Hammarström Lab

Proteiner (äggviteämnen) är varje cells viktigaste beståndsdelar och livets arbetshästar. Dessa molekyler bygger, styr och reglerar alla livsprocesser. För att utföra dessa fantastiska arbetsuppgifter veckar proteinerna ihop sig till en för uppgiften funktionell form. Men proteinveckningen kan misslyckas och proteiner ändrar form och fastnar i felveckade former. Detta kan orsaka många fruktade sjukdomar. Hit hör några mycket välkända sjukdomar, till exempel Alzheimers och Parkinsons sjukdom.

Av de giftiga felveckade proteinerna finns en speciell klass proteiner, så kallade prioner, som är smittsamma och orsakar en grupp sjukdomar, TSEer (transmissible spogiform encephalopathy), dit hör bland annat Creutzfeldt-Jakobs sjukdom och galna kosjukan och Chronic wasting disease/avmagrinssjuka/skrantesjuka. Prioner är smittsamma på grund av att de felveckade sjuka prionerna kan katalysera omvandlingen av ett friskt prionprotein hos värdorganismen, till en sjuk form, men processen är inte helt utredd. Ofta avlagras prionproteiner som så kallade amyloidfibrer, vilket liknar tunna vävda trådar. Amyloidfibrer, men tillverkade av andra proteiner, finns också avlagrade i Alzheimers sjukdom och Skellefteåsjukan. Denna process är mycket lik för den grupp av olika sjukdomar som inom sjukvården med ett samlingsnamn kallas för amyloidos.

I vår grupp jobbar vi med proteinveckning och felveckning både på detaljerad molekylär reduktionistisk nivå, men även i transgena organismmodeller samt i patientprover. Detta arbetssätt har bidragit till framgångsrika resultat för förståelsen av sjukdomar.

Vår forskning syftar till att besvara bland annat följande frågor:

• Är den prionlika spridningen av många proteinveckningssjukdomar en allmän mekanism?
• Kan processen bromsas eller rent av stoppas?
• Varför ansamlas vissa proteiner i vissa organ medan andra proteiner återfinns i andra organ?
• Är det formen på amyloidfibern som avgör vilken celltyp som tar mest skada och i så fall hur?

Med biokemiska experiment härmar vi fibrilleringsprocessen i provröret på några timmar – att jämföras med många år i en människa - vilket öppnar fantastiska möjligheter att i detalj förstå vad som går fel. Vår forskning är inriktad på att förstå hur en rad olika sjukdomsproteiner veckas fel och hur dessa påskyndar omvandlingen av andra proteinmolekyler i sin närhet till den felveckade formen – alltså en molekylär smitta! Likheterna mellan prionproteinets bevisat smittsamma egenskaper, amyloid-beta i Alzheimers sjukdom och transtyretin i Skellefteåsjukan är fascinerande och samtidigt oroande.

Eftersom felveckade proteiner är så skadliga har cellen under evolutionen utvecklat ett naturligt skyddande system för att motverka ansamling av skadliga proteiner. En del av skyddsmekanismen utgörs av en grupp proteiner som kallas molekylära chaperoner. Chaperonernas roll är att hjälpa till vid proteinveckningen, att begränsa ansamlingen av felveckade proteiner, att förhindra ihopklumpning av proteiner och förenkla dessas nedbrytning. Nyligen har vi börjat förstå att flera proteiner som veckas fel i dessa sjukdomar har chaperonfunktioner och påverkar andra proteiner under veckningsprocessen. Den självkatalysiska omvandlingsmekanismen är i stället en anti-chaperon funktion. Under åldrandet verkar anti-chaperon aktiviteten övervinna chaperonaktiviteten.

Den starkaste riskfaktorn att drabbas av en felvecknings-sjukdom är hög ålder. Man har idag begränsad förståelse för åldrandets inverkan. Ett viktigt mål för vår forskning är att utveckla strategier för att förhindra felveckning. En metod är att använda småmolekylära läkemedel. Vi har visat på molekylär nivå att läkemedel kan vara lämpliga kandidater för att förhindra felveckning genom att låsa den friska formen av proteinet och därmed bromsa felveckning. Nyligen har forskargruppen också visat överraskande positiva resultat där vi påskyndat och sedan låst fibrillstrukturen vilket förhindrar fragmentering och därmed bromsat den autokatalysiska självreplikeringen av nya fibriller.

Vi har utvecklat nya molekylära metoder för att avlyssna felveckningsformer med hjälp av fluorescensspektroskopi vilket nu används inom klinisk forskningsdiagnostik av amyloidos. Bland annat har vår grundforskning kring muterat transtyretin i förlängningen bidragit till läkemedlet Tafamidis Meglumine och återanvändning av Diflunisal (Dolobid) för behandling av familjär amyloidotisk polyneuropati (”Skellefteåsjukan”). Detta är de första tablettmedicinerna i sitt slag som direkt sjukdomsmodifierande i en amyloidsjukdom. Dessa framgångar understryker vikten av molekylär grundforskning för att lösa vår tids stora utmaningar med en åldrande befolkning.

När Alois Alzheimer 1906, i samband med sin upptäckt av Alzheimers sjukdom, första gången beskrev det han såg i hjärnan hos den patient han studerade, var det amyloida plack och fibrillära strukturer i neuroner han rapporterade. De senaste hundra år har forskningen försökt hitta svaret på vad dessa onormala strukturerna har för samband med sjukdomen. Det första stora genombrottet kom på 1960-talet när det påvisades att amyloider bestod av tunna proteintrådar. Fram till 1970-talet var den förhärskande teorin att alla amyloider bestod av samma proteinsubstans. Under 1980-talet möjliggjorde utvecklandet av metoder för renframställning av proteiner att forskarvärlden fick ett ovärderligt verktyg för att undersöka amyloida proteiner i provröret och idag vet vi att åtminstone 35 olika proteiner bildar sjukdomsförknippad amyloid i människa. Ett av dessa protein är amyloid-beta (Abeta) som identifierades 1984 och byggde upp de plack som Alzheimer såg 80 år tidigare. Abeta har länge varit huvudmålet för kemisk diagnostik och läkemedelsprövningar i kampen mot Alzheimers sjukdom.

Bristen på framgångsrika resultat, liksom bakslag längs vägen har fått många läkemedelsbolag att stänga sina program för utveckling av läkemedel mot neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers. De akademiska forskarna fortsätter dock sin kamp för att hitta lösningar och det finns ljuspunkter. Vi står nu på randen av nästa stora genombrott i forskningen kring amyloida plack i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom. Eller ska vi kalla det Alzheimers sjukdomar? Under senare år har allt fler bevis lagts fram som tyder på att vi hittills jagat fel mål i sökandet efter bot. I takt med att nya metoder för analys av de molekylära mekanismerna bakom sjukdomen utvecklas visar sej nya, tidigare okända sjukliga strukturer av Abeta, ett protein som finns naturligt hos alla människor.
Amyloider och Abeta har visserligen varit kända i många decennier men först under senare år har man börjat förstå att de inte är stela och statiska strukturer utan att bildandet och omformandet av dem är en dynamisk process som innehåller en mängd steg och mellanformer. Den insikten ger oss möjlighet att omformulera sättet på vilket vi tänker kring och attackerar problemet. Vi behöver förstå mer om hur de olika formerna bildas och byter skepnad, hitta nya metoder för att studera dessa processer ner på atomär nivå och förstå förhållandet mellan vad vi ser i provröret, vad vi ser i hjärnan hos djurmodeller och patienter och hur sjukdomsförloppet ser ut hos de drabbade.

Vi jobbar för att brygga gapet mellan förståelsen för de detaljerade strukturer vi kan analysera i renframställda prover i provrör och det vi ser hända i hjärnan när man drabbas av Alzheimers. Vi har med hjälp av bananflugor påvisat att exakt samma proteinmolekyl antar olika amyloid struktur beroende på vilken typ av neuronal cell den befinner sej i och att dess giftighet då blir väldigt olika. I musmodeller har vi kunnat påvisa att amyloida strukturer ändrar sej över tid. Likaså har vi visat att musmodeller som bär på de genetiska variationer som förknippas med risk för Alzheimer hos människor, uppvisar amyloida plack med olika strukturer. Vi har också bidragit till att påvisa att patienter som lider av olika typer av Alzheimers sjukdom uppvisar vitt skilda typer av amyloidstruktur, ner på atomär nivå.

Till vår hjälp har vi modellsystem med stigande grad av komplexitet men samtidigt med sjunkade grad av möjlighet till studier på atom-nivå. Under det senaste decenniet har vi jobbat med att utveckla små molekylära sonder som kan rapportera om dessa förlopp både i provröret och i den mänskliga hjärnan. Vi kan med hög precision upptäcka skillnader i den mänskliga hjärnan som är betydlig minde än de som kan upptäckas med konventionell mikroskopi och vi kan med våra metoder direkt jämföra det vi ser i hjärnan hos en patient med Alzheimers med det vi ser i en mus, en bananfluga eller ett provrör med renframställt protein. Vi nyttjar vår kunskap kring atomära strukturer av amyloider som renframställs i provrör med hjälp av varierande yttre betingelser. Med hjälp av markörer specifika för olika amyloida strukturer kan vi jämföra med detta väldefinierade material med vad vi ser i musmodeller med människoliknande genetik men som ofta saknar sjukdomsbild. Bananflugorna vi jobbar med har å andra sidan ett sjukdomsförlopp som gör det möjligt för oss att studera hur olika amyloida strukturer påverkar sjukdomsförloppet och i provröret kan vi efterhärma de strukturer vi ser hos människa, mus o fluga för att se hur strukturen på amyloiden ser ut på atomär nivå och därmed möjliggöra design av nya läkemedelskandidater och diagnostiska molekyler som passar perfekt in i de strukturer som vi påvisat har störst effekt i den patient som drabbas av Alzheimers. Det är dessa strukturer som bör angripas för en individbaserad framtida behandling av Alzheimers sjukdomar.

För de flesta som drabbas innebär COVID-19 en luftvägsinfektion med symtom liknar en vanlig förkylning. Vissa utvecklar dock ett allvarligt sjukdomstillstånd som drabbar många delar av kroppen, inklusive hjärnan. Somliga drabbas också av kvarvarande eller fördröjda symptom, kallat postcovid eller lång COVID.

När vi följer utvecklingen kring akut och lång covid med en amyloidforskares ögon ser vi tydliga likheter mellan COVID-fenomenet och de molekylära förlopp som förekommer i amyloida sjukdomar. Amyloidos orsakas av en specifik och väldigt stabil strukturell proteinförändring som förknippas med en rad olika proteiner och sjukdomar, som är beskriven ovan. Vi har via provrörsexperiment stärkt vår hypotes att spikproteinet på SARS-CoV-2-virusets yta bildar amyloida strukturer när det klyvs av neutrofilt elastas, ett inflammatoriskt enzym som är viktigt för att försvara oss vid infektion. Neutrofilt elastas finns i riklig mängd i infekterade luftvägar hos COVID-patienter.

Det finns många rapporter om koagulationsrubbningar vid COVID-19. Patienter tycks inte svara som förväntat på propplösande behandling. Således rapporteras frekvent om vaskulära symptom men få studier presenterar molekylära mekanismer som förklarar och i nästa steg möjliggör för forskarvärlden att hitta bot för dessa gåtfulla och förödande tillstånd. I provrörsexperiment med renframställda proteiner har vi visat att de amyloida fibriller som bildas när spikproteinet klyvs av neutrofilt elastas kan försämra förmågan för kroppens reglerande system att bryta ner blodproppar i normal takt. Något som skulle kunna förklara den anrikning av mikroblodproppar som finns hos många som drabbas av lång COVID.

I vår fortsatta forskning vill vi undersöka sambandet mellan amyloidbildningen vi upptäckt och de koaguleringsproblem, den neurologiska påverkan och multiorganskador som beskrivs i allvarlig och lång covid/postcovid. Det är av särskilt intresse att förstå hur proteinsekvensen för spikproteinet i de många uppkomna SARS-CoV-2-varianterna påverkar proteinets amyloidogenicitet i förhållande till denna förmodade amyloidpatogenes.

schematisk bild av SARS-CoV-2-viruset som täcker Spike-proteiner som möjliggör infektion av värdcellerna. SARS-CoV-2-viruset täcks av Spike-proteiner (i rött) vilka möjliggör infektion av värdcellerna. Neutrofilt elastas (gult) är en viktig del av immunsystemets första försvarslinje. När Spike-proteinet klyvs av neutrofil elastas, bildar de resulterande proteinfragmenten amyloid som potentiellt har negativ effekt på blodkoagulation, neurodegeneration och systemiska sjukdomar.

I media
Amyloidogenesis of SARS-CoV-2 Spike Protein
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c03925

Nyhet på LiU-webben
https://liu.se/nyhet/mojlig-mekanism-bakom-gatfulla-symtom-vid-covid-19-upptackt

SVT
https://www.svt.se/nyheter/lokalt/ost/forskarnas-upptackt-ett-mojligt-svar-pa-covid-19

Medical news today (engelska, populärvetenskaplig journalistisk beskrivning)
https://www.medicalnewstoday.com/articles/misfolded-spike-protein-could-explain-complicated-covid-19-symptoms

Chemical and engineering news (engelsk, vetenskaplig journalistisk beskrivning)
https://cen.acs.org/biological-chemistry/Peptide-SARS-CoV-2-spike/100/web/2022/05

Prioner är en egen typ av smittoagens. Prioner är partiklar som består enbart av kroppseget protein (äggviteämne) i en felaktig veckningsform. De har därför ingen arvsmassa. Prioner smittar via interaktioner mellan prionen och det friska prionproteinet (PrP) som alla däggdjur bär på som en produkt sin PRNP gen. Detta startar en självmatande dominoprocess där nya prioner bildas i allt snabbare takt i ett smittat djur. Prioner kan frigöras från ett djur och smitta ett annat djur. Prionsjukdomar är också zoonotiska, dvs kan smitta mellan djurarter. Olika stammar av prioner uppstår som en konsekvens av olika veckningsformer av PrP molekylerna i prionpartiklarna och ger olika egenskaper. Eftersom fårfarmare har levt med scrapie under århundraden har avelsprogram för att få fram resistenta djurstammar hunnit tas fram. Det finns genetiska variationer i PRNP genen hos får och getter som gör djuren resistenta mot Scrapie, medan andra genetiska varianter medför stor känslighet för Scrapie.

Under våren 2016 upptäcktes prionsjukdomen Chronic wasting disease (CWD) i renar o älgar i Norge. Detta var första gången prionsjukdom i vilda djur konstaterats i Europa. Under 2018 påvisades sjukdomen i Finland och i mars 2019 rapporterades det första fallet i Sverige, en älg i Arjeplog. Fallen i Norge är också första gången någonsin som prionsjukdom beskrivits i vildren och den har hittills varit mycket sällsynt i älg. Inom Europa har vi varit smärtsamt medvetna om prionsjukdomarnas genomslagskraft sedan utbrottet av prionsjukdomen ”Galna-ko-sjukan” (Bovine spongiform encephalopathy-BSE) under 80-talet och Creutzfeldt-Jakobs sjukdom (CJD) hos unga människor som ätit av de smittbärande djuren. BSE och CJD hade katastrofala följder för de drabbade, för djurägarna och livsmedelsindustrin.

CWD har varit känt i Nordamerika i 50 år. Det första djuret som påvisade sjukdomen hittades i Colorado 1967. Då sjukdomen smittar effektivt mellan individer i en hjord och mellan hjordar där deras vägar korsas, har sjukdomen nu bretts ut över en yta större än Skandinavien och har spridits till 4 olika arter av hjortdjur. Den här typen av spridningsmönster ses också hos får och getter i fångenskap. Att får drabbas av en prionsjukdom som kallas Scrapie har varit känt sedan 1700-talet och fårskötsel har lärt oss att smittsamma prioner kan ligga kvar i jord och växtlighet i många år, och fortfarande smitta friska djur när dessa åter beträder betena efter att de legat i träda/karantän.

Vi undersöker om den helt nya stam av prioner som har påvisats i de norska fallen av älg- och ren-CWD påverkar smittspridning inom arten men också om den nya stammen har förmåga att spridas till andra arter, tex rovdjur så som är känt för galna-ko-sjukan, som spridits till tex katt och mink. Detta görs inledningsvis med snabba och kostnadseffektiva försök på renframställt prionprotein från olika arter via biosyntetisk replikering av prioner i provrör.