PBL Fall 4: Intracellulär sortering
Proteintransport, organellfunktion och cellulära kvalitetskontroller
Cellbiologi🎯 Läringsmål
Organellfunktioner
ER, Golgi, lysosomer och deras roller i cellulär organisation
Proteintransport
Signalsekvenser, vesikulär transport och sorteringsmekanismer
Posttranslationell modifiering
Glykosylering, veckning och kvalitetskontroll
Endocytos och exocytos
Membrandynamik, vesikeltransport och SNARE-proteiner
Lysosomal funktion
Enzymatisk nedbrytning, pH-reglering och lagringssjukdomar
Intracellulär transport
Mikrotubulis, motorproteiner och vesikulär trafik
💡 Studietips
Läs både PBL-materialet och tentamenssammanfattningarna för bästa förståelse. PBL-fallen ger djupare kontext medan sammanfattningarna fokuserar på tentamensrelevant material.
📚 Om detta PBL-fall
Detta fall introducerar cellulär logistik och organellfunktion genom en dramatisk historia om lysosomal lagringssjukdom. Du kommer att utforska proteintransport, organellbiogenesoch förstå hur cellulära transportsystem påverkar human hälsa.
🎯 Varför detta är viktigt
Intracellulär sortering är grundläggande för cellulär organisation. Störningar i proteintransport leder till allvarliga genetiska sjukdomar och cellulär dysfunktion.
👤 Fallbeskrivning: Linas utvecklingsförsening
Kliniska fynd
Lina, 18 månader, kommer till barnkliniken med:
- 🔸 Utvecklingsförsening - Saknar motoriska milstolpar
- 🔸 Hepatosplenomegali - Förstorad lever och mjälte
- 🔸 Neurologisk regression - Förlorat tidigare förvärvade färdigheter
- 🔸 Skelettdeformiteter - Dysostosis multiplex
- 🔸 Övre luftvägsinfektioner - Återkommande sinusit och otit
- 🔸 Grovkorniga drag - Karakteristiska ansiktsdrag
🏥 Klinisk undersökning
Neurologiskt:
- Hypotoni: Minskad muskeltonus
- Utvecklingsregression: Tappat gånghjälpmedel och språk
- Kramper: Fokala anfall
- Svårigheter med finmotorik
Fysiskt:
- Tillväxthämning: Under 3:e percentilen
- Dysmorfiska drag: Grov ansiktsprofil
- Kyphoskolios: Ryggradsdeformitet
- Kornea-grumling: Ögonengagemang
🔍 Laboratoriefynd
Enzymatiska markörer:
- Alpha-L-iduronidas: Kraftigt nedsatt (<5% av normalt)
- Glykosaminoglykaner: Kraftigt förhöjda i urin
- Dermatan sulfat: Markant förhöjt
- Heparan sulfat: Patologiskt förhöjt
Cellulära fynd:
- Fibroblaster: Vakuolisering och inklusioner
- Lymfocyter: Azurofila granula (Reilly bodies)
- Makrofager: Skummig cytoplasma
- Elektronmikroskopi: Zebra bodies och lamellärt material
🤔 Differentialdiagnoser
Lysosomal lagringssjukdomar:
- Hurlers syndrom (MPS I-H) - α-L-iduronidas-brist
- Hunters syndrom (MPS II) - Iduronate-2-sulfatas-brist
- Sanfilippo syndrom (MPS III) - Heparan sulfat-nedbrytning
- Morquio syndrom (MPS IV) - Keratan sulfat-ackumulation
Andra lagringssjukdomar:
- Gauchers sjukdom
- Niemann-Picks sjukdom
- Tay-Sachs sjukdom
- Krabbe sjukdom
🏗️ Organellfunktioner och cellulär organisation
🧱 Endoplasmatiskt Retikulum (ER)
Rough ER (rER)
Struktur: Ribosomer bundna till cytosolsidan
Funktioner:
- Proteinsynthes: Membranproteiner, sekretoriska proteiner
- N-glykosylering: Oligosackarid-addition
- Signalpeptid-processering: Co-translationell insertion
- Kvalitetskontroll: Proteinfoldning och ER stress response
Signal Recognition Particle (SRP):
- Binder signalpeptid på nascent protein
- Pausar translation temporärt
- Guidar ribosom till ER-membran
- SRP-receptor initierar translokation
Smooth ER (sER)
Struktur: Inga ribosomer, tubulär morfologi
Funktioner:
- Lipidsynthes: Fosfolipider, kolesterol
- Steroidhormoner: Köns- och stresshormoner
- Detoxifikation: CYP-enzymer för xenobiotika
- Ca²⁺-lagring: Intracellulärt kalciumreservoir
Vävnadsspecificitet:
- Hepatocyter: Detoxifikation och glukoneogenes
- Steroidogeniska celler: Hormonproduktion
- Muskelceller: Sarkoplasmiskt retikulum för Ca²⁺
📬 Golgi-apparaten
Strukturell organisation
Cis-Golgi
Lokalisering: Närmast ER
- Mottagning av ER-vesiklar
- Initial glykosylmodifikation
- N-länkad processing
- Mannose-trimming
Medial-Golgi
- N-länkad glykosylering fortsätter
- Initial O-länkad glykosylering
- Komplex oligosackarider
Trans-Golgi Network (TGN)
Sorteringscentrum:
- Mannose-6-phosphat receptor
- Lysosomal enzyme targeting
- Sekretorisk pathway
- Plasma membrane delivery
N-länkad glykosylering
Krav för N-länkning:
- Lokalisering: ER lumen
- Konsensussekvens: Asn-X-Ser/Thr/Cys
- Accessibility: Tillgänglig för OST
Process:
- Dolichol-länkad prekursor: Glc₃Man₉GlcNAc₂
- En-bloc transfer: Till Asn-residue
- Processing: Gradvis trimming
O-länkad glykosylering
Lokalisering: Golgi-apparaten
Målrester: Serin och Treonin
Process:
- Stegvis addition av sockorrester
- Börjar med GalNAc till Ser/Thr
- Bygger up mucin-type strukturer
♻️ Lysosomer och autofagi
Sur miljö (pH ~4.5-5.0)
V-ATPase pump: Aktiv protonpumpning
Fördelar:
- Optimal pH för hydrolaser
- Säkerhetsmekanism - enzymer inaktiva i cytosol
- Protonmotiv kraft för transport
Hydrolytiska enzymer (~60 olika)
Kategorier:
- Proteaser: Cathepsiner (B, D, L)
- Nukleaser: DNA och RNA-nedbrytning
- Lipaser: Fosfolipas A2
- Glykosidaser: α-glucosidas, β-galactosidas
Mannose-6-phosphat pathway
- Enzymsyntes: Lysosomal enzymer syntetiseras i rER
- M6P-modifikation: GlcNAc-1-phosphotransferase i cis-Golgi
- M6P-receptor binding: MPR (mannose-6-phosphat receptor)
- Vesikel formation: Clathrin-coated vesiklar från TGN
- Lysosomal delivery: Fusion med pre-lysosomer
📦 Proteintransport och sortering
🚚 Sekretoriska pathway
1. ER-insertion
SRP-beroende pathway:
- SRP-binding: Signal peptid recognition
- Translation arrest: Temporär paus
- ER-targeting: SRP-receptor interaction
- Sec61-translokation: Proteinkanalens öppning
Sec61 translokon:
- Protein-conducting channel
- Co-translationell insertion
- Signal peptid cleavage
2. ER-processering
Kvalitetskontroll:
- Protein foldning: BiP (GRP78) chaperon
- Disulfid bond formation: PDI (protein disulfid isomeras)
- N-glykosylering: OST-komplex
- ERAD: ER-associated degradation av missfolded proteiner
3. Vesikulär transport
ER → Golgi transport:
- COPII vesiklar: Anterograd transport
- ERGIC: ER-Golgi intermediate compartment
- COPI vesiklar: Retrograd transport
Golgi processing:
- Successive modifikation genom stack
- Maturation eller vesicular transport modeller
🔄 Endocytiska pathway
Receptor-medierad endocytos
Clathrin-medierad endocytos:
- Ligand-binding: Specifik receptor-ligand interaction
- Clathrin-coat assembly: AP2 adaptiner rekryterar clathrin
- Invagination: Membrane bending
- Dynamin-medierad fission: Vesikel avsnörning
- Uncoating: Auxilin och HSP70
Viktiga komponenter:
- Clathrin: Coat protein för vesikelsformning
- Adaptiner (AP2): Länkar clathrin till cargo
- Dynamin: GTPas för membranfission
Bulk endocytos
Typer:
- Pinocytos: "Cell drinking", fluider
- Makropinocytos: Stora volymer, growth factors
- Fagocytos: Stora partiklar, bakterier
Caveolae-medierad endocytos:
- Caveolin-1 märkta membranregioner
- Kolesterol-rik miljö
- Signaling platform
♻️ Membrandynamik och vesikeltrafik
🔗 SNARE-proteiner och membranfusion
v-SNARE (Vesiklar-SNARE)
Lokalisering: Transportvesiklar
Exempel:
- VAMP/Synaptobrevin: Synaptic vesiklar
- VAMP4: TGN-to-endosome transport
Funktion: Vesiklig fusionspartner
t-SNARE (Target-SNARE)
Lokalisering: Målmembran
Exempel:
- Syntaxin: Plasmamembran
- SNAP-25: Plasmamembran (bidrar 2 SNARE-motif)
Funktion: Målmembranens fusionspartner
Fusionsprocess
- SNARE-pairing: v-SNARE och t-SNARE interaktion
- Trans-SNARE complex: Parallell helical bundle formation
- Membrane approach: SNARE-dragen approximation
- Membrane merger: Lipid bilayer fusion
- Cis-SNARE complex: Post-fusion conformation
- NSF/SNAP-medierad disassembly: Recycling av SNARE-proteiner
🎯 Rab-proteiner och vesikeltargeting
Rab GTPas-familjen
- Minst 70 Rab-proteiner i människan
- Membranassocierade genom geranylgeranyl-ankare
- GTP/GDP-cykel kontrollerar aktivitet
- Kompartment-specifik distribution
Rab5
Lokalisering: Tidiga endosomer
Funktion: Clathrin-vesiklar fusion
Rab7
Lokalisering: Sena endosomer/lysosomer
Funktion: Endosom-lysosom fusion
Rab11
Lokalisering: Recycling endosomer
Funktion: Receptor recycling
Rab27
Lokalisering: Sekretoriska vesiklar
Funktion: Exocytosis
🚛 Mikrotubulis och motorproteiner
Kinesin-familjen
Riktning: Centrosom → Cellperiferi (plus-end)
Funktion: Anterograd axonal transport
Struktur: Motordomän, coiled-coil, cargo-binding domain
Viktiga kinesin-typer:
- Kinesin-1 (KIF5): Konventionell kinesin
- Kinesin-3 (KIF1): Snabb axonal transport
- Kinesin-13: Mikrotubuli-depolymerisering
Cytoplasmatisk Dynein
Riktning: Cellperiferi → Centrosom (minus-end)
Funktion: Retrograd transport
Komplex struktur:
- Dynein heavy chains: Motoraktivitet
- Dynein intermediate chains: Cargo-binding
- Dynactin komplex: Processivity enhancer
- Adaptor proteiner: Cargo-specificity
Transportreglering
Bidirektionell transport:
- Många organeller bär både kinesin och dynein
- Balansen bestämmer net transport direction
- Lokala regulatoriska signaler påverkar aktivitet
- Cargo-specific adapters dirigerar trafficking
🧬 Linas fall: Hurlers syndrom och lysosomal dysfunction
⚕️ Hurlers syndrom (MPS I-H)
Molekylär grund
Enzymdefekt: α-L-iduronidas (IDUA) brist
Genetik: Autosomal recessiv, kromosom 4p16.3
Prevalens: ~1:100,000 födslar
Substratackumulation:
- Dermatan sulfat: Huvudsakligt GAG i bindväv
- Heparan sulfat: CNS och andra vävnader
- Lysosomal storage: Progressiv cellulär dysfunction
Cellulär dysfunction
- Lysosomal expansion: GAG-ackumulation
- Autophagy disruption: Blockerad autophagic flux
- Mitochondrial dysfunction: Sekundär energideficit
- ER stress: Unfolded protein response
Vävnadseffekter
- Skelett: Dysostosis multiplex, growth retardation
- CNS: Neurodegeneration, developmental delay
- Kardiovaskulär: Valvular disease, cardiomyopati
- Ögon: Korneal grumling, retinal degeneration
🔄 Glykosaminoglykan (GAG) metabolism
Dermatan sulfat
Struktur: [IdoA-GalNAc]n med sulfatmodifikationer
Lokalisering: Hud, bindväv, hjärtklaffar
Funktion: Strukturellt stöd, cellulär signaling
Heparan sulfat
Struktur: [GlcA/IdoA-GlcNAc]n högsulfaterad
Lokalisering: Basalmembran, cellyta, CNS
Funktion: Tillväxtfaktor-binding, cellulär signaling
GAG-nedbrytningsväg
- Endocytosis: GAG-rika proteoglykaner tas upp
- Lysosomal processing: Stegvis enzymatisk nedbrytning
- α-L-iduronidas steg: Klyvning av iduroninsyra-bindningar
- Vidare nedbrytning: Andra lysosomal enzymer
- Produkter: Enkla sockrar och sulfat för återanvändning
När α-L-iduronidas saknas blockeras hela nedbrytningskaskaden → progressiv ackumulation
🏥 Klinisk handläggning
Diagnos
- Klinisk misstanke: Karakteristisk fenotyp
- GAG-screening: Urin-GAG kvantifiering
- Enzym-analys: α-L-iduronidas aktivitet
- Molekylär genetik: IDUA-genanalys
- Bildgivning: Skelett-survey, MRI hjärna
Enzyme Replacement Therapy (ERT)
Läkemedel: Laronidas (rekombinant α-L-iduronidas)
Administration: IV infusion veckovis
Effekter:
- Förbättrar lever- och mjältestorlek
- Minskar GAG-nivåer
- Begränsad CNS-penetration
Hematopoietic Stem Cell Transplantation
Timing: Tidigt i sjukdomsförloppet
Fördelar:
- Kan korsa blod-hjärnbarriären
- Långsiktig enzymproduktion
- Potential för CNS-förbättring
Risker: Transplant-relaterad mortalitet
🎥 Studievideos: Intracellulär transport och organeller
Video 1: Membranstruktur och transport
Grundläggande membranbiologi och transportmekanismer.
📚 Videostudietips
- Video 1: Fokusera på membranstrukturer och hur de relaterar till Linas lysosomal dysfunktion
🔄 Fallintegration: Från molekyl till fenotyp
🧬 Molekylär → Fenotypisk koppling
Linas fall illustrerar hur en enda enzymdefekt kan leda till systemisk sjukdom genom störd intracellulär sortering.
Enzymdefekt → Substratackumulation
α-L-iduronidas-brist leder till GAG-ackumulation i lysosomer
Cellulär dysfunction
Lysosomal storage stör autophagy, energimetabolism och cellulära funktioner
Systemiska effekter
Cellulär dysfunction manifesteras som utvecklingsförsening, organomegali och skelettdeformiteter
💡 Terapeutiska insikter
Strategiska ansatser:
- Enzymersättning: Direktt åtgärda enzymbristen
- Substrateduktion: Minska substratproduktion
- Cellterapi: Transplantation av friska celler
- Geneterapi: Korrigera den genetiska defekten
📖 Fördjupning och tentamensprep
Cellbiologi - Tentamenssammanställning
Komplett genomgång av intracellulär transport, organeller och proteinssortering