Så kopieras arvsmassan i cellens kraftverk
Mitokondriens funktion är att producera ATP, cellens viktigaste energikälla. Den har sin egen arvsmassa med gener som kodar för proteiner involverade i ATP-produktionen. Det finns många luckor i kunskapen om den mitokondriella arvsmassan, och dessa försöker Maria Falkenberg Gustafsson fylla.
Mitokondrien brukar kallas för cellens kraftstation, eftersom den producerar den molekyl, ATP, som används som energikälla i många cellulära processer. ATP-produktionen sker i den så kallade andningskedjan, en komplicerad process, som innefattar flera enzymer. Den är grundligt studerad och det råder ganska stor enighet om hur den fungerar, men det finns andra delar av mitokondrien som är mindre kända, och en av dem studeras av Maria Falkenberg Gustafsson.
Schematisk bild av en mitokondrie. Mitokondrien är en organell i cellen som har två membran, ett yttre och ett inre. I det inre membranet är andningskedjan lokaliserad och den producerar ATP-molekyler som sedan fungerar som cellens energivaluta. Tretton av de ca 90 proteiner som ingår i andningskedjan uttrycks och produceras inne i mitokondrien från mitokondriens arvsmassa, resten av proteinerna uttrycks av gener som finns i cellkärnans arvsmassa. Alla proteiner som är nödvändiga för att den mitokondriella arvsmassan ska kopieras och uttryckas kommer från cellkärnans DNA. Illustration: Lene Sörensen
– Mitokondrien har egna gener och min forskning syftar till att öka kunskapen om dessa.
Mitokondriens DNA (mtDNA) har många likheter med det DNA som finns i kärnan (nucDNA), och som ofta kallas vår arvsmassa – de båda DNA-molekylerna är till exempel uppbyggda på samma sätt, men det finns också flera skillnader mellan mtDNA och nucDNA. I den mycket lilla mtDNA-molekylen finns endast tretton gener, som kodar för olika proteiner, vilket betyder att de innehåller information om proteinernas sammansättning. Dessa proteiner är alla involverade i andningskedjan. I kärnans arvsmassa finns över tjugotusen olika gener. Andra skillnader är att mtDNA finns i ett mycket stort antal kopior i cellen och att mtDNA endast nedärvs från mamman. nucDNA, å andra sidan, nedärvs från både mamman och pappan, och innehåller därför en dubbel uppsättning av alla gener.
– Det vi främst är intresserade av är hur replikation av mtDNA sker.
Maria Falkenberg Gustafsson.
Replikation innebär att en exakt kopia av DNA-molekylen produceras. nucDNA-replikation sker innan celler ska dela sig och de stora dragen i förloppet av den processen är kända, men hur detta går till i mitokondrien har ingen hittills lyckats visa.
– Flera av de enzym som är viktiga för replikation av mtDNA har identifierats under de sista tio åren, men mycket är fortfarande okänt. Vi vill hitta fler proteiner som behövs vid mtDNA-replikation.
mtDNA-replikationen är en process vars aktivitet varierar, eftersom antalet mitokondrier och mängden mtDNA kan skilja sig åt mellan olika celler. Muskelceller som behöver mycket energi har till exempel mer mitokondrier än celler vars energibehov är lågt. Antalet mitokondrier och mängden mtDNA kan också öka eller minska under en cells livslängd.
– Därför vill vi också ta reda på hur mtDNA-replikationen regleras.
Mitokondriella sjukdomar kan förklaras
Marias arbete tillhör grundforskningen, eftersom det syftar till att hitta förklaringar till mekanismer i kroppen, men steget till tillämpningar är inte långt. Sjukdomar i mitokondrien är sällsynta, men många av dem beror på mutationer i mtDNA.
– Hur mutationer i mtDNA uppkommer, och vilka gener som är muterade vid vilka sjukdomar, är tillämpningar som vi är intresserade av.
Mutationerna kan antingen nedärvas från mamman eller uppstå spontant. En mitokondrie kan innehålla både normalt och skadat DNA, eftersom mtDNA finns i tusentals kopior, och därför är det komplicerat att studera dessa sjukdomar. Om till exempel hälften av mtDNA-kopiorna är normala och hälften muterade, kan en person vara fullt frisk, men om fördelningen ändras till 60 % muterade och 40 % normala kan personen bli sjuk.
– Därför kan det vara svårt att avgöra om en person med anlag kommer att utveckla sjukdom eller ej. De genetiska analyserna kan vara svåra att tolka.
Morgonpigg forskare
Det finns fortfarande relativt lite kunskap om mitokondriens DNA och det finns inte många forskare inom samma fält som Marias, men det innebär inte att Maria är ensam i sitt arbete.
– Jag ingår i ett nätverk av duktiga forskare och har många bra samarbeten.
Maria har läst biologi och biokemi på Göteborgs universitet, och hennes forskarkarriär började redan under studietiden.
– När jag läste på biologprogrammet arbetade jag i en grupp som forskade om herpesvirus.
Som doktorand fortsatte Maria på samma spår och studerade replikation av herpesvirusets DNA. Maria doktorerade visserligen på Göteborgs universitet, men halva tiden spenderade hon i USA, på Stanford University. I USA träffade hon Nils-Göran Larson, en forskare som är specialiserad på genetik. Nils-Göran är idag en av Marias två närmaste samarbetspartners.
– Efter min disputation började jag arbeta tillsammans med Nils-Göran och då studerade jag transkription av mtDNA.
Transkription är en del av den process då informationen i gener omvandlas till färdiga proteiner.
– Efter ett tag ville jag skapa en egen forskningsnisch och jag bestämde mig för att börja studera mtDNA-replikation.
Marias man, Claes, är också forskare och han är den andra av Marias två nära samarbetspartners. De träffades som doktorander och arbetar idag sida vid sida, men de har olika forskningsinriktningar och egna grupper. Marias grupp består av tre doktorander, två postdoktorer, en senior forskare och en läkarstudent. Handledning är viktigt för Maria och hon arbetar hårt för att hennes doktorander ska få den hjälp och det stöd de behöver.
– Jag är oftast på labbet ett par timmar innan mina doktorander kommer. Då hinner jag göra klart mina egna experiment och kan ägna resten av dagen åt handledning och skrivarbete.
Även om Maria arbetar mycket, är familjen viktigast. Maria och Claes har två döttrar, Hanna som är 12 år och Amanda som är 9 år. De har också en hund, Zorro, som är en spansk vattenhund. Familjen har flera intressen – på vintern åker de skidor och på sommaren åker de gärna motorbåt i Göteborgs skärgård.
Text: Elisabet Vikeved