Struktur på allergiens signalveje
Proteiner spiller hovedrollen i de mest udbredte allergiske reaktioner. En forståelse af, hvordan proteinerne udveksler signaler i cellerne, kan forbedre behandlingen af allergi, som rammer en femtedel af befolkningen.
Af Bente Vestergaard, Osman Mirza, Jette Sandholm Kastrup og Michael Gajhede.
Fra Lægemiddelforskning 2003
- Et birketræ er et smukt syn, men det er ingen spøg at være allergisk overfor birkepollen.
Allergi er en folkesygdom. I den vestlige verden lider op mod en femtedel af befolkningen af luftbåren allergi, f.eks. over for birkepollen, græspollen eller støvmider. Allergiske sygdomme er i stadig vækst, så behovet for behandling er stigende.
Nogle allergikere kan helbredes ved hjælp af immunoterapi, hvor allergikeren udsættes for kontrollerede mængder af allergifremkaldende stoffer gennem en længere periode. Behandlingen virker dog ikke for alle og kan have alvorlige bivirkninger.
Derfor er det nødvendigt at forbedre den eksisterende behandling og udvikle nye behandlingsformer, hvilket kræver en detaljeret forståelse af baggrunden for allergiske sygdomme. Netop her står vi over for en stor udfordring. Selvom vi har en omfattende viden om allergi, forstår vi stadig ikke det centrale spørgsmål: Hvorfor bliver nogle mennesker allergiske over for visse allergifremkaldende stoffer?
Proteiner i nøglerolle
En ting er dog sikkert, nemlig at proteiner spiller en nøglerolle i de allergiske reaktioner. Det er proteiner, som genkender det allergifremkaldende stof - allergenet - og det er også proteiner, som medvirker til, at der opstår en allergisk reaktion.
Den strukturelle viden kan danne basis for design og udvikling af nye eller forbedrede lægemidler. En sådan strukturbaseret lægemiddelforskning er udpeget som et fokusområde på Danmarks Farmaceutiske Universitet.
Vi har gennem de seneste år arbejdet på at skabe forbedrede udgaver af allergener til brug i immunoterapi i nært samarbejde med ALK-Abello A/S. På basis af kendskab til tredimensionelle strukturer af allergener har vi designet varianter af allergenerne til sikker immunoterapi med et minimum af bivirkninger.
Kroppens immunforsvar og allergi
Normalt beskytter kroppens immunforsvar os mod sygdomme og farlige stoffer. Men hos en allergisk person overreagerer immunforsvaret på stoffer, som normalt er ufarlige.
Man bliver typisk allergisk over for små proteiner, som kaldes allergener. Allergenerne stammer fra dyr som for eksempel støvmider og katte eller fra planters pollen fra birk og græs.
Allergi involverer forskellige signalveje i den enkelte celle i immunforsvaret. Allergener (blå ovaler) opfanges og fordøjes først i de celler, der kaldes antigenpræsenterende celler. APC-cellerne sørger for, at stumper af allergenet (rød firkant) bliver præsenteret for immunforsvarets T-celler, der er specialiseret i at genkende fremmede molekyler.
T-cellerne sender nu besked til en anden type af celler, B-celler, om tilstedeværelsen af fremmede stoffer. Hos en rask person fremstiller B-cellerne primært antistoffet IgG, hvilket i sidste ende medfører, at det fremmede stof opfanges.
Men når en allergiker udsættes for et allergen, danner B-cellerne for meget af en anden type antistoffer, IgE. IgE bindes på overfladen af mast-celler, og når mast-cellerne møder allergenet, krydsbinder allergenet IgE.
Det starter en signalskaskade (lilla ovaler) inde i mast-cellerne, der medfører frigivelse af en række stoffer, f.eks. histamin (brune ovaler). Den onde cirkel er nu sat i gang, og allergikeren bliver syg.
Mål for lægemidler
For at komme videre har vi nu kastet os ud i at undersøge de signalveje, der fører til en allergisk reaktion. Metoden er at bestemme strukturerne af de involverede proteiner og undersøge vekselvirkningerne i mellem dem.
I de seneste år har det vist sig, at bestemte proteiner, adaptormolekyler, spiller en central rolle i signalkaskaderne inde i cellen.
Det sker i samspil med enzymer; en særlig gruppe proteiner, som sætter fart i biokemiske reaktioner. Enzymerne står for den egentlige signalering, mens adaptormolekylernes rolle er at placere enzymerne korrekt i forhold til hinanden ved at samle dem i store aggregater. De involverede enzymer kaldes kinaser.
Der foreligger næsten ingen strukturel viden om adaptormolekyler og slet intet om de komplekser, der dannes mellem enzymerne og adaptorerne i signaleringsprocessen. Faktisk kender man i dag kun den tredimensionelle struktur af et eneste adaptormolekyle.
Hvis det lykkes at opklare strukturen af de involverede proteiner, enzymer og komplekser, vil det uden tvivl afsløre nye vigtige mål for lægemidler til behandling af allergi.
Den første opgave er at fremstille alle proteinerne i så store mængder, at man kan studere deres indbyrdes vekselvirkninger. Her kan man i dag skaffe de humane gener, som koder for proteinerne, ved at henvende sig til det humane genomprojekt. Derefter kan man så bruge bakterier til at producere proteinerne i store mængder.
Vi har allerede fremstillet et antal af de proteiner, som er involveret i allergirelateret signalering i en bestemt type af immunceller. Den næste opgave er så at bestemme de tredimensionelle strukturer af de enkelte proteiner og af de komplekser, der dannes.
- Figurerne viser den tredimensionelle struktur af det allergifremkaldende stof fra birkepollen, proteinet bet v1. Proteinkæden er vist som et bånd til venstre, mens alle proteinets atomer ses som kugler til højre. De områder af proteinet, som består af evolutionært bevarede aminosyrer, er farvet rødt, lilla og orange. Netop disse områder antages for at være potentielt vigtige for den allergiske reaktion.
Krystaller er nødvendige
Proteiners struktur kan opklares ved hjælp af røntgenkrystallografi, men metoden kræver, at man kan fremstille krystaller af de pågældende proteiner, hvilket ofte kan være en vanskelig opgave. Når en kraftig røntgenstråle sendes gennem proteinkrystallen, vil proteinets elektroner sprede strålen i et bestemt mønster. Spredningsmønstret er unikt for det pågældende protein.
Det er lykkedes os at fremstille krystaller af et af de interessante proteiner i de allergiske signalveje. Proteinet kaldes phospholipase C-γ2, og det er opbygget af 1265 aminosyrer.
Når vi får opklaret strukturen ved hjælp af røntgenkrystallografi, vil vi vide præcist, hvordan hver aminosyre er placeret rumligt i forhold til alle de andre. Ja, vi ved faktisk endnu mere - også hvordan mere end 100.000 atomer er rumligt placeret. Denne struktur vil være det første vigtige skridt mod strukturbaseret lægemiddeldesign mod allergiske sygdomme.
Strukturel biologi i rivende udvikling
Udgangspunktet for strukturel biologi er at bestemme den tredimensionelle struktur af biomolekyler. Derefter bruges kendskabet til strukturen til at opklare molekylets biologiske funktion på molekylært niveau.
Der anvendes mange eksperimentelle teknikker, som spænder fra kloning af gener over fremstilling af proteiner og andre makromolekyler i bakterier til strukturelle undersøgelser med røntgenstråling og NMR-spektroskopi.
Feltet er i rivende udvikling, og der arbejdes for eksempel med at opbygge forskningscentre, som kan undersøge alle komponenterne i komplicerede systemer som en bakterie.
På internationalt plan udvikles der også avancerede robotsystemer, som kan varetage de simplere arbejdsopgaver i de store forskningsprojekter.
