Single-particle cryo-EM studies of membrane protein biogenesis and structure


Project leader


Co-Investigators


Funding source

The Knut and Alice Wallenberg Foundation, The Erling-Persson Family Foundation and SciLifeLab


Project Details

Start date: 01/01/2015
End date: 31/12/2019
Funding: 66000000 SEK


Description

Ungefär 30% av alla proteiner i en typisk cell är integrerade i cellens lipidmembran. Dessa s.k. membranproteiner sköter en mängd viktiga funktioner i cellen: de ansvarar för transport av joner, molekyler och makromolekyler in i och ut ur cellen, de plockar upp signaler från cellens omgivning och vidarebefordrar dem in i cellen, de förmedlar den fysiska kontakten mellan närliggande celler och membranbundna enzymer sköter viktiga delar av cellens ämnesomsättning. Trots deras många viktiga funktioner är vår biokemiska kunskap om membranproteinerna i många stycken bristfällig, och ligger långt efter vår kunskap om vattenlösliga proteiner. Detta beror på att membranproteiner är avsevärt mycket svårare att rena fram och hantera biokemiskt än vattenlösliga proteiner. Membranproteiner är designade för att leva sitt liv inbäddade i fettrika cellmembran, och kan bara lösas ut ur dessa med hjälp av detergenter (dvs. tvättmedelslika ämnen). Detergenterna lägger sig som en ”frälsarkrans” runt proteinet och gör det vattenlösligt och därmed hanterbart för biokemisten. Men detergenterna skapa också nya problem, ffa. försvårar de strukturbiologiska studier av proteinet. Den idag helt dominerande tekniken för att bestämma proteiners tredimensionella struktur på atomär nivå är röntgenkristallografi. Som namnet antyder kräver denna teknik att proteinet bringas att bilda kristaller, som sedan avbildas med kraftig röntgenstrålning. Just kristallbildningen är väldigt känslig för närvaro av detergenter, och strukturbiologiska studier av membranproteiner misslyckas ofta just pga. att man inte lyckas få fram användbara kristaller. Parallellt med röntgenkristallografins framväxt har det skett en långsam men stadig utveckling av en alternativ teknik för strukturbestämning av proteiner och proteinkomplex baserad på elektronmikroskopi i stället för röntgenstrålning. Denna s.k. ”single particle cryo-EM” teknik (SP-CEM) kräver inte proteinkristaller, utan bygger i stället på att man avbildar hundratusentals enstaka proteinmolekyler i ett elektronmikroskop och sedan väger samman bilderna av de enskilda partiklarna till en tredimensionell strukturmodell. Tekniska genombrott inom SP-CEM under 2013–ffa. utvecklingen av nya s.k. “direct electron detectors” och förbättringar av programvaran för analys av de elektronmikroskopiska bilderna–har gjort att man nu med hjälp av SP-CEM kan uppnå en detaljupplösning i de tredimensionella proteinstrukturerna som på allvar konkurrerar med den man kan erhålla med hjälp av röntgenkristallografi. Detta är särskilt viktigt för membranproteiner och membranproteinkomplex, eftersom man med SP-CEM tekniken slipper det besvärliga kristallisationssteget. Sverige har en internationellt mycket stark ställning inom membranprotein-forskningen, inte minst tack vare den verksamhet som bedrivs vid Center for Biomembrane Research (CBR) på Institutionen för Biokemi och Biofysik, Stockholms universitet, men saknar för närvarande nödvändig kompetens inom högupplöst SP-CEM. Projektet är ett samarbete mellan fyra forskargrupper på CBR (varav två leds av Wallenberg Fellows och en av en Wallenberg Scholar), alla med inriktning på membranproteiners struktur och funktion, och en forskagrupp i München som är världsledande inom SP-CEM. Projektet syftar till att med hjälp av SP-CEM förstå mekanismen för membranproteiners integration i biologiska membran, strukturen av de membranproteinkomplex som sköter cellandningen, och funktionen hos cellulära transportproteiner. Vidare kommer alla svenska forskare ges möjlighet att utnyttja SP-CEM tekniken via medfinansiering av projektet från det nationella Science for Life Laboratory.
(Finansiering:Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse 31 000 000 SEKFamiljen Erling-Perssons Stiftelse 31 000 000 SEKSciLifeLab 4 000 000 SEK)


External Partners


Last updated on 2017-23-03 at 09:02