Vores evne til at lære nyt og huske gammelt afhænger af hjernecellernes specialiserede kommunikations-forbindelser - synapserne.

Styrken af de signaler, synapserne kan sende mellem hjernecellerne, er specielt vigtig - og denne styrke kan ændre sig. Fænomenet kaldes 'synaptisk plasticitet' og udgør et stort forskningsområde indenfor neurovidenskaben.

Da Anna Jansen i 2006 gik i gang med sit ph.d.-projekt på Institut for Neurovidenskab og Farmakologi, troede hun, at hun skulle studere denne synaptiske plasticitet. Men forskningsresultater går deres egne vegne.

Som Annas vejleder foreslog jeg hende at studere et protein ved navn PICK1. Det var allerede kendt, at PICK1 er forbundet med synapsernes evne til at ændre signalstyrke, så vi mente, at det var vigtigt at se nærmere på. Man havde fundet PICK1 i celler i lillehjernen og i den hjernestruktur, der kaldes hippocampus (som spiller en rolle for langtidshukommelse og rumlig orientering). Men indtil nu havde man mest studeret proteinets funktion i cellekulturer, altså uden for den intakte organisme.

Bananfluens hjerne under mikroskop

I mit laboratorium bruger vi bananfluen (Drosophila) som eksperimentelt system. Vi er dybt fascinerede af, hvor meget man kan lære af dette lille insekt, hvis proteiner og cellulære processer i forbløffende grad ligner vores egne. Desuden har Drosophilas genetik været studeret i over hundrede år, og det har dannet grundlag for udviklingen af nogle meget effektive forsøgsmetoder.

Anna var straks med på at bruge dem til at udforske, hvordan PICK1 virker i hjernen. Det ville give hende ny indsigt i PICK1s synaptiske funktion og måske på længere sigt ny viden om hukommelse og indlæring - og denne gang i en intakt organisme.

Postdoc Kenneth Madsen påviste PICK1 i beta-celler fra rotter. (Foto: Ole Kjærulff)

Så hun gik i gang med at fremstille de forsøgsredskaber, der ville gøre hende i stand til at se, hvor PICK1 befinder sig i fluehjernen. Endelig oprandt den store dag, hvor hun kunne lægge hjernepræparater farvet for PICK1 under mikroskopet. Her fandt hun, at der var PICK-1 protein i fluehjernen. Men der var ikke skyggen af det i synapserne! Hele ph.d.-projektet var i krise.

Men Anna lod sig ikke slå ud.

Der var jo trods alt en vis mængde PICK1 til stede i fluehjernen, og hun kiggede nu nærmere efter præcis hvor. Hun opdagede, at proteinet så ud til at samle sig omkring kernen i nogle meget store celler. Især var der meget PICK1 i et lille område mellem de to hjernehalvdele. Men hvem kunne fortælle hende, hvad det var for celler?

Heldigvis kendte jeg den rigtige mand: Dick Nässel fra Stockholms Universitet, ekspert i insekters nervesystem. Da vi viste ham de PICK1-holdige celler i bananfluen, foreslog han straks, at det kunne være neurosekretoriske celler.

Det er en bestemt type nerveceller, der sender signaler ved hjælp af peptider (korte proteinkæder). Nogle af disse peptider virker som hormoner, der påvirker mange celler i hele organismen. Men det er jo helt i modsætning til situationen i synapserne, hvis signalstoffer kun virker meget lokalt fra én hjernecelle til den næste.

Dick Nässel havde ret.

PICK1 findes i insulinlignende celler

Påvisning af PICK1-protein i bananfluer og rotter ved hjælp af specifikke antistofreaktioner og fluorescensmikroskopi:

Billedet øverst til venstre viser en hel hjerne fra en voksen bananflue. De to pile markerer to store neurosekretoriske celler, der indeholder PICK1. Øverst i midten af hjernen findes celler (markeret med en boks), der producerer Drosophila insulin-lignende peptid (DILP), og som også indeholder PICK1.

Det nederste billede til venstre viser indholdet af boksen i det øverste billede i kraftigere forstørrelse. De DILP-producerende celler er mærket ved hjælp af grønt fluorescerende protein. To af cellerne er markeret med store pile. De små pile nederst i billedet markerer udløbere fra de DILP-producerende celler. Udløberne udmunder i hæmolymfen, der cirkulerer rundt i kroppen ligesom blod (ses ikke på billedet). Hermed transporteres DILP rundt i kroppen ligesom insulin hos pattedyr.

Billedet til højre viser en cellekultur af insulinproducerende betaceller fra bugspytkirtlen i en rotte. Der ses syv celler, hvis cellekerne er markeret 'k'. I området omkring cellekernerne ses PICK1 proteinet, arrangeret i korn af vekslende størrelse. Nogle af de kraftigste korn er markeret med pile nederst til venstre.

Neurosekretoriske celler kan kendes på, at et bestemt gen i deres DNA er særligt aktivt. Da Anna Jansen så efter, fandt hun, at der i de samme celler både er klar aktivitet af dette gen og af PICK1. Samtidig viste det sig, at de PICK1-holdige celler i det specielle område mellem de to hjernehalvdele hos bananfluen producerer et insulin-lignende hormon, som hos det lille insekt virker på præcis samme måde som insulin hos mennesker.

Hormonet hedder da også DILP: Drosophila Insulin-Like Peptide.

At PICK1 findes i insulinproducerende celler hos bananfluer, var en helt ny indsigt. Spørgsmålet var nu, om proteinet også findes i disse celler hos pattedyr, som jo ellers bruger PICK1 til at ændre signalstyrken i deres synapser.

Igen var vi heldige med at have gode kontakter.

På Institut for Neurovidenskab og Farmakologi har postdoc Kenneth Madsen længe studeret PICK1, netop med fokus på pattedyr. Kenneth havde tilfældigvis nogle skåle med dyrkede betaceller fra rotter stående i skabet. Det er de celler, der producerer insulin i pattedyrenes bugspytkirtel.

Kenneth undersøgte, om PICK1 fandtes i hans dyrkede betaceller. Det gjorde det - oven i købet i store mængder, og ligesom i fluerne var PICK1 koncentreret i området omkring cellekernen.

Man kan sige, at vi blev drillet af evolutionen. Den fandt tilsyneladende først ud af at anvende PICK1 til synaptisk plasticitet hos pattedyr - lang tid efter at fluerne kom på banen. Derfor fandt vi ikke det, vi i første omgang ledte efter.

Opdagelsen peger på, at PICK1 har samme funktion i de insulinproducerende celler hos fluer og pattedyr, sandsynligvis inklusive os mennesker. Vi arbejder nu på at finde ud af, hvad det er for en funktion.

Foreløbig tror vi, at PICK1 regulerer transporten af insulin og andre peptidsignalstoffer inde i cellen. Denne opdagelse fra neurovidenskabens verden kan måske få overraskende konsekvenser for sukkersygeforskningen.

Drillet af evolutionen

Bananfluer og rotter er placeret med stor indbyrdes afstand på det evolutionære træ. Som vi har opdaget har det for eksempel medført, at de insulinproducerende celler har relation til to helt forskellige organer: hjernen og bugspytkirtlen. Ikke desto mindre er der altså en slående lighed mellem fordelingen af PICK1-protein i de enkelte celler i de to systemer. Derfor tror vi, at PICK1s funktion i peptidsignaleringen også er bevaret.

Når det drejer sig om synaptisk plasticitet, er det en helt anden historie - her er det kun pattedyrene, der bruger PICK1. Sådan ser det i hvert fald ud indtil videre.

Man kan sige, at vi blev drillet af evolutionen. Den fandt tilsyneladende først ud af at anvende PICK1 til synaptisk plasticitet hos pattedyr - lang tid efter at fluerne kom på banen. Derfor fandt vi ikke det, vi i første omgang ledte efter.

Derimod er PICK1s rolle i de insulinproducerende celler en gammel »opfindelse« - gammel nok til, at Anna kunne opdage den i fluerne. Og åbenbart så god, at Kenneth også kunne opdage den i rotter.

Resultaterne er publiceret i Journal of Comparative Neurology.