Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Danske forskere skaber banebrydende viden om cellers kalciumpumper

Når dyr og planter bliver udsat for påvirkninger som bakterieangreb, lugte og kulde, strømmer der kalciumioner ind i cellerne. Ved hjælp af kalcium får cellerne et signal om, hvad der foregår udenfor, men da høje koncentrationer af kalcium er giftigt for cellerne, skal det hurtigt pumpes ud igen. Nu viser forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet i grundforskningscentret PUMPkin, at en kalciumpumpe i cellens ydre membran afpasser pumpehastigheden meget præcist efter kalciumkoncentrationen. Forskningsresultaterne er netop offentliggjort i Nature.

21.10.2012 | Lisbeth Heilesen

Forskerholdet fra Aarhus Universitet, der sammen med forskere fra Københavns Universitet, har afsløret, at en kalciumpumpe i cellens ydre membran afpasser pumpehastigheden meget præcist efter kalciumkoncentrationen – fra venstre: Michael Knudsen, Henning Tidow og Poul Nissen (foto: Lisbeth Heilesen)

Struktur af det regulatoriske domæne fra kalciumpumpen i cellemembranen i gåsemad. De mørkegrønne og mørkeblå dele illustrerer calmodulin, mens de lilla cirkler illustrerer kalciumioner (figur: Henning Tidow).

Skematisk illustration af, hvordan binding af hhv. ét og to kalcium-aktiverede calmodulin-molekyler påvirker kalciumpumpen. Ved binding øges bevægeligheden af dele af kalciumpumpen, så pumpeaktiviteten øges (figur: Henning Tidow).

Forskernes udgangspunkt er kalciumpumpen i cellemembranen hos modelplanten gåsemad (Arabidopsis thaliana) (foto: Jørgen Nielsen)

Kalciumpumpen er placeret i den tynde membran, der omgiver cellerne hos mennesker, dyr og planter. Nu har førende forskere fra Aarhus Universitet og Københavns Universitet skabt ny viden om, hvordan kalciumpumpen regulerer mængden af kalcium i cellerne. Mængden af kalcium er nemlig afgørende for cellens sundhed og overlevelse:

-        "Det viser sig, at kalciumpumpen præcist kan måle cellens kalciumindhold, og at pumpen afpasser den hastighed, hvormed den arbejder, efter denne information. Det forhindrer, at koncentrationen af kalciumioner inde i cellen når op på en kritisk koncentration, som skader cellerne. Kalciumpumpen er derfor slukket, når koncentrationen af kalcium er lav, og den aktiveres trinvis, når kalciumkoncentration øges," siger postdoc Henning Tidow og postdoc Lisbeth Rosager Poulsen, der begge har deltaget i det fælles forskningsprojekt.

Forskernes udgangspunkt er kalciumpumpen i cellemembranen hos modelplanten gåsemad (Arabidopsis thaliana), men reguleringsmekanismen gælder også for den tilsvarende kalciumpumpe hos mennesker og dyr.

Kalciumpumper binder to calmodulinproteiner

Tidligere undersøgelser har vist, at kalciumpumper i både dyr og planter virker i samspil med et andet protein, som kaldes calmodulin. Når der er mange kalciumioner i en celle, bindes nogle af dem til calmodulin. Det gør calmodulin i stand til at aktivere kalciumpumpen.

-      ”Vi oprensede den del af kalciumpumpen, som vekselvirker med kalcium-aktiveret calmodulin, og det lykkedes os at krystallisere et proteinkompleks. Til vores store overraskelse fandt vi, at kalciumpumpen binder to calmodulinproteiner, og ikke kun et som videnskaben ellers har troet,” forklarer Henning Tidow.

Kalciumpumpen har tre trin

At to calmodulinproteiner er involveret i reguleringen af kalciumpumpens aktivitet betyder, at kalciumpumpen har tre trin. Den er slukket, når der ikke er bundet noget kalcium-aktiveret calmodulin. Den pumper med middelhastighed, når der er bundet ét calmodulinprotein og med fuld fart, når to calmodulinproteiner er bundet til pumpen.

-      "Kalciumpumper skal bruge meget energi for at transportere kalcium ud af cellen. Derfor er det vigtigt, at de kun aktiveres, når der er et reelt behov for at fjerne kalcium. Med to calmodulin-bindende domæner i kalciumpumpen kan cellen justere transporten, så den er energieffektiv, samtidig med at den hurtigt kan reducere antallet af kalciumioner, hvis koncentrationen nærmer sig et giftigt niveau,” siger Lisbeth Rosager Poulsen.

Matematik afdækker biologisk funktion

Forskerne inddrog matematisk netværksmodellering for at afdække, om kalciumpumpen virker forskelligt, alt efter om den aktiveres af nul, et eller to calmodulinproteiner. Det afslørede endnu en egenskab ved kalciumpumpens regulering af kalcium i cellen:

-      ”Vi kan vise, at cellen først reagerer på indtrængende kalcium, når koncentrationen når over en bestemt tærskelværdi. Det er overraskende og kan have stor betydning for, hvordan celler definerer deres status eksempelvis i forhold til døgnrytme eller under celledeling”, slutter Henning Tidow.

Resultaterne, som i fremtiden kan bidrage til udvikling af både ny medicin og nye metoder til produktion af fødevarer, er netop publiceret i det prestigefyldte, internationale tidsskrift Nature.

Unikt tværfagligt samarbejde

Forskningsprojektet er udført som et tværfagligt samarbejde mellem Aarhus Universitet og Københavns Universitet i grundforskningscentret PUMPkin (www.pumpkin.au.dk), og forskerne har kombineret forskningsdiscipliner som bioinformatik, proteinkrystallografi, biofysik, enzymkinetik, cellebiologi og ikke mindst matematisk netværksmodellering. PUMPkin centeret er et såkaldt Centre of Excellence og er finansieret af Danmarks Grundforskningsfond.


Fakta

Mangeårigt samarbejde

Forskerne fra Aarhus og Københavns Universitet er verdenskendte for deres forskning i både krystalstrukturer og biokemiske og biologiske karakteriseringer af ionpumper. Det er ikke første gang de sammen publicerer banebrydende forskningsresultater i Nature. I 2007 publicerede de to forskningsledere professor Poul Nissen og professor Michael Broberg Palmgren strukturen af en biologisk pumpe fra en plante som de første i verden. I et tæt samarbejde havde de bestemt strukturen af en protonpumpe fra gåsemad, og de kunne forklare, hvordan protonpumper kan danne den kraftige spænding over plasmamembranen, som er en forudsætning for planters optagelse af næringssalte fra jorden.

Grundforskning vigtigt fundament for anvendt forskning

Formålet med forskningen i regulering af biologiske pumpers aktivitet er at finde ud af, hvordan reguleringsmekanismerne fungerer, og hvilke faktorer der indgår i reguleringen. Denne kan bane vejet for nye gennembrud i anvendt forskning.

Kalciumpumper og natrium-kalium-pumpen er eksempelvis essentielle for regulering af hjertemuskulaturens aktivitet og er således mål for allerede kendte lægemidler og udvikling af nye til bedre behandling af hjerte-karsygdomme. Blokering af ionpumpeaktivitet er også relevant for udvikling af nye lægemidler mod kræft og infektionssygdomme.

Calmodulin er et kalciumbindende protein, en slags kalciumsensor, som har stor betydning for regulering af celleaktivitet i respons på kalcium, som tilføres cellen ved åbning af ionkanal-receptorer. Kalcium-calmodulin-komplekset aktiverer en række enzymer inde i cellen, såsom proteinkinaser, som yderligere regulerer talrige andre enzymer og faktorer. Calmodulin medierer således signalkaskader i cellen – ”it’s all about calcium”, som det ofte citeres.

Kalciumpumpen er et proteinmolekyle, der pumper kalcium og spalter det cellulære brændstof ATP.  Den kaldes også en Ca2+-ATPase. Kalciumpumper genopretter kalcium-balancen i celler fx under muskelarbejde, sanseindtryk og nerveaktivitet. Kalciumpumpen tilhører en større familie af ionpumper kaldet P-type ATPaser, som er helt essentielle for liv. Særlig berømt er natrium-kalium-pumpen, som blev opdaget af professor Jens Chr. Skou fra Aarhus Universitet, der fik Nobelprisen herfor i 1997.


Link til den videnskabelige artikel i Nature:

A bimodular mechanism of calcium control in eukaryotes
Henning Tidow1,2*§, Lisbeth R. Poulsen1,3§, Antonina Andreeva4, Michael Knudsen1,5,
Kim L. Hein1,2,#, Carsten Wiuf6, Michael G. Palmgren1,3 and Poul Nissen1,2*

1Centre for Membrane Pumps in Cells and Disease - PUMPKIN,
2Department of Molecular Biology and Genetics, Aarhus University, Gustav Wieds Vej 10c, 8000 Aarhus C, Denmark
3Department of Plant Biology and Biotechnology, University of Copenhagen, Thorvaldsensvej 40, 1871 Frederiksberg C, Denmark
4MRC Laboratory of Molecular Biology, Hills Road, Cambridge CB2 0QH, UK
5Bioinformatics Research Centre, Aarhus University, C.F. Møllers Allé 8,  8000 Aarhus C,
Denmark
6Department of Mathematical Sciences, University of Copenhagen, Universitetsparken 5, DK - 2100
Copenhagen, Denmark
*Corresponding authors: Henning Tidow, het@mb.au.dk and Poul Nissen, pn@mb.au.dk
#present address: Centre for Molecular Medicine Norway, Nordic EMBL Partnership, University of
Oslo, P.O. Box 1125, Blindern, N-0318 Oslo, Norway
§ H.T. and L.R.P. contributed equally


Kontakt:

Postdoc Henning Tidow, 89425262 het@mb.au.dk
Professor Poul Nissen (PUMPkin centerleder), 28992295, pn@mb.au.dk
Institut for Molekylærbiologi og Genetik, PUMPkin
Aarhus Universitet

Postdoc Lisbeth Rosager Poulsen, 35332595 lrpo@life.ku.dk
Professor Michael Broberg Palmgren, 35332592, palmgren@life.ku.dk
Institut for Plante- og Miljøvidenskab, PUMPkin
Københavns Universitet

Tekt: Inga Christensen Bach, Michael G. Palmgren (begge Københavns Universitet), Poul Nissen og Lisbeth Heilesen (begge Aarhus Universitet).

Oversættelse til engelsk: Lisbeth Heilesen

21. oktober 2012

 

 

Offentligheden / Pressen, Institut for Molekylærbiologi og Genetik