Diana Toivolas forskargrupp har i samarbete med Cecilia Sahlgrens team undersökt en annan sida av signalräckan Notch. I det här fallet berör forskningen tarmceller, och det protein som binder till mottagaren av signalen. Också här handlar det om upptäckter som är viktiga för människans hälsa.
Text & foto: Nicklas Hägen
I KOMMUNIKATIONEN mellan två celler behövs både avsändare och mottagare. Avgörande för hur de fungerar är i båda fallen proteiner inne i cellens cytoskelett som binder till de yttre, signalerande delarna.
Där vimentin binder till Notch-signalens ligander och bestämmer styrkan på den signal som skickas ut i blodkärl, binder proteinet keratin till räckans receptorer, det vill säga mottagaren av signalen, i tarmceller.
Visserligen rör vi oss i helt olika miljöer inne i kroppen, men i båda fallen är det en viktig upptäckt att cytoskelettet – som man trott haft främst en bärande, strukturell funktion – påverkar signaleringen mellan cellerna. Detta är i sin tur av avgörande betydelse för vad som händer med cellen.
– Notch-signalens ligander och receptorer finns i cellens membran med delar av molekylerna både innanför och utanför själva cellen. För att Notch-signalen ska få effekt är det viktigt att receptorn klyvs vid membranet och att den lilla biten inne i cellen åker in i kärnan. Här gör den så att olika gener skrivs av, vilket sedan styr vilken sorts cell som cellen utvecklas till i framtiden, säger Diana Toivola, akademilektor i cellbiologi vid Åbo Akademi.
– Notch kan inte aktiveras om inte liganden binder till receptorn. De måste skaka hand och binda till varandra på utsidan av en cell för att Notch-receptorn ska kunna klyvas och gå vidare.
Slem eller näringsupptag
Tarmens insida är uppbyggd av epitelceller, ett sammanhängande skikt som består av ett enda lager med celler. Inne i tarmen finfördelas födan till beståndsdelar som kan användas av vävnader och celler i kroppen, och lagret med epitelceller skyddar resten av kroppen från det som finns inne i tarmkanalen.
Epitelcellerna förnyas med fyra till fem dagars mellanrum. De skapas ifrån stamceller som under sin vandring upp till ytan utvecklas till några olika typer av epitelceller.
– En viktig celltyp producerar slem, mucus, som hjälper maten slinka igenom och skyddar tarmen från det vi äter. En annan viktig celltyp är de celler som tar upp vatten och näring. Om vatten inte tas upp i tarmen får man diarré, säger Toivola.
– Det finns några viktiga funktioner som bestämmer vad stamcellerna ska utvecklas till under sin vandring upp till ytan, och Notch är en av dessa. Om Notch är aktivt utvecklas cellen till en sådan som upptar vatten och näring. Det vi har visat är att om vi inte har keratiner i tarmen leder det till att aktiviteten i Notch är mycket lägre. Det leder sen till att vi har färre celler som tar upp vatten och flera som producerar mucus.
Brist på keratiner i tarmcellerna leder därför till diarré och kroniska inflammationsjukdomar, till exempel ulcerös kolit. I en olycklig kombination mutationer leder det också till cancer. Åtminstone hos möss.
– Människor får nästan aldrig tumörer i tunntarmen, men nog i tjocktarmen. Men möss med människans cancermutationer får cancer i tunntarmen, det finns en skillnad mellan möss och människor. Ändå ser hela forskarvärlden på mössens tumörer och säger att det är så här det går till i människans tjocktarm, vilket inte nödvändigtvis går att överföra direkt, säger Toivola.
– Utifrån keratinerna har vi lyckats skapa en modell som gör att möss endast får tumörer i tjocktarmen. Vi är ivriga på att kunna vidareutveckla denna modell och använda den för att screena nya läkemedel för tjocktarmscancer och tjocktarmsinflammation.
Forskarna ska nu också fortsätta undersöka hur kontakten mellan keratiner och Notch ser ut, för att man förhoppningsvis på rätt sätt ska kunna påverka bindningen i sjukdomar där signalräckan är förändrad. Men man måste också först lära känna Notch- och keratinnivåerna i tjocktarmssjukdomar bättre.
– Nästa steg är att be läkare samla prov av personer med tjocktarmsinflammation och tjocktarmscancer och titta på Notch-nivåerna i dem. I allmänhet är nivåerna höga i tjocktarmscancer, vilket är lite motsägelsefullt, men vi skulle vilja jämföra många olika prov och se på keratinnivåerna, säger Toivola.
– Vi pratar om tjocktarmscancer som en enda sjukdom, men vi vet att det finns många olika undersjukdomar. Och det kanske finns ännu flera undersjukdomar som beror just på de här processerna.
- Toivola och Sahgren publicerade en gemensam artikel i april 2017 i Nature-gruppens tidskrift Cell Death and Differentiation. Läs artikeln här.
Framstegen i forskningen om signalräckan Notch är ett typexempel på hur forskningsframsteg inte kan planeras eller beställas. De kommer genom långsiktigt arbete och forskningstradition, samt öppet nationellt och internationellt samarbete.
Den vid Åbo Akademi utförda forskningen i cytoskelett bygger vidare på professor John Erikssons forskning vid Åbo Akademi och Åbo bioteknikcentrum. Den är kopplad till forskningsprofilen Läkemedelsutveckling och diagnostik – en av fyra huvudsakliga forskningsprofiler vid Åbo Akademi, inom vilken också forskardoktor Fang Cheng har en viktig roll.
Diana Toivola har forskat i keratiner sedan början av 1990-talet och disputerade inom temat 1997, varefter hon samlade på sig erfarenhet om tarmforskning vid Stanford universitet. Cecilia Sahlgren disputerade om relaterade cytoskelettproteiner 2002 och har forskat om Notch sedan 2005 då hon var postdoc-forskare på Karolinska Institutet. Daniel Antfolk och Iris Lähdeniemi, båda doktorander i Åbo Akademis forskarskola MolBio, har haft betydande roller i forskningsarbetena kring Notch och cytoskelettet, medan FD Julia Misiorek har varit betydande för forskningen kring keratiner och tjocktarmscancer.
Forskning är vanligtvis ingen rätlinjig framgångssaga. Också i de här fallen har man ibland tagit omvägar. Till exempel tog Sahlgrens forskning ett stort kliv framåt när portugisiske forskaren Rui Benedito visade att de två liganderna hade motsatta effekter i blodkärlstillväxt.
– Det har varit en kombination av tankearbete, experiment och studier gjorda runtom i världen, som vi har kunnat knyta ihop allting kring. Så är det alltid, det är inte så att man sitter hemma ensam i sin kammare och tänker ut allt för sig själv, säger Cecilia Sahlgren.
Att övertyga forskarvärlden om att upptäckten var viktig var inte enkelt. Eftersom det handlar om styrkan på en signal var effekterna i försöksdjur inte så dramatiska.
– Inom vetenskapen vill man helst se tydliga embryonala utvecklingsdefekter, eller att mössen dör under embryonalstadiet. Då talar man om något som är essentiellt för deras överlevnad. Men det här är inte något som är absolut nödvändigt för överlevnaden. Däremot är det en viktig mekanism för att styra signalens styrka, vilket i sin tur är viktigt för till exempel vävnadsbildning eller i samband med cancer. Att övertyga fältet om det var en uphill battle, säger Sahlgren.
Sahlgren och Toivola forskar också – tillsammans med Jessica Rosenholm, professor i farmaci vid Åbo Akademi – i nanopartiklar som bär läkemedelsmolekyler, och transporterar dessa till rätt plats i kroppen. Lovande resultat har redan erhållits i bröstcancerceller, men nu försöker man se om man kan hitta partiklar som går in endast i tarmcancerceller.
– Vi har visat att vi kan föra in läkemedel som inhiberar klyvningen av Notch till specifika celler. Nu behöver vi samla kunskapen och visa att vi får in läkemedlet endast i cancerceller och inte i friska celler, säger Diana Toivola.