Regulation of membrane protein function by lipid bilayer elasticity

Afhandlingen bygger på forskningsarbejde udført på Cornell University, Novo Nordisk A/S og Institut for Biologisk Psykiatri, Sct. Hans Hospital.

Membranproteiner reguleres af den omgivende cellemembrans lipidsammensætning. Trods en betydelig forskningsindsats har denne regulation indtil for nylig været dårligt forstået. I visse tilfælde er specifikke lipid-protein-interaktioner involveret. Oftest er dette ikke tilfældet, og de mekanismer, der ligger til grund for den nonspecifikke regulation af proteinfunktionen, er ukendte. Denne manglende forståelse har været et problem i studiet af sygdomme, hvor ændret cellullær lipidsammensætning synes at være af patologisk betydning (f.eks. hjerte-kar-sygdomme og Type 2-diabetes). En lignende situation gør sig gældende for farmakologiske stoffer, der adsorberes til cellemembraners lipidbilag og herved ændrer bilagets molekylære sammensætning. Dette ændrer ofte funktionen af en række strukturelt forskellige membranproteiner, uden at specifikke mekanismer synes at være involverede.

Men membranproteiner kan reguleres af ændringer i det omgivende lipidbilags kollektive fysiske egenskaber (f.eks. bilagets tykkelse). Det har været foreslået, at sådanne ændringer kunne være involverede de mange nonspecifikke effekter af ændringer i lipidbilags molekylære sammensætning. Eksperimentel verifikation af denne hypotese har dog ikke været mulig.

Afhandlingen beskriver en »hydrofob koblingsmekanisme«, hvorved membranproteiners funktion kan reguleres af det omgivende lipidbilags elasticitet og hermed nonspecifikt af dets molekylære sammensætning. Der etableres en teoretisk og teknologisk referenceramme til at undersøge denne mekanismes generelle betydning.

Et membranproteins konformationelle ændringer kan, som følge af den hydrofobe interaktion mellem protein og lipidbilag, medføre en lokal deformation af bilaget. Deformationens energetiske omkostning bidrager til konformationsændringens totale energetiske omkostning. Hvis en ændring i bilagets molekylære sammensætning ændrer bilagets elasticitet, kan dette danne basis for en hydrofob koblingsmekanisme, hvorved proteinfunktionen reguleres af bilagets molekylære sammensætning.

Afhandlingen består af fire dele: A) Demonstration af at proteinfunktion kan reguleres ved den hydrofobe koblingsmekanisme, idet gramicidinkanaler i plane lipidmembraner anvendes som modelsystem. B) Udvikling af en enkeltmolekylenanoteknologi til måling af den bilagselasticitet, der »opleves« af et membranprotein. C) Demonstration af at membranproteiner i levende celler kan reguleres af cellemembranens elasticitet. D) Demonstration af at kolesterolinducerede ændringer bilagselasticitet kan danne basis for en membranprotein-sorting -mekanisme.