Konformationssygdomme

Ved konformationssygdomme bliver vigtige cellefunktioner forstyrret eller ødelagt på grund af misfoldede proteiner. En fælles forståelsesramme for konformationssygdommene findes i organismens proteinkvalitetskontrolsystemer, som i den normale og unge celle eliminerer misfoldede proteiner. Mange nedarvede genetiske fejl medfører misfoldning af proteiner, som, hvis proteinerne elimineres helt eller delvist, kan resultere i recessive sygdomme. Hvis proteinkvalitetskontrollen derimod »svigter« kan celletoksiske misfoldede proteiner ophobes i cellerne, og resultatet kan blive dominante sygdomme. Disse sygdomme forekommer alle tidligt i livet. Misfoldning opstår desuden hos proteiner, der har en indbygget tendens til at aggregere og hos oxidativt skadede proteiner, som ophobes ved ældning. Hvis kvalitetskontrolsystemerne ikke er tilstrækkelig effektive ophobes celletoksiske proteinkomplekser. Denne patogenese er en væsentlig faktor ved alderdomsbetingede neurodegenerative sygomme.

Konformationssygdomme er betegnelsen på en blandet gruppe af sygdomme, hvor patogenesen skyldes fejlfoldning af cellulære proteiner. Den normale aktive konformation af proteinerne kan ikke opnås, og på grund af det fejlfoldede protein udvikles forskellige typer sygdomsbilleder, som eksemplificeret i Tabel 1 . En vigtig type er genetiske sygdomme, hvor et fejlfoldet protein ikke kan opnå den funktionelle struktur eller foldes så dårligt, at det hurtigt nedbrydes (1-3). Typiske eksempler på sådanne loss of function -sygdomme er recessivt nedarvede sygdomme, såsom cystisk fibrose (4), α-1-antitrypsin-mangel (5), fenylketonuri (PKU) (6) og fedtsyreoxidationsdefekter (7).

En anden væsentlig type er konformationssygdomme, hvor et misfoldet protein ikke nedbrydes, men stabiliseres i en fejlfoldet konformation. Den største gruppe af disse gain of function -sygdomme er aggregationssygdommene, som kan udvikles enten som følge af genetiske mutationer, eller fordi det fejlfoldede protein besidder en indbygget evne til »spontan« konformationsændring (8, 9). Eksempler på disse konformationssygdomme er visse former af lunge/leversygdommen α-1-antitrypsin-mangel (5) og en lang række neurodegenerative sygdomme, såsom Huntingtons, Alzheimers og Parkinsons sygdomme samt prionsygdommen Creutzfeldt-Jakobs sygdom (8, 10, 11).

En anden gruppe af gain of function -konformationssygdomme er sygdomme, hvor et misfoldet protein, der er kodet fra et defekt gen på det ene kromosom, ødelægger en cellulær funktion, f.eks. funktionen af det korrekt foldede protein, som er kodet fra det normale gen på det andet kromosom. Det fejlfoldede protein udøver på denne måde en negativ dominant effekt. Eksempler på disse sygdomme er keratinsygdomme (12), kollagensygdomme (13) og familiære kardiomyopatier (14)*.

Konformationssygdommene har ikke nogen klinisk og patofysiologisk fællesnævner, men cellebiologisk eksisterer der en fælles forståelsesramme, nemlig cellens såkaldte proteinkvalitetskontrolsystemer, hvis vigtigste komponenter er molekylære chaperoner og intracellulære proteaser (1, 17-20) (Fig. 1 ).

Chaperonerne er involveret i transport og foldning af nysyntetiserede proteiner, i forsøg på genfoldning af udtjente og denaturerede proteiner og i overførsel af proteiner til proteaserne, når foldning/refoldning ikke kan lade sig gøre.

Kvalitetskontrol af nysyntetiserede proteiner

Proteinfoldningen er en energikrævende (adenosintrifosfat [ATP]-forbrugende) proces, hvor hvert proteinmolekyle - assisteret af chaperonerne - forsøger at opnå den korrekte funktionelle konformation. Lykkes det - måske efter flere runder af binding til og frigørelse fra chaperoner - forlader det korrekt foldede modne proteinmolekyle systemet og indtager sin plads og funktion i cellen. Proteiner, der ikke er i stand til at folde til en stabil struktur inden for en vis tidsramme, bliver som hovedregel overført til en protease og nedbrudt (21).

I celler hos patienter med genetiske defekter i enkelte proteiner fungerer proteinkvalitetskontrollen forskelligt alt afhængig af defektens art: 1) Proteinet kan foldes, men får en inaktiv konformation uden yderligere skadevirkning end en loss-of-function , som ses ved visse defekter i mange recessive genetiske sygdomme, 2) proteinet kan foldes og indgå som partner i naturlige komplekser og hæmme deres funktion, som det er tilfældet ved de negativt dominante sygdomme, 3) proteinet kan foldes, men vil deltage i dannelse af aggregater, som er celletoksiske, som det ses ved mange gain-of-function -sygdomme, eller 4) proteinets defekt - ofte en missense -mutation - bevirker, at foldningen besværliggøres, og resultatet af foldningsforsøget bliver enten en total eliminering af proteinet eller blot en nedsat mængde af det færdigfoldede protein med mere eller mindre optimal funktion. Balancen imellem total eliminering og nedsat mængde er afhængig af kvalitetskontrolsystemernes effektivitet, som således kan være af afgørende betydning for alvorligheden af mange recessive sygdomme (1, 2, 22).

Kvalitetskontrol af modne proteiner

Ud over at være involveret i foldningen af nysyntetiserede proteiner deltager chaperoner i konformationsreguleringen og reparationen af proteiner, når cellen har været udsat for stressende fysiologiske betingelser, såsom høj temperatur og oxidativ stress (se nedenfor). Under sådanne betingelser kan proteinerne tage skade, og hvis tilstrækkelige mængder chaperoner ikke er til stede eller bliver inducerede, ville mange proteiner udfældes som celleødelæggende aggregater. Chaperonerne forsøger at forhindre aggregering af skadede proteiner og assistere deres genfoldning. Hvis dette ikke kan lade sig gøre - evt. pga. oxidativ modificering - overføres de til intracellulære proteaser, som nedbryder og eliminerer dem (17-20).

Disse mekanismer er vigtige for forståelsen af opståen og progression af den type konformationssygdomme, som involverer proteiner med indbygget tendens til at ændre konformation og aggregere (se nedenfor) (8). Da produktionen af fejlfoldede og oxidativt modificerede proteiner øges med alderen (10, 23, 24) vil cellens kapacitet til oprydning (dam-age control ) svækkes. Uanset at ekspressionen af flere chaperoner formentlig øges med alderen hos mennesker, som det er tilfældet hos mus (25), er uopf yldte krav til cellens proteinkvalitetskontrolsystemer sandsynligvis medvirkende årsag til patogenesen hos patienter med typiske alderdomsygdomme som Alzheimers, Parkinsons og Huntingtons sygdomme.

Huntingtons sygdom er en af en stor gruppe af nedarvede genetiske sygdomme, hvor en ekspanderet polyglutaminpeptiddel af et protein er forbundet med udvikling af sygdom (26). Hos patienter med Huntingtons sygdom forårsager de ekspanderede polyglutaminenheder i proteinet huntingtin (eller dele deraf)-aggregatdannelse i hjerneceller og inducerer bl.a. celledød (apoptose) og overfølsomhed for oxidativ stress (27, 28). Visse observationer kunne tyde på, at effektiviteten af proteinkvalitetskontrolsystemet i cellerne spiller en rolle for udviklingen af sygdommen (29).

Alzheimers og Parkinsons sygdomme er noget anderledes. Ved begge sygdomme er langt de fleste tilfælde erhvervede og debuterer i en høj alder, men de kan også være familiære og skyldes nedarvede mutationer (10).

Hos nogle patienter med familiær Alzheimers sygdom findes mutationer i membranproteinet amyloid precursor peptide (APP), som spaltes til det patogene amyloid-β-peptid, der aggregerer (se nedenfor). Desuden er der fundet nedarvede mutationer i to andre proteiner, presenilin-1 og presenilin-2, der er involveret i omsætningen af APP (30).

Både APP og presenilin-1 interagerer med cellens dam-age control -systemer igennem stress-responset, der således har stor indflydelse på patogenesen (31, 32).

Patienter med familiær Parkinsons sygdom kan have mutationer i det gen, der koder for parkin (33), eller i det gen, der koder for α-synuclein, hvis nedbrydning er katalyseret af parkin (10). α-synuclein har en indbygget tendens til aggregatdannelse (se nedenfor), og hæmning af dets nedbrydning fremmer dannelsen af de Lewy-inklusioner, som er kendetegnende for Parkinsons sygdom. Patogenesen er altså også ved denne sygdom betydeligt influeret af en nedsættelse af proteinkvalitetskontrolsystemets damage control .

Konformationsændringer som medvirkende årsag
til konformationssygdomme

Der findes i vores celler et antal proteiner, som kan antage flere forskellige stabile konformationer, hvoraf nogle har en indbygget tendens til aggregatdannelse (8). De medicinsk vigtige er netop de proteiner, der er involveret i de her diskuterede aggregationssygdomme samt i prionsygdomme, såsom Creutzfeldt-Jakobs sygdom (9, 11). Dannelsen af aggregater kan foregå in vitro under betingelser, der delvist udfolder proteinet, og altså også in vivo under visse betingelser. Som det er tilfældet ved α-1-antitrypsin og α-synuclein kan mutationer i proteinet fremme aggregatdannelsen. Ligeledes kan temperaturstigning og oxidativ stress (se nedenfor) skade proteinet og promovere konformationsændringen. Endelig vil nedsættelse af proteinkvalitetskontrolsystemernes damage control , der er forårsaget af mutationer i chaperoner og/eller proteaser (34), eller blot overbelastning af systemerne som i ældede eller transformerede celler (24) kunne fremme dannelsen af aggregater.

Hvordan selve omdannelsen sættes i gang in vivo, og hvordan aggregatdannelsen progredierer, vides ikke præcist. I en frugtbar arbejdshypotese antages det at enkelte molekyler ændrer konformation og interagerer med hinanden, sådan at der dannes ustabile oligomere komplekser, som siden samler sig til større stabile aggregater (amyloiddannelsen) (9). En sådan konformations/oligomeriseringsmekanisme er i overensstemmelse med hypotesen om, at proteinkvalitetskontrollens damage control løbende fjerner proteinmolekyler, der har antaget den aggregationsfremmende struktur, samt med undersøgelser, der viser, at de oligomere komplekser er celletoksiske (35).

Det vides ikke med bestemthed, hvad årsagen til celletoksiciteten er, men en attraktiv hypotese er, at forstyrrelser i den oxidative metabolisme er en vigtig patogenetisk faktor (36, 37).

Oxidativ stress som medvirkende årsag
til konformationssygdomme

Celler udsættes for oxidativ stress, når kapaciteten i mitokondriernes respirationskæde, som producerer ATP, overskrides. Overskridelsen kan være forårsaget af cellulære stressorer eller nedarvede eller erhvervede defekter i komponenter af respirationskæden. I celler fra patienter med Huntingtons, Alzheimers og Parkinsons sygdomme er forskellige dele af respirationskædens funktion fundet defekt (10).

Da patogenesen i alle tilfælde er multifaktoriel, inklusive i de familiære tilfælde, kan der nok ikke gives et entydigt svar på, om nedsættelsen af mitokondriefunktionen, som ses i visse nerveceller ved alle sygdommene, er den primære årsag, eller om energimangelen er en sekundær følge af aggregatdannelsen (36-38). En ond cirkel kan formentlig opstå imellem energimangel og aggregatdannelse, der gradvist forværrer situationen. Betydningen af de forskellige mekanismer er uden tvivl forskellig hos individuelle patienter, men når den onde cirkel er etableret, vil forholdene i cellen efterhånden udvikle sig ens.

Med henvisning til det ovenfor nævnte forhold, at aggregatdannelse i celler kan udvikle oxidativ stress, som forårsager mitokondrie-DNA-skader, der yderligere nedsætter respirationskædeaktiviteten og ATP-produktionen, kan det hypotetiseres, at såvel overbelastning af proteinkvalitetskontrolsystemet på grund af dannelse af oxiderede proteiner som mangel på energi er medvirkende til en forværret aggregatdannelse.

Hypotesen vedrørende overbelastning af proteinkvalitetskontrolsystemet på grund af oxidativ stress, understøttes af mange af de refererede undersøgelser, hvorfor antioxidantbehandling og andre tiltag, der hæmmer proteinskader og fremmer en effektiv damage control , er foreslået (10).

Hypotesen om det cellulære energiniveaus betydning understøttes af flere studier, bl.a. af undersøgelser, hvor et glukosepræparat og citroncyklusintermediære metabolitter kan mildne symptomer hos patienter med Alzheimers sygdom (38), samt forsøg hvor coenzym Q og kreatin har vist sig at have en hæmmende effekt på udviklingen af neurodegenerative sygdomme hos forsøgsdyr (36, 39).

I hvor stor udstrækning energiniveauet i cellen har indflydelse på patogenesen ved de andre konformationssygdomme vides ikke på nuværende tidspunkt. Et interessant spørgsmål kunne være, om energiniveauet i celler hos patienter med recessive sygdomme har betydning for, om det fejlfoldede protein nedbrydes fuldstændigt, eller om det helt eller delvist aggregerer.

Konklusion

Vi har i denne artikel diskuteret tre patogenetiske niveauer ved udvikling af konformationssygdomme:

For det første det molekylære niveau, hvor proteinets aminosyresekvens som sådan har en indflydelse på, om der udvikles sygdom. Ved de »monogene« nedarvede sygdomme har aminosyresekvensen helt afgørende betydning, idet mutationer kan bevirke, at det givne protein ikke kan folde til den korrekte struktur og må elimineres af et proteinkvalitetskontrolsystem. Vi har dog fremhævet, at selv disse sygdomme ikke er entydigt monogene, idet visse mutationers effekter er afhængige af cellulære/fysiologiske faktorer, som påvirker foldningen og/eller nedbrydningen. Vi har også diskuteret de proteiner, der har en indbygget evne til at danne aggregater, som er patogene i de store neurodegenerative sygdomme. Denne patogenese er afgørende afhængig af cellulære/fysiologiske faktorer.

For det andet har vi diskuteret det cellebiologiske niveau, hvor proteinkvalitetskontrolsystemerne har en central betydning. Disse systemers effektivitet har for alle konforma-tionssygdommenes vedkommende afgørende b etydning for udvikling og sværhedsgrad af sygdommene.

Det tredje niveau, vi har diskuteret, er det biokemiske, hvor oxidativ stress og funktionen af ATP-produktionen i mitokondriernes respirationskæde kan have betydning for såvel udvikling som progression af især aggregationssygdommene. Hvor stor betydning en velfungerende respirationskæde har for de monogene sygdomme, som ikke i sig selv involverer respirationskæden, vides ikke. Det er dog sandsynligt, at patogenesen i det mindste ved nogle af disse sygdomme vil influeres af energiproduktionen i cellen og udvikle patologier, som kan henføres til ATP-produktionens fald med alderen.

Konformationssygdomme er et forholdsvis nyt begreb, og selv om der er blevet beskrevet flere forskellige former, er det sandsynligt, at vi kun har set toppen af isbjerget. Proteinkvalitetskontrollen er en af cellens mest betydningsfulde funktioner, og en forståelse af det biologiske systems kamp mod onde cirkler, der opstår i kraft af nedarvet susceptibilitet, erhvervede konformationsændringer, oxidativ stress og energimangel (Fig. 2 ), vil muliggøre forebyggelse og behandling af mange alvorlige lidelser.

Niels Gregersen , Molekylær Medicinsk Forskningsenhed, Århus Universitetshospital, Skejby Sygehus, 8200 Århus N.

Antaget den 22. januar 2003.

Århus Universitetshospital, Skejby Sygehus, Molekylær Medicinsk Forsk-ningsenhed og Institut for Klinisk Eksperimentel Forskning, og

Aarhus Universitet, Institut for Human Genetik.

En mere udførlig og dokumenteret artikel, inklusive en fuldstændig referenceliste kan rekvireres hos forfatterne.

*) På trods af at mange cancersygdomme involverer alle tre typer af sygdomsfremkaldende konformationssygdomme, har vi valgt ikke at omtale dem her, men blot henvise til en række reviewartikler (15, 16).

1. Bross P, Corydon TJ, Andresen BS et al. Protein misfolding and degradation in genetic disease. Hum Mutat 1999;14:186-98.
2. Gregersen N, Bross P, Andresen BS et al. The role of chaperone-assisted folding and quality control in inborn errors of metabolism: protein folding disorders. J Inherit Metab Dis 2001;24:189-212.
3. Waters PJ. Degradation of mutant proteins, underlying ``loss of function'' phenotypes, plays a major role in genetic disease. Curr Issues Mol Biol 2001;3:57-65.
4. Riordan JR. Cystic fibrosis as a disease of misprocessing of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator glycoprotein. Am J Hum Genet 1999;64:1499-504.
5. Carrell RW, Lomas DA. Alpha1-antitrypsin deficiency - a model for conformational diseases. N Engl J Med 2002;346:45-53.
6. Waters PJ, Parniak MA, Akerman BR et al. Characterization of phenylketonuria missense substitutions, distant from the phenylalanine hydroxylase active site, illustrates a paradigm for mechanism and potential modulation of phenotype. Mol Genet Metab 2000;69:101-10.
7. Gregersen N, Andresen BS, Corydon MJ et al. Mutation analysis in mitochondrial fatty acid oxidation defects: exemplified by acyl-CoA dehydrogenase deficiencies, with special focus on genotype-phenotype relation-ship. Hum Mutat 2001;18:169-89.
8. Dobson CM. The structural basis of protein folding and its links with human disease. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2001;356:133-45.
9. Soto C. Protein misfolding and disease; protein refolding and therapy. FEBS Lett 2001;498:204-7.
10. Mattson MP, Chan SL, Duan W. Modification of brain aging and neurodegenerative disorders by genes, diet, and behavior. Physiol Rev 2002;82: 637-72.
11. Prusiner SB, Scott MR, DeArmond SJ et al. Prion protein biology. Cell 1998;93:337-48.
12. Jensen PKA, Sørensen CB, Andresen BS et al. Keratinsygdomme. Ugeskr Læger 2000;162:1867-72.
13. Baum J, Brodsky B. Folding of peptide models of collagen and misfolding in disease. Curr Opin Struct Biol 1999;9:122-8.
14. Burch M, Blair E. The inheritance of hypertrophic cardiomyopathy. Pediatr Cardiol 1999;20:313-6.
15. Bullock AN, Fersht AR. Rescuing the function of mutant p53. Nature Rev Cancer 2001;1:68-76.
16. Zylicz M, King FW, Wawrzynow A. Hsp70 interactions with the p53 tumour suppressor protein. EMBO J 2001;20:4634-8.
17. Gottesman S, Wickner S, Maurizi MR. Protein quality control: triage by chaperones and proteases. Genes Dev 1997;11:815-23.
18. Wickner S, Maurizi MR, Gottesman S. Posttranslational quality control: folding, refolding, and degrading proteins. Science 1999;286:1888-93.
19. Ellgaard L, Helenius A. ER quality control: towards an understanding at the molecular level. Curr Opin Cell Biol 2001;13:431-7.
20. Hartl FU, Hayer-Hartl M. Molecular chaperones in the cytosol: from nas-cent chain to folded protein. Science 2002;295:1852-8.
21. Schild H, Rammensee HG. Perfect use of imperfection. Nature 2000;404: 709-10.
22. Kalin N, Claass A, Sommer M et al. DeltaF508 CFTR protein expression in tissues from patients with cystic fibrosis. J Clin Invest 1999;103:1379-89.
23. Macario AJ, Conway DM. Sick chaperones and ageing: a perspective. Ageing Res Rev 2002;1:295-311.
24. Squier TC. Oxidative stress and protein aggregation during biological ageing. Exp Gerontol 2001;36:1539-50.
25. Lee CK, Weindruch R, Prolla TA. Gene-expression profile of the ageing brain in mice. Nat Genet 2000;25:294-7.
26. Perutz MF. Glutamine repeats and neurodegenerative diseases: molecular aspects. Trends Biochem Sci 1999;24:58-63.
27. Li SH, Lam S, Cheng AL et al. Intranuclear huntingtin increases the expression of caspase-1 and induces apoptosis. Hum Mol Genet 2000;9: 2859-67.
28. Hodgson JG, Agopyan N, Gutekunst CA et al. A YAC mouse model for Huntington's disease with full-length mutant huntingtin, cytoplasmic toxicity, and selective striatal neurodegeneration. Neuron 1999;23:181-92.
29. Jana NR, Tanaka M, Wang G et al. Polyglutamine length-dependent interaction of Hsp40 and Hsp70 family chaperones with truncated N-terminal huntingtin: their role in suppression of aggregation and cellular toxicity. Hum Mol Genet 2000;9:2009-18.
30. Wolfe MS, Selkoe DJ. Biochemistry. Intramembrane proteases - mixing oil and water. Science 2002;296:2156-7.
31. Yang Y, Turner RS, Gaut JR. The chaperone BiP/GRP78 binds to amyloid precursor protein and decreases Abeta40 and Abeta42 secretion. J Biol Chem 1998;273:25552-5.
32. Katayama T, Imaizumi K, Sato N et al. Presenilin-1 mutations downregulate the signall