Binder kopparjoner (detox?) -Receptor? - Immunförsvaret? - Minne? Ostrukturerad domän
Veckningsformer av PrP Rättveckad-PrP C Felveckade-PrP SC Många olika konformationer
Prionsjukdom (mushjärna) Alzheimerssjukdom (mushjärna) 50x Prionplack i orange yttre hippocampus (oriens layer) Amyloid-beta plack i orange/gul inre hippocampus (dentate gyrus) 100x
New Level 3** Laboratory for Prion Research at LiU Omkl. rum
Prionamyloid in vitro 20000 24 h ThT fluorescence 15000 10000 5000 0 0 1% seed 2 4 6 8 10 12 Time (h) Karin Almstedt Sofie Nyström
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?
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