Forskningsprojekt Reglering och desensibilisering hos ligandstyrda jonkanaler

Membranproteiner är ansvariga för nästan all transport och signalering mellan celler. Speciellt i nervsystemet hos ryggradsdjur leds nervsignaler som elektriska strömmar inuti nervceller, men för att nervimpulsen ska kunna koppla till nästa cell används kemiska signaler där små molekyler (neurotransmittorer) frigörs från en nervcell och binder till pentameriska ligandstyrda jonkanaler i den mottagande cellen. De ligandstyrda jonkanalerna är en fascinerande bred klass av membranproteiner; beroende på om de leder positiva eller negativa joner kommer de antingen att skapa eller dämpa en nervimpuls. De förekommer i enklare former i en rad organismer (inklusive bakterier) vilket har stora fördelar som modellsystem, men en speciell egenskap hos de mänskliga kanalerna är att de oftast består av flera olika subenheter som är utvalda från ett dussintal olika gener – det här skapar enorm diversitet i deras funktion vilket verkar vara centralt för vårt nervsystem.

De ligandstyrda kanalerna är även unika i att de kan styras – moduleras – av en mängd små molekyler som förstärker eller försvagar deras respons, vilket är grunden både för anestetika, läkemedel som barbiturat och benzodiazepiner och droger som alkohol och nikotin. I några få fall vet vi specifikt till vilka subenheter av kanalerna de här molekylerna binder, men de molekylära mekanismerna för den här selektiviteten, deras funktion, och inte minst hur kanalerna faktiskt öppnas och stänger är praktiskt taget helt okända. Vi vet t.ex. att nästan alla ligandstyrda kanaler hos ryggradsdjur kort efter att de aktiveras går över i ett icke-ledande men långlivat ’desensibiliserat’ tillstånd, varefter liganden lämnar sitt bindningsställe och kanalen till slut återgår till sitt vilotillstånd – men vi vet fortfarande inte hur själva processen sker eller varför.

Det här forskningsprojektet är fokuserat på att förstå hur ligandstyrda kanaler regleras, moduleras, och desensibiliserar. Vi kommer att arbeta både med bakteriella modellsystem där vi kan uttrycka membranproteiner i hög koncentration för att t.ex. kunna använda neutronspridning för att undersöka deras struktur i lösning vid rumstemperatur, och de mänskliga receptorerna för gamma-aminobutyrsyra (GABA(A)R) och nikotin-acetylkolin (nAChR) som består av flera olika subenheter. Vi hoppas kunna visa hur kalciumjoner (som är funktionellt mycket viktiga för nervsystemet, men vi vet inte säkert hur de agerar molekylärt) är ansvariga för att stabilisera en bakteriell kanal i stängt tillstånd och utveckla nya tekniker för att kunna använda ”small-angle neutron scattering” för att undersöka membranproteiner, vilket kommer att vara en viktig teknik för ESS-anläggningen som för närvarande byggs i Lund. Vi kommer även att använda kryo-elektronmikroskopi för att bestämma nya strukturer av kanalerna, och kombinera detta med datorsimuleringar för att förstå rörelser och stabilitet hos strukturerna.

För de mänskliga ligandstyrda jonkanalerna vill vi speciellt förstå varför flera vanliga läkemedel bara binder mellan specifika subenheter, men också varför de ibland binder till flera och skapa oönskade sidoeffekter, för att inte tala om att samma läkemedel ibland binder till flera ställen på samma jonkanal med motsatta effekter, och beroende på mutationer i kanalernas sekvens kan resultatet bli att en molekyl som tidigare öppnade en kanal istället stänger den, eller tvärt om.

Vi har även identifierat en ligandstyrd kanal som är vanligt förekommande i livmodern, och nyligen visat hur såkallade neurosteroider har motsatt effekt på den här varianten jämfört med mycket liknande kanaler som förekommer i nervsystemet. Det här är ett fantastiskt exempel på hur mycket små skillnader i sekvens kan åstadkomma närbesläktade kanaler som uppvisar vävnadsberoende respons, vilket vi kommer att studera både genom att mäta strömmar genom kanaler uttryckta i grodägg och försöka ta fram nya strukturer.