Mye av den medisinske forskning er rettet mot forståelsen av hjernens oppbygning og hvordan den fungerer normalt. Dette er igjen essentielt for forståelsen av hjernesykdommenes etiologi og for utvikling av passende behandling. Det har skjedd store fremskritt de siste ti-årene, men man vet fortsatt lite om f.eks. årsakene til kjente hjernesykdommer som senil demens, Parkinson's sykdom eller hvordan vi kan helbrede/redusere skadevirkningene etter hjerneslag. Vi har fokusert våre studier rundt signalformidling mellom nerveceller. En synapse er et spesialisert område hvor to nerveceller kommer i nær kontakt med hverandre. Her frisettes signalstoffet (transmittersubstansen) som er lagret i synaptiske vesikler som svar på en nerveimpuls. Disse molkylene diffunderer så over til membranen på neste celle og utøver sin effekt ved å reagere med spesifikke reseptorer. Ved de fleste synapsene i hjernen er en aminosyre transmitter - glutamat har eksitatorisk virkning, mens GABA og glycin har inhibitorisk virkning. Slik signalformidling krever kontinuerlig produksjonen av transmitter. Glutamin er det viktigste råstoffet. Glutamin igjen dannes bl.a. fra glutamat og GABA, i astrocytter ("støtteceller" i hjernen), og kanaliseres deretter tilbake til nerveterminalene. Dette gjenvinningssystemet krever transport av glutamin over to cellemembraner (astrocytt- og nervecellemembranen), men hittil har disse pumpe-proteinene vært ukjente.

Nyidentifiserte proteiner
Farrukh A. Chaudhry fra vår gruppe (karrierestipendiat, NFR) som har arbeidet ved University of California San Francisco (UCSF), USA, siden 1998, har klonet en rekke tidligere ukjente proteiner som skaffer glutamin til transmitterproduksjon. Det var et detektivarbeid:
Nukleotidsekvensen ble identifisert på grunnlag av strukturlikhet med et annet tansportørprotein, som sitter på vesikkelmembraner (vesikulær GABA transportør, VGAT). Det nye proteinet viste seg trass i dette å ikke være lokalisert i synaptiske vesikler, men i plasmamembranen på gliaceller som omgir synapsene. Identifikasjonen av funksjonen var meget vanskelig, bl.a. fordi affiniteten er lav og man ikke kjente substratet. Gjennombruddet kom basert på gjetningen at proton var kotransportert ion, slik tilfellet er for VGAT (og noen lignende proteiner som tar opp aminosyrer hos planter). Intracellulær pH-måling i dyrkede celler, viste at glutamin induserte pH-forandring. Transportegenskapene tilsvarte et tranportsystem som fra før er karakterisert biokjemisk og kalt "System N", derav navnet SN1.
SN1 forklarer flere fra før kjente transportfunksjoner i hjernen (gliacellene gir fra seg glutamin som nerveendene så tar opp og bruker blant annet til å danne glutamat og GABA), og i lever og nyre (tar opp og skiller ut glutamin som ledd i kontrollen av kroppens nitrogen-balanse). Det er likevel klart ut fra tidligere biokjemiske studier at det må være flere andre proteiner enn SN1 som katalyserer glutamintransport (f.eks. opptak av glutamin i nerveterminaler). Vi har nå klonet 5 nye transportører og karakterisert 2 av dem (SA1 og SA2) ved å uttrykke dem i froskeegg og måle transport-avhengig strøm. I likhet med SN1, gjenkjenner også SA1 og SA2 glutamin. De er også alle Na+-avhengige. Men i motsetning til SN1, er ikke transporten i SA1 og SA2 koblet til transport av protoner i motsatt retning. Dette gjør at SA1 og SA2 er bedre egnet til opptak og til oppkonsentrering av glutamin i cellene, mens SN1 tillater celler å gi fra seg glutamin. Det er av stor interesse å studere fysiologiske, anatomiske, molekylærbiologiske, biokjemiske og farmakologiske egenskaper til disse proteinene. Derfor har vi behov for mange studenter/stipendiater til å delta i vårt arbeid.

Aktuelle prosjekter, som studenter/stipendiater kan delta i:
1. Studere den nøyaktige lokalisasjonen til disse 3 proteiner i hjernen så vel som i de perifere organer. Dette vil avsløre betydningen av glutamin for dannelsen av signalstoffer og i metabolske prosesser.
2. Ved biokjemiske metoder, yeast two-hybridization, o.l. se hvilke andre proteiner disse transportørene interagerer med, og hvilken betydning det har.
3. Utføre elektrofysiologiske undersøkelser på froskeegg (Xenopus Levis) som uttrykker disse transportørene eller på hjerneskiver, for å påvise egenskaper av fysiologisk betydning.
4. Mutere transportørene (site-directed mutations, knock-out) og påvise deres betydning ved sykdomsprosesser.
5. Teste effekten av medikamenter på transportørenes funksjon.

Det innledende studiet av SN1 i sentralnervesystemet er utført (Boulland et al., 2001), mens SN1 lokalisasjon i de perifere organer er under arbeid. Tilsvarende studier av SA1 og SA2 gjenstår. I tillegg planlegges mer detaljerte funksjonelle studier. Som nevnt ovenfor vil både biokjemiske, molekylærbiologiske og farmakologiske metoder bli benyttet. Arbeidet vil være i samarbeid med Edwards' laboratorium, University of California San Francisco, og flere andre internasjonalt kjente forskningslaboratorier. Kunnskap om de "nye" proteinene vil trolig bedre forståelsen av sykdomsprosesser i sentralnervesystemet, og kan bidra til utvikling av nye medikamenter.

Prosjekter kan tilpasses for både hovedfagsstudenter, studentstipendiater, doktorgradsstudenter og post-doc. Det er en målsetning å publisere resultatene i internasjonalt anerkjente tidsskrifter.

For nærmere informasjon kontakt:

Farrukh A. Chaudhry, karrierestipendiat
Anatomisk inst., UiO, Domus Medica, rom nr. 1293
Tlf.: 22851255,
e-mail: f.a.chaudhry@basalmed.uio.no

Jon Storm-Mathisen, professor
Anatomisk inst., UiO, Domus Medica, rom nr. 1296
Tlf.: 22851258,
e-mail: jon.storm-mathisen@basalmed.uio.no

Litteraturreferanser
Boulland J-L, Osen KK, Levy LM, Danbolt NC, Edwards RH, Storm-Mathisen J, Chaudhry FA (2001) Localization of the glutamine transporter SN1: cell-specific expression of the glutamine transporter SN1 suggests differences in dependence on the glutamine cycle. Submitted.
Chaudhry FA, Krizaj D, Larsen P, Reimer RJ, Storm-Mathisen J, Copenhagen DR, Kavanaugh MP, Edwards RH (2001) System N and the regulation of amino acid flux by protons. Submitted.
Chaudhry FA, Schmitz D, Reimer RJ, Larsen P, Gray AT, Nicoll R, Kavanaugh MP, Edwards RH (2001) Glutamine uptake by neurons: Interaction of protons with System A transporters. Submitted.
Reimer RJ, Chaudhry FA, Gray AT, Edwards RH (2000) Amino acid transport System A resembles System N in sequence but differs in mechanism. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 7715-7720.
Chaudhry FA, Reimer RJ, Krizaj D, Barber R, Storm-Mathisen J, Copenhagen DR, Edwards RH (1999) Molecular analysis of System N suggests novel physiological roles in nitrogen metabolism and synaptic transmission. Cell 99: 769-780.
Chaudhry FA, Reimer RJ, Bellocchio EE, Danbolt NC, Osen KK, Edwards RH, Storm-Mathisen J (1998) The vesicular GABA transporter, VGAT, localizes to synaptic vesicles in sets of glycingergic as well as GABAergic neurons. J Neurosci 18: 9733-9750.
Chaudhry FA, Lehre KP, Van Lookeren Campagne M, Ottersen OP, Danbolt NC, Storm-Mathisen J (1995) Glutamate transporters in glial plasma membranes: highly differentiated localizations revealed by quantitative ultrastructural immunocytochemistry. Neuron 14: 711-720.
McIntire SL, Reimer RJ, Schuske K, Edwards RH, Jorgensen EM (1997) Identification and chacterization of the vesicular GABA transporter. Nature 389:870-876.