Nyt blik på velkendt ionpumpe besvarer centrale spørgsmål om dens arbejde

For nogle er  natrium-kalium-pumpen måske en gammel kending. Et særdeles velundersøgt protein, som den danske forsker Jens Christian Skou opdagede i 1950'erne – en opdagelse, der i 1997 indbragte ham Nobelprisen i kemi; men trods mange års forskning er den mekanistiske forståelse fortsat gådefuld, og med centrale spørgsmål, der vedrører dens vigtige rolle i cellen - og hvad er det nu, der er så vigtigt ved den her pumpe?

Mads Eskesen Christensen er postdoc på Institut for Molekylærbiologi og Genetik og har sammen med postdoc Michael Habeck stået i spidsen for projektet bag den videnskabelige artikel, der beskriver de nye opdagelser. Han forklarer:

“Natrium-kalium-pumpen er et vitalt protein, som er til stede i alle vores celler. Helt kort, er proteinet ansvarligt for at transportere natriumioner ud og kaliumioner ind over cellemembranen, hvorved der dannes livsvigtige koncentrationsgradienter. Noget af det, som folk bedst kender pumpen for, er, at den skaber grundlaget for de elektrokemiske potentialer i vores neuroner, som gør, at vores nervesystem fungerer, og at vores nerveceller kan sende signaler, men iongradienter aktiverer også et væld af andre transportprocesser i celler”

Proteinet er med andre ord afgørende for, at kroppen kan fungere. Eller som Mads Eskesen Christensen siger det meget kontant:

“Den skal virke.”

En velkendt pumpe set på en ny måde

Der er løbet meget vand i åen, siden Jens Christian Skou opdagede pumpen i 1950'erne, men forskernes interesse for det vigtige protein er langt fra forsvundet.

Når forskere tidligere har undersøgt natrium-kalium-pumpens struktur, har de altid “låst” proteinet i bestemte, stabile tilstande. På den måde har de blandt andet kunnet undersøge, hvordan pumpen ser ud, når den binder natrium eller kalium ved at “mætte” den med den ene eller anden ion.

Metoden har dog sine begrænsninger. Proteinet er dynamisk og bevæger sig gennem en række forskellige konformationer, når den arbejder, og ikke alle disse tilstande kan fastholdes på denne måde. Derfor har nogle af stadierne i pumpens transportcyklus hidtil været umulige at undersøge.

Ved hjælp af cryo-EM har forskerne nu kunnet undersøge pumpen under aktive betingelser og med omfattende databehandling kunnet sortere observationerne af pumpen ud i forskellige funktionelle tilstande og hermed også kunnet afdække hidtil ukarakteriserede stadier.

“Vi har ved brug af cryo-EM løst protein stukture af Na,K-pumpen under aktiv transport. Dette har i kombination med en biokemisk tilgang gjort det muligt at opnå et nyt indblik i flere af de forskellige konformationer som pumpen antager, mens den cyklisk transporterer ioner over membranen. Specielt et af de nu identificerede stadier har længe været yderst eftertragtet, da det repræsenterer den kritiske overgang af transportmekanismen, hvor pumpen skifter fra en indadvendt til en udadvendt tilstand og derfor kan sende Na+ ionerne ud af cellen efter at de er blevet bundet inde i cellen. Dette stadie rummer vigtig information om hvordan proteinet fungerer og vi kan relatere det til den koordinationskemi, der regulerer natrium-bindingsstederne og som skifter fra at stabilisere til destabilisere natrium-binding,” forklarer Mads Eskesen Christensen. 

Forskerne har samtidig sammenlignet den generelle variant af natrium-kalium-pumpen, som findes i celler i hele kroppen, med en variant, der især findes i nerveceller.

De ligner hinanden, men opfører sig forskelligt

Forskerne havde forventet at finde mindre, men tydelige strukturelle forskelle mellem de to varianter. Men da de undersøgte dem nærmere, viste de enkelte konformationer sig at ligne hinanden overraskende meget.

Forskellen lå i stedet i, hvilke stadier de to varianter foretrækker at befinde sig i.

“Ved at sammenligne den generelle og neurale variant, fandt vi, at deres strukturer af forskellige stadier var meget sammenlignelige, men at deres distribution over de forskellige stadier under udgangsbetingelser var meget forskellige. Vi har påvist at denne forskel i distributionen mellem stadier kan forklare hvordan natriumbinding sker under forskellige natriumkoncentrationer for de to varianter. Proteinet er altså ikke kun en kontakt der kan tændes eller slukkes, men aktiviteten påvirkes også af sandsynligheden for at pumpen befinder sig i specifikke aktive stadier. Vores nerveceller kan ved at indeholde flere varianter af proteinet altså finjusteres til specifikke behov, og det er nødvendigt for et velfungerende nervesystem,” forklare Mads Eskesen Christensen  

Den nye viden om pumpens forskellige tilstande har også givet forskerne mulighed for at blive klogere på, hvad der sker, når en sygdomsrelateret mutation ændrer den neurale variant af pumpen.

Her fandt forskerne, at mutationen påvirker pumpens evne til at binde et bestemt fedtstof i cellemembranen, som er med til at stimulere dens aktivitet.

“Når mutationen opstår, kan proteinet ikke længere binde en bestemt type fedtstof i cellemembranen, som stimulerer pumpens aktivitet. Det betyder, at natrium-kalium-pumpen bliver mindre aktiv, og det kan være en del af forklaringen på sygdommen,” forklarer Mads Eskesen Christensen.

Resultatet kan samtidig pege på en mekanisme, der rækker ud over den specifikke mutation, forskerne har undersøgt.

“Det interessante er, at den her mekanisme muligvis er mere generel. Vi ser mutationer i det samme område ikke kun i natrium-kalium-pumpen, men også i andre ionpumper. Derfor kan det være en mekanisme, der går igen i flere sygdomme.”

Grundforskning med et langsigtet perspektiv

“Det er jo grundforskning,” understreger Mads Eskesen Christensen.

Der er derfor langt fra de nye resultater til en konkret behandling. Men en bedre forståelse af, hvordan natrium-kalium-pumpen og de forskellige varianter fungerer, kan på længere sigt være vigtig, hvis man vil udvikle behandlinger, der rammer én bestemt variant uden samtidig at påvirke de andre.

Målet vil eksempelvis være at kunne ramme en sygdomsramt variant af pumpen mere præcist, samtidig med at de velfungerende natrium-kalium-pumper andre steder i kroppen får lov til at passe deres livsvigtige arbejde.