The complex world of proteins: Structure, function, and oligomerization of frataxin

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Bakgrund Järn (med den kemiska beteckningen Fe, från latinets ferrum) är känt för de flesta som en beståndsdel i till exempel stål. Det många inte vet är att järn är nödvändigt för liv, så som det ser ut på jorden idag. Men det finns en annan sida av myntet: järn kan nämligen också vara giftigt. Som de allra flesta känner till rostar järn i närvaro av syre och vatten. Andra molekyler, som också finns i cellen, till exempel väteperoxid (som man även bleker sitt hår med), kan tillsammans med järn bilda extremt reaktiva och farliga molekyler för biologiska system. I cellen finner vi järn i två huvudsakliga former: Fe2+ och Fe3+, där Fe2+ är den huvudsakliga formen för biologiskt användbart järn. I de fall där kroppen misslyckats med att reglera järnets reaktivitet i cellen, kan en rad olika sjukdomar bryta ut. Det vanliga är att nervsystemet påverkas, och då utvecklas sjukdomar som till exempel Friedriech’s ataxi (FRDA), en så kallad progressiv neurodegenerativ sjukdom. Den bryter ned människans nervsystem under en längre period. Forskning har identifierat ett protein, kallat frataxin, som FRDA-patienter har väldigt lite av jämfört med friska människor. Andra nervsjukdomar som Parkinson är också kopplade till felreglering av järn. Sedan upptäckten av frataxin har det visat sig att detta protein är centralt för järnhanteringen i cellens mitokondrier, den plats i cellen där syret vi andas in används. När det finns för lite frataxin i mitokondrien ansamlas järn i form av rost, samtidigt bryts mitokondriens DNA och proteiner ned av de farliga molekyler som bildas då järn reagerar med bland annat väteperoxid. I förlängningen slutar mitokondrierna att fungera, och cellerna dör. Forskning har visat att frataxin kan binda till sig järn, och förhindra att det reagerar med sin omgivning. I de fall då det finns väldigt mycket järn kan frataxin lagra stora mängder inuti en sfär av 24 frataxinmolekyler. En stor del av denna avhandling är fokuserad på hur det går till när frataxin bildar dessa sfärer. Flera andra processer behöver frataxin, och en av dem är hem-syntesen. Hem är en livsnödvändig molekyl, som återfinns i väldigt många proteiner, till exempel hemoglobin i våra röda blodkroppar. Ferrokelatas heter det protein som tillverkar hem, genom att förena järn med en stor ringformad molekyl kallad porfyrin. Mycket forskning pekar på att frataxin binder järn, och bär det till ferrokelatas. I dennaavhandling beskriver jag hur frataxin interagerar med ferrokelatas, för att leverara det nödvändiga järnet. Metoder För att studera frataxin och dess aktivitet har många olika metoder kombinerats. För att kunna få en bild av hur frataxin ser ut har vi använt synkrotroner, speciella högenergimaskiner som producerar intensivt ljus. Med hjälp av röntgenljus kan man få ungefärlig information om ett proteins form, men också, under speciella förhållanden, exakt information om hur ett proteins atomer förhåller sig till varandra. Resultat Jag har arbetat framförallt med frataxin från jästen S. cerevisiae (samma jästorganism som används i bakning av bröd). Genom att utsätta frataxin för olika stora mängder järn har vi kunnat följa en process där flera frataxinmolekyler går ihop och, likt lego, bygger upp olika stora komplex (där antalet frataxin per komplex är 3, 6, 12 eller 24). Med hjälp av en kombination av metoder har vi lyckats beskriva hur de olika frataxinkomplexen ser ut, och hur järn binder till och stabiliserar komplexen. När vi studerade hur frataxin interagerade med ferrokelatas, antydde resultaten av experimenten att det inte bara skedde en leverans av järn, utan att frataxin också förberedde järnet för insättning i hem. Olika stora frataxinkomplex visade sig också vara olika bra på att leverera järn till ferrokelatas, och komplex med upp till tre frataxinmolekyler var mest effektiva. Detta är viktigt att veta för framtida experiment. Vi måste kontrollera mängden järn relativt frataxin, och därigenom vilken form av frataxin som är aktiv. Andra processer som är beroende av frataxin kan vara beroende av andra typer av frataxinkomplex. Arbetet med frataxin från människa har precis tagit fart. Vi har lyckats visa att även det humana frataxinet kan bygga stora komplex när olika stora mängder järn tillsätts. Till skillnad från jästfrataxin är komplex av humant frataxin väldigt instabila. Det är förmodligen anledningen till att ingen kunnat observera dem tidigare. Det återstår arbete med att beskriva hur de olika komplexen av humanfrataxin ser ut, för att kunna jämföra med dem från jäst, men också för att kunna identifiera kemiska föreningar som kan stabilisera dem. Förhoppningsvis går det då att hjälpa en del av de människor som drabbats av sjukdomen FRDA.