Heparin – en polysackarid med
koppling till många sjukdomar
Göteborg 150423
Alla celler är täckta av ”glykaner”
Glycocalyx
Cytoplasm
Nucleus
Plasma Membrane
~50 nm
Endothelial glycocalyx
Audrey M. Glauert and G.M.W. Cook
Human lymfocyt
B. van den Berg
Glykanklasser (glykokonjugat)
Essentials of Glycobiology
Second Edition
Ingen “template” för glykosylering!
DNA
mRNA
protein
enzym
glykokonjugat
Varför “heparin”-inspiration?
•
•
•
•
•
•
Typiskt “glykobiologiska” frågeställningar
Klarlägger livsviktiga mekanismer
Nytt ljus över viktiga patofysiologiska fenomen
Potential för nya läkemedel
Många exempel på “oväntad nytta”
Vårt forskningsfält!
Upptäckten av heparin
• A phosphatide preparation from dog liver
shown to have powerful anticoagulant
activity (McLean, 1916)
McLean
 Active substance named heparin; believed
Howell
to be a phospholipid (Howell & Holt,
1918)
 Isolation procedure improved. Heparin
shown to be a carbohydrate containing
uronic acid (Howell, 1925, 1928)
venous
thrombosis
Development
Longitudinal
Section
of
Longitudinal
Section
Longitudinal
Section
Heparin i preoperativ trombosprofylax
Clarence Crafoord
1899-1984
Erik Jorpes
1894-1973
Xa
lösligt
olösligt koagel
U. Abildgaard
R. Rosenberg
Heparinlösning
Affinitets-kromatografi av
heparin på antitrombinSepharos
Antitrombin
Sepharos
30 enh/mg
300 enh/mg
Pentasackarid,
antitrombin och
koagulationsenzym
Courtesy of
J. Huntington
Degranulating mast cell
Courtesy of G. Pejler
Sven Gardell
JE Jorpes and S Gardell (1948) On heparin monosulfuric acid. J. Biol. Chem. 176, 267
DEUTEROSTOMES
Vertebrates
PROTOSTOMES
Echinoderms
Annelids
Molluscs
Ascidians
(Tunicates)
Arthropods
Trochophore larva
Dipleurula
(tornaria) larva
Platyhelminthes
Schizocoelomate lineage
Enterocoelomate lineage
Radial cleavage,
deuterostomal
gastrulation
Primitive
flatworms
(acoelomate)
Spiral cleavage,
protostomal
gastrulation
Pseudocoelomate lineage
BILATERAL SYMMETRY
Planuloid larva
Coelenterates (Cnidarians)
Sponges
Colonial protozoans
Other protozoans
Flagellate protistans
Aschelminthes
Diagrammatic representation of
major evolutionary divergences.
(Other models are possible, but
the general schemes are all
similar to the one shown here.)
Heparin och heparansulfat
Heparin och heparansulfat –
jonbindning av proteiner,
selektivt till heparansulfat
HS-strukturen är cell-specifik!
Olika celler
olika HS struktur
A
B
C
Heparin
Olika HS-strukturer
selektiv proteinbindning
Tillväxtfaktorer och receptorer
Exempel på proteinbindning
Mikroorganismer
Enzym, enzymhämmare
Utan heparansulfat ingen embryonalutveckling
Lin et al. (2000)
Dev. Biol. 299-311
HS’s finstruktur funktionellt betydelsefull!
Utan iduronsyra inga njurar
+/+
-/-
b
a
k
t
b
a
t
Sjukdomar kopplade till heparansulfat
Virusinfektioner (Herpes, papillomvirus etc.)
Amyloidos-sjukdom
Cancer
Malaria
Förlossning
Fetma?
Inflammation?
Amyloid – felaktigt veckade peptider,
bildar aggregat i vävnader
Amyloidos-sjukdom
AA-amyloidos
Alzheimers sjukdom
Parkinsons sjukdom
Type 2 diabetes
ALS
Creutzfeld-Jacobs
sjkd
Amyloid-peptid
AA-peptid
Aß-peptide
a-synuclein
IAPP
Superoxid-dismutas
Prionproteiner
Samtliga amyloid-peptider binder HS!
Heparansulfat inducerar aggregation
av amyloid-peptider
HS chain
Amyloid monomer
Amyloid oligomer
Amyloid fibril
Samlokalisering av Aß och heparansulfat vid Alzheimer’s sjukdom
6E10
Anti A 40
Alcian blue
6E10 + Alcian blue
Anti-heparan sulfate
Merge
O’Callaghan et al. 2008, Brain Pathol.
Cancer – tumörväxt och metastasering
beroende av nybildning av blodkärl
Nyutvecklade blodkärl runt en malign tumör
Heparanas
(I. Vlodavsky)
Heparansulfat
Nybildning av blodkärl!
(angiogenes)
Tillväxtfaktorer som krävs för angiogenes
Tillväxtfaktorer mobiliseras av heparanas, som specifikt
spjälkar heparansulfat
Malaria
Dödar ~1/2 million barn per år, främst i Afrika
Cerebral malaria, orsakad av P. falciparum
MUNIR et al 1976-1980
33 patients
2-12 years old
cerebral malaria, coma
16 patients heparin (chloroquine)
17 patients control group (chloroquine)
Heparin 2 mg/kg, iv or im, single dose, 3 days
Control group:
13 (
76.5% mortality)
Heparin group:
2 (
12.5% mortality)
Plasmodium falciparum-Encoded Membrane Protein 1
Virulence
DBL1 a
CIDR1 a
DBL2 d
TM
CIDR2 
PfEMP1
Heparan
sulfate
Blood
group A
antigen
IgM
Heparan
sulphate
CD 36
PECAM-1/CD31
Heparin konkurrerar ut heparansulfat från PfEMP1
Endothelium
Chen et al 1998, JEM
Barragan et al 2000, Blood
Chen et al 2000, JEM
Vogt et al 2003, Blood
Vogt et al 2004, Biochem J
Malaria-inducerade proteinet
(PfEMP1) binder till heparansulfat exponerat på kärlendotelet
och erytrocyter
Heparansulfatet “konkurreras
ut” av heparin-fragment
Perjodat-oxidation (IO4-)
slår ut antikoagulansaktiviteten
IO4-
Rosettbildning …
… elimineras av
deaktiverade
heparinfragment
UAS29
UAS22
UAS31
FCR3S1.2
Vogt et al 2006, PLoS pathogens
Förlossning - förutsätter uterus-kontraktion
och cervix-”utmognad”
Muskulatur
- kontraktion
Stram bindväv
- luckras upp
Kvinnor som heparinbehandlats under graviditeten
får snabbare förlossning
25
labor time (h)
20
p<0.0001
15
10
5
0
Control
n=181
Dalteparin
= lågmolekylärt heparin
n=93
Ekman-Ordeberg et al.,
Acta Obstet Gynecol
Scand 2009
Mätning av muskelkontraktion – human uterusvävnad
Kontroll
Heparin
Mekanism??
Ekman-Ordeberg et al., 2009
Transgent överuttryck av Syndecan-1, en heparansulfat-proteoglykan
Fetma
”Syndtrophin”-musen (6 mån. gammal) med
vildtyp-syskon (Reizes et al., Cell 2001)
MCR4 reglerar aptit
Syndecan-3
Syndecan-1 saknar den klyvbara
peptidsekvensen
Hypothalamus
Proteas induceras vid mättnad
Reizes et al., Cell 2001
Heparanas
HS
FGFR
Heparanas – som specifikt spjälkar heparansulfat – kan
det påverka MCR4-systemet?
Heparanas-överuttryck (Hepa-tg)
a-MSH

MCR4
Effekt av heparanas-överuttryck mössen blir magra!
Är konstitutivt uttryckt heparanas aptitreglerande?
Heparanas knockout (Hepa-KO)
a-MSH
HS
AGRP

MCR4
Heparanas-KO-möss blir feta
Hpa-KO-mössen
äter mera av en
fettrik diet
Karlsson-Lindahl
et al., PLoS One 2012
Sammanfattning
Interaktioner mellan heparansulfat och proteiner är av central
betydelse vid en rad sjukdomstillstånd. De pekar också mot en
- ännu outnyttjad - potential för utveckling av nya läkemedel.
Samarbeten (gruppledare)
Lena Kjellén, Jin-ping Li – HS biosyntes
Jin-ping Li, Xiao Zhang – heparanas
Dorothe Spillmann – HS receptorfunktioner; malaria
Mats Wahlgren – (KI) malaria
Lena Claesson-Welsh – HS och angiogenes
Gunvor Ekman-Ordeberg (KS), Anders Malmström (LU),
Erik Holmer (Dilafor AB) – heparin och förlossning