Effects of methylation and hydroxylation of sphingomyelins on their biophysical properties and interactions with cholesterol
Jaikishan, Shishir (2012-09-28)
Jaikishan, Shishir
Åbo Akademi - Åbo Akademi University
28.09.2012
Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201311257390
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe201311257390
Kuvaus
Sfingomyeliner är viktiga sphingolipidmolekyler som finns i cellmembranets exoplastiska monolager. Sfingomyeliner är sällsynta i växter och mikroorganismer. Den enigmatiska sfingomelinmolekylen som Thudicum isolerade från hjärnvävnad i slutet på 1800-talet fick sitt namn på basen av det grekiska ordet”sfinx”. Sfingomyeliner återfinns speciallt rikligt i myelinskidorna i nervvävnad, var de sfingomyelinrika membranen bildar ett isolerande lager runt nervcellernas axoner. De polära sfingomyelinerna är viktiga beståndsdelar av ägg, mjölk och kött, och betraktas som viktiga näringsämnen speciellt för spädbarn. Det finns ett flertal sjukdomar uppstår på grund av defekter i sfingomyelinmetabolismen., t.ex. Niemann-Picks sjukdom, som är en obotlig ärftlig metabolisk sjukdom. Nyligen har det rapporterats att sfingomyelin tillsammans med kolesterol och specifika proteiner bildar funtionella domäner, s.k. membranflottar, i cellers membran. Membranflottar anses delta i många viktiga biologiska processer som t.ex. signalöverföring, lipid- och proteinsortering, apoptos, celladhesion, cellmigration och synapsers signalöverföring. Därför är det ytterst viktigt att förstå samverkan mellan sfingomyelin och kolesterol och hur denna samverkan påverkar bildandet membranflottar. I avhandlingen presenteras data från våra studier av sfingomyelin samverkan med kolesterol. För avhandlingen syntetiserade vi unika sfingomyelin molekyler genom att införa metyl- och hydroxylgrupper i olika positioner i sphingomyelinmolekylerna, med målet att lära oss mera om sphingomyelinets membranegenskaper och samverkan med kolesterol. Alla sfingomyelin molekyler som användes i avhandlingsarbetet är biologiskt relevanta. I studierna fann vi att hydroxyl- och amidgrupperna i sfingomyelin är viktiga i vätebindningar mellan sfingomyelinmolekyler samt mellan sfingomyelin och kolesterol. Vi upptäckte ytterligare att substition av metylgrupper i acylkedjan eller i interfasregionen hos sfingomyelinmolekyler signifikant destabiliserade sphingomyelin bilagret och försvagade/upphävde molekylernas samverkan med kolesterol. Hur sfingomyelinbilagrens stabilitet och sfingomyelinen-koleterol samverkan påverkades av hydroxylgrupper var beroende av hydrohygruppens position. Förekomst av en extra hydroxylgrupp i sfingomyelionmolekylens sfingoidbasen ökade stabilitetnen hos sfingomyelinbilagren samt stabiliserade sfingomyelinets samverkan med kolesterol.
Solukalvon ulommassa kerroksessa sijaitsevat sfingomyeliinit (SM) ovat eläinsoluissa olennaisia rasva—eli lipidimolekyylejä. SM:t ovat harvinaisia kasvisoluissa ja mikrobeissa. ”Sfingomyeliini” pohjautuu kreikankielen ”sfinksi” – sanaan, jota Thudicum käytti nimetessään arvoituksellisen molekyylin, jonka hän eristi aivokudoksesta 1800-luvun lopussa. SM:jä on erityisen paljon hermokudoksen myeliinituppikalvossa, jossa ne osallistuvat hermosolujen aksonien mekaaniseen ja sähköiseen eristämiseen. SM:t ovat merkittävin polaarinen rasva kananmunissa, maidossa ja lihassa, ja ne luetaan tärkeiksi ravintoaineiksi etenkin osana pienten lasten ruokavaliota. Häiriöt sfingomyeliinien metaboliassa ovat useiden sairauksien, kuten esim. perinnöllisen, kuolemaan johtavan Niemann-Pick – aineenvaihdutunsairauden, taustalla. Vastikään on osoitettu, että yhdessä kolesterolin ja tiettyjen proteiinien kanssa SM:t muodostavat lauttarakenteita muutoin liukoisessa solukalvossa. Näiden kalvolauttojen tutkiminen on lisännyt ymmärrystä solukalvon monimuotoisuudesta. Lipidilautat osallistuvat olennaisesti moniin biologisiin tapahtumiin kuten signaalinsiirtoon, kalvoliikenteeseen, proteiinien lajitteluun, ohjelmoituun solukuolemaan, solujen kiinnittymiseen ja liikkumiseen sekä hermoimpulssin välitykseen. On siis hyvin tärkeää selvittää, miten ja miksi SM ja kolesteroli sitoutuvat toisiinsa kalvolaatoissa. Tämä tutkimus keskittyy SM:n ja kolesterolin välisiin vuorovaikutuksiin. Valmistimme uusia SM- muotoja lisäämällä metyyli- ja hydroksyyliryhmiä SM-molekyylin eri kohtiin ja niitä käyttäen tutkimme SM:n biofysikaalisia ominaisuuksia osana kalvoa sekä SM:n ja kolesterolin vuorovaikutusta. Kaikki tutkimuksessa käytetyt SM-muunnelmat ovat biologisesti merkityksellisiä. Osoitimme, että SM:n hydroksyyli- ja amidiryhmät ovat tärkeitä SM-SM ja SM-kolesteroli - vetysidosten muodostumiselle. Havaitsimme myös, että hydroksyyli- tai metyylisubstituutiot SM:n N-asyyliketjussa tai rajapinnassa heikensivät SM- kaksoiskalvojen vakautta merkittävästi, sekä heikensivät SM:n kykyä sitoa kolesterolia. SM-kaksoiskalvon vakaus ja kolesterolin sitominen riippuvat hydroksyyliryhmän sijainnista. Ylimääräinen hydroksyyliryhmä SM:n tyydyttyneen pitkän ketjun alaosassa tasapainotti SM-kalvoja sekä vakautti SM-kolesteroli vuorovaikutusta.
Solukalvon ulommassa kerroksessa sijaitsevat sfingomyeliinit (SM) ovat eläinsoluissa olennaisia rasva—eli lipidimolekyylejä. SM:t ovat harvinaisia kasvisoluissa ja mikrobeissa. ”Sfingomyeliini” pohjautuu kreikankielen ”sfinksi” – sanaan, jota Thudicum käytti nimetessään arvoituksellisen molekyylin, jonka hän eristi aivokudoksesta 1800-luvun lopussa. SM:jä on erityisen paljon hermokudoksen myeliinituppikalvossa, jossa ne osallistuvat hermosolujen aksonien mekaaniseen ja sähköiseen eristämiseen. SM:t ovat merkittävin polaarinen rasva kananmunissa, maidossa ja lihassa, ja ne luetaan tärkeiksi ravintoaineiksi etenkin osana pienten lasten ruokavaliota. Häiriöt sfingomyeliinien metaboliassa ovat useiden sairauksien, kuten esim. perinnöllisen, kuolemaan johtavan Niemann-Pick – aineenvaihdutunsairauden, taustalla. Vastikään on osoitettu, että yhdessä kolesterolin ja tiettyjen proteiinien kanssa SM:t muodostavat lauttarakenteita muutoin liukoisessa solukalvossa. Näiden kalvolauttojen tutkiminen on lisännyt ymmärrystä solukalvon monimuotoisuudesta. Lipidilautat osallistuvat olennaisesti moniin biologisiin tapahtumiin kuten signaalinsiirtoon, kalvoliikenteeseen, proteiinien lajitteluun, ohjelmoituun solukuolemaan, solujen kiinnittymiseen ja liikkumiseen sekä hermoimpulssin välitykseen. On siis hyvin tärkeää selvittää, miten ja miksi SM ja kolesteroli sitoutuvat toisiinsa kalvolaatoissa. Tämä tutkimus keskittyy SM:n ja kolesterolin välisiin vuorovaikutuksiin. Valmistimme uusia SM- muotoja lisäämällä metyyli- ja hydroksyyliryhmiä SM-molekyylin eri kohtiin ja niitä käyttäen tutkimme SM:n biofysikaalisia ominaisuuksia osana kalvoa sekä SM:n ja kolesterolin vuorovaikutusta. Kaikki tutkimuksessa käytetyt SM-muunnelmat ovat biologisesti merkityksellisiä. Osoitimme, että SM:n hydroksyyli- ja amidiryhmät ovat tärkeitä SM-SM ja SM-kolesteroli - vetysidosten muodostumiselle. Havaitsimme myös, että hydroksyyli- tai metyylisubstituutiot SM:n N-asyyliketjussa tai rajapinnassa heikensivät SM- kaksoiskalvojen vakautta merkittävästi, sekä heikensivät SM:n kykyä sitoa kolesterolia. SM-kaksoiskalvon vakaus ja kolesterolin sitominen riippuvat hydroksyyliryhmän sijainnista. Ylimääräinen hydroksyyliryhmä SM:n tyydyttyneen pitkän ketjun alaosassa tasapainotti SM-kalvoja sekä vakautti SM-kolesteroli vuorovaikutusta.