The Biophysics of Na+,K+-ATPase in neuronal health and disease
Tid: Fr 2020-12-18 kl 13.00
Plats: Via Zoom https://kth-se.zoom.us/j/63972074732, (English)
Ämnesområde: Biologisk fysik
Respondent: Evgeny E. Akkuratov , Biofysik, Science for Life Laboratory, SciLifeLab
Opponent: Professor Poul Nissen, Aarhus University, Danmark
Handledare: Professor Hjalmar Brismar, Fysik, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Biofysik; Anita Aperia, Karolinska Institutet; Stefan Wennmalm, Science for Life Laboratory, SciLifeLab, Biofysik
Abstract
Na+,K+-ATPas är ett av de viktigaste proteinerna i däggdjurscellen. Det skapar natrium- och kaliumgradienter som är grundläggande för den elektriska potentialen över cellmembranet och för natriumberoende sekundär aktiv transport. Det har dessutom en roll som receptor som genom att binda hjärtstimulerande steroider, varav den mest kända är ouabain, startar olika signalvägar i cellen som bl.a. reglerar genaktivering, prolifiering och apoptos. Det har visats att flera allvarliga neurologiska sjukdomar är kopplade till mutationer i Na+,K+-ATPas gener. Trots att Na+,K+-ATPas upptäcktes redan 1957, av Dansken Jens Skou, är vår kunskap om enzymets funktion ännu inte komplett. I studierna i denna avhandling har vi lärt oss mer om Na+,K+-ATPas funktion inom hälsa och sjukdomar. I studie I påvisade vi en ouabainberoende reglering av NMDA-receptorn – en grundläggande receptor i nervsystemet – via bindning till Na+,K+-ATPas. Detta visar att Na+,K+- ATPas fungerar som en regulator genom att direkt interagera med andra proteiner. I studie II undersökte vi en annan sida av Na+,K+-ATPas funktion – hur bindning av ouabain till Na+,K+-ATPas aktiverar flera signal-kaskader – genom att titta på cellens fosfoproteoms-status. Vi kunde på så sätt få en mer heltäckande bild av ouabain-styrda kaskader, och karakterisera dem. I studie III fokuserade vi på Na+,K+-ATPas roll i svårartad epileptisk encefalopati orsakad av en mutation i ATP1A1-genen. Vi utförde en molekylär och cellulär studie för att beskriva hur en mutation påverkar proteinets struktur och funktion, och fann att mutationen omvandlar jonpumpen till en ospecifik läckkanal. I studie IV genomförde vi en translationell studie för den vanligaste mutationen vid dystoni parkinsonism med snabb debut. Vi studerade hur mutationen påverkar vi nervsystemet på protein-, cell-, och organismnivå och fann att frånvaro av ultralångsam efterhyperpolarisering skulle kunna förklara patienters problem med gången. I pågående studie visade vi att Na+,K+-ATPas kan oligomerisera och att detta startas av bindning till ouabain. I denna studie utvecklade vi en fluorescensmärkning av Na+,K+-ATPas, och oligomeriseringen studerades med fluorescenstekniker med en-molekylkänslighet. Sammanfattningsvis har vi använt biofysikaliska och molekylära metoder för att studera olika aspekter av Na+,K+-ATPas funktion och nått insikter som kan vara till hjälp, inte bara för att beskriva grundläggande molekylära funktioner men även för att hitta botemedel mot sjukdommar kopplade till mutationer i Na+,K+-ATPas.