De knoken van de cel

Cellen zijn meer danzakjes protoplasma.

Ze bezitten stevigheiden architectuur dankzijeen skelet van driesoorten eiwitdraden.

Dit celskelet dicteertde ruimtelijke ordeningin de cel en vaak ook zijngedrag: soms leidenveranderingen in hetcelskelet tot uitzaaiingvan tumoren.

Wie onder de microscoop een langzaam voorbijkruipende amoebe bekijkt, zal de aanblik niet snel associeren met die van een rammelend geraamte. Geraamtes zijn immers voorbehouden aan meercellige, gewervelde dieren. Ze kunnen er door rechtop staan en bewegen, waar ze anders als een pudding in elkaar zouden zakken. Ook insekten bezitten een skelet (maar dan aan de buitenkant), terwijl planten hun stevigheid danken aan hun harde celwanden en houtvaten.

Een amoebe daarentegen is niet meer dan een eenzame naakte cel, een zakje stromend protoplasma dat zich als een aangeschoten regendruppel voortbeweegt. Ontbreekt het iets aan stevigheid en architectuur, zo lijkt het, dan is het wel een amoebe.

Maar schijn bedriegt. Amoeben bezitten, evenals vrijwel alle cellen van meercellige organismen (inclusief de mens), een intern geraamte, opgebouwd uit fijnmazige vlechtwerken van eiwitfilamenten. Dit zogeheten celskelet bepaalt de vorm en de stevigheid van de cel en zorgt dat alle onderdelen op hun plaats zitten en blijven. Wat dat betreft komt de functie overeen met die van ons vertrouwde beenderskelet, maar het celskelet doet nog veel meer.

Ten eerste wisselt het voortdurend van gedaante, doordat het op de ene plek wordt uitgebreid en op de andere wordt afgebroken. De vorm van de cel kan hierdoor soms al in de loop van een halve minuut dramatisch veranderen. In de tweede plaats zijn sommige van de 'botten' in het celskelet tegelijkertijd 'spieren', wat de cel in staat stelt om bestanddelen intern te verplaatsen of om zich over een vast substraat voort te bewegen. En ten derde zorgt het celskelet ook voor contact met de buitenwereld. In weefsels zorgt het voor de nodige 'sociale cohesie' tussen buurcellen, in migrerende cellen bijvoorbeeld voor aanrakingscontacten met het substraat (de ondergrond).

Kantoorgebouw

Al deze drukke activiteiten van het celskelet vinden plaats terwijl de gewone levensprocessen ongehinderd doorgaan. De cel is als een druk kantoorgebouw dat continu zeer ingrijpend wordt verbouwd. En zoals een postkantoor qua bouw en indeling van een advocatenkantoor verschilt, zo ontleent elk celtype zijn identiteit mede aan de architectuur van zijn celskelet.

“Het celskelet,” zegt onderzoeker van het eerste uur dr. Werner W. Franke van het Duitse Centrum voor Kanker Onderzoek in Heidelberg, “is inderdaad goed te vergelijken met het raamwerk van balken, stutten en spanten in een gebouw. Zoals je aan een ruine kunt zien dat het een kerk, een station of een kantorencomplex moet zijn geweest, zo kun je aan de hand van het karkas van een cel zien tot wat voor celtype het behoort.” Franke (1940) was onlangs te gast in Nijmegen om een wetenschappelijke prijs (de Hans Bloemendal Award, groot 10.000 gulden) in ontvangst De uitreiking ging vergezeld van een symposium over het celskelet met sprekers uit Europa en de Verenigde Staten.

Het celskelet mag zich de laatste jaren verheugen in een groeiende belangstelling van moleculair-biologen, celbiologen en biochemici. Dat is lang niet altijd zo geweest. Franke: “Dertig, veertig jaar geleden begreep men uit studies met de elektronenmicroscoop en fractionering van celbestanddelen al wel dat er zoiets als een celskelet bestond. Maar het onderzoek liep al snel vast op een simpel feit: het celskelet is een zeer taaie struktuur, waarvan de bestanddelen zich maar moeilijk laten isoleren en bestuderen.”

De hardnekkigheid van het celskelet bleek duidelijk wanneer men de cellen met agressieve chemicalien behandelde of fractioneerde door afdraaien in een centrifuge. Hoe ruw men ook te werk ging en wat men ook extraheerde, er bleef altijd een draderige reststruktuur over. Franke: “Biochemici waren in die struktuur nauwelijks geinteresseerd. In artikelen over celfractionering besteedde men aan het celskelet maar een enkel zinnetje. In de sectie Materialen & Methoden scheef men: 'Het laatste bezinksel werd weggegooid.'!”

Sinds de jaren zeventig heeft die desinteresse echter plaatsgemaakt voor een grote researchinspanning en zijn belangrijke bestanddelen van het celskelet tot in moleculair detail opgehelderd. Men kent de belangrijkste typen eiwitdraden, weet hoe ze uit kleinere subeenheden zijn opgebouwd, kent een groot aantal celtype-specifieke varianten (plus hun genen) en begrijpt steeds meer van de interacties die de skeleteiwitten met elkaar en met andere celbestanddelen aangaan.

Drie soorten draden

Het celskelet is opgebouwd uit drie verschillende soorten draden: de actinefilamenten, de microtubuli en de intermediaire filamenten. In alle drie de soorten gaat het om lange aaneengeregen ketens, opgebouwd uit duizenden afzonderlijke eiwit-bouwblokken. De microtubuli ontspruiten uit een centraal punt vlak bij de celkern, de actine- en intermediaire filamenten lopen kriskras door de cel (soms van de ene kant van de cel helemaal naar de andere) en zijn georganiseerd in grilliger verknoopte netwerken.

De intermediaire filamenten vormen relatief stabiele strukturen. De microtubuli en de actinefilamenten daarentegen zijn voortdurend onderhevig aan verandering, doordat ze beurtelings worden verlengd en afgebroken. Naast de eiwiteenheden waaruit de drie draadtypen zijn opgebouwd, zijn er ook vele eiwitten die fungeren als een soort moleculaire bouten en moeren. Sommige van deze eiwitten binden bijvoorbeeld actinefilamenten aaneen tot keurige parallelle bundels, terwijl andere ze juist in kriskrasorientatie met elkaar verknopen, als de wapening in vlechtbeton. Op hoger niveau zijn er bovendien regeleiwitten, die signalen van buitenaf omzetten in bevelen tot drastische reorganisatie van het celskelet (zie kader).

Van de drie hoofdtypen eiwitdraden vormen de intermediaire filamenten de permanentste en hardnekkigste strukturen. Ze benaderen daarmee het dichtst de rigide struktuur die men zich bij het woord 'skelet' voorstelt. De intermediaire filamenten ontlenen hun naam aan hun diameter (ca. 10 nanometer of 10 miljoenste millimeter), die in zit tussen die van de dikkere microtubuli en de dunnere actine-filamenten.

Alle intermediaire filamenten zijn volgens hetzelfde principe opgebouwd uit afzonderlijke eiwit-subeenheden. De moleculaire opbouw van de subeenheden varieert echter van het ene celtype tot het andere, met belangrijke verschillen voor de functie in de cel als gevolg.

Een belangrijke familie intermediaire filament-eiwitten zijn de keratinen, die veelvuldig voorkomen in epitheelcellen (cellen die de oppervlakten aan de binnen- en buitenkant van het lichaam bekleden). Uitgescheiden en verharde keratine-eiwitten vormen de belangrijkste bestanddelen van haar en nagels, maar daarnaast komen er in het celskelet van menselijke epitheelweefsels op zijn minst 20 verschillende 'zachte' varianten voor.

Franke: “Epitheelcellen, bijvoorbeeld in de darm, zijn georganiseerd in bekledingsweefsel van doorgaans een cellaag dik. Om samen met elkaar die laag te vormen, moeten de cellen hun celarchitectuur goed op die van de buren afstemmen. Ze moeten stevig en in de goede orientatie aan elkaar hechten. Voor die ordening zorgen de keratine-filamenten. Die bepalen niet alleen de architectuur van de cellen afzonderlijk, maar indirect ook die van het hele weefsel, doordat ze op de celmembraan met het skelet van buurcellen contact maken via speciale ankerpunten, de desmosomen.”

Niet alleen epitheelcellen bezitten hun eigen soorten intermediaire filamenteiwitten, maar ook zenuw-, spier- en nog vele andere typen cellen. Daarnaast bevat de celkern, het aparte kamertje in de cel waar de chromosomen worden bewaard, ter versteviging van zijn membraan ook eigen specifieke intermediaire filamenteiwitten, laminen genaamd. De grote diversiteit aan inermediaire filamenten maakt het mogelijk om cellen aan de hand van het celskelet nauwkeurig te typeren. Dit laatste gebeurt veelal met behulp van aangekleurde, eiwitspecifieke antilichamen.

Prof.dr. Frans Ramaekers van de Vakgroep Moleculaire Celbiologie en Genetica van de RU Limburg bijvoorbeeld gebruikt de intermediare filament-eiwitten als diagnostische merkers voor kankercellen. “We beschikken,” zegt hij, “over een groot aantal antilichamen tegen de diverse typen filamenteiwitten, die we daarmee zichtbaar kunnen maken. Kankercellen behouden doorgaans de intermedaire-filament eiwitten typerend voor de weefsels waaruit ze zijn ontstaan. Dat stelt ons in staat om de aard van een gezwel aan de hand van het celskelet te typeren. Tegenwoordig zijn er nog maar weinig pathologie-afdelingen te vinden waar men geen antilichamen tegen intermedaire filamenten voor de kankerdiagnostiek gebruikt.”

Door hun moleculaire opbouw zijn de intermedaire filamenten beter bestand tegen trekkrachten dan de microtubuli en de actinefilamenten. Voor de mechanische stevigheid zijn ze dan ook vermoedelijk veruit het belangrijkst. Een aanwijzing hievoor is de erfelijke huidziekte epidermolysis bullosa simplex, die bij patienten leidt tot ernstige blaarvorming wanneer de opperhuid ook maar licht wordt aangeraakt of ingedrukt.

De oorzaak, zo ontdekte prof. Elaine Fuchs van de Universiteit van Chicago, zit hem in mutaties in keratinegenen die specifiek tot expressie komen in de basaallaag van de opperhuid. Fuchs: “De mutaties zorgen voor een verzwakking van het keratinenetwerk, met als gevolg dat de cellen in de opperhuid onder mechanische druk gemakkelijk scheuren. Sommige vormen van de ziekte zijn zeer ernstig en kunnen leiden tot de dood van de patient. We hebben laten zien dat we een overeenkomstig ziektebeeld ook kunstmatig kunnen opwekken in transgene muizen met een gemankeerd keratinegen.”

Dynamische netwerken

De microtubuli en de actinefilamenten zijn veel dynamischer dan de intermediare filamenten. De oorzaak is dat ze aan de uiteinden beurtelings worden opgebouwd en weer afgebroken. Zo kunnen in een kort tijdsbestek ingrijpend andere strukturen ontstaan, vooral wanneer het proces ook nog eens wordt gecoordineerd door regel- en hulpeiwitten.

De microtubuli (latijn voor 'kleine buisjes') hebben een doorsnede van 25 nanometer en zijn opgebouwd uit twee vormen van het bolvormige eiwit tubuline. De tubulinebolletjes zijn aaneengeregen tot lineaire ketens, waarvan er 13 een hol cylindertje vormen, de microtubulus. Als gevolg van de orientatie waarmee hun beide tubulinesubeenheden zijn ingebouwd, bezitten microtubuli polariteit, waardoor ze aan het ene uiteinde (de pluskant) veel sneller aangroeien dan aan de andere (de minkant).

In de cel zijn de microtubuli met hun minkant stevig verankerd in een centraal punt bij de celkern. Als in- en uitschuivende antennes waaieren ze uit over het hele cytoplasma. Ze spelen een belangrijke rol bij het uitsorteren en verdelen van de chromosomen tijdens de celdeling. Een andere belangrijke taak van de microtubuli is dat ze de diverse celorganellen (afgezonderde compartimenten in de cel waarin gespecialiseerde reacties plaatsvinden) via hulpeiwitten op hun plaats houden.

Ze doen dit doordat ze fungeren als een soort transportrails voor motoreiwitten, moleculaire kiepkarretjes die elk hun specifieke lading (bijvoorbeeld een eiwitmolecuul of een heel celorganel) van of naar de celkern vervoeren. Er bestaan twee klassen van zulke transporteiwitten: de kinesinen, die (onder verbruik van chemische energie) van de min- naar de pluskant van de microtubuli lopen, en dyneinen, die de andere kant opgaan. De kinesinen en de dyneinen zorgen ervoor dat sommige celorganellen altijd dicht bij de celkern zitten terwijl andere steevast in de periferie van de cel te vinden zijn.

Het derde belangrijke bestanddeel van het celskelet is het netwerk van de actinefilamenten. Deze zijn van alle celskeletdraden het dunst en het zwakst,maar tevens het actiefst. Het zijn tweestrengige ketens, opgebouwd uit eenheden van het eiwit actine en met een diameter varierend van 5 tot 9 nanometer. Net als de microtubuli worden de actinefilamenten beurtelings verlengd en afgebroken en groeien ze sneller aan het ene uiteinde (de pluskant) dan aan het andere (de minkant).

In het gareel

Actinefilamenten zijn overal in het celsap te vinden, maar komen vaak in hoge concentraties voor in de zogeheten celschors, aan de uiterste periferie van de cel vlak onder de celmembraan. De actinefilamenten kunnen, afhankelijk van het type 'bouten en moeren' waardoor ze in het gareel worden gehouden, verschillende strukturen vormen: parallelle bundels, tweedimensionale vlechtwerken of driedimensionale 'gels'.

De actine-filamenten vormen de spierbundels van het celskelet. Door wisselwerking met onder andere het motoreiwit myosine zorgen ze voor mechanische beweging ten opzichte van membranen of andere actine-filamenten, en daarmee voor celbeweging. Veranderingen in het actinenetwerk in de celschors kunnen punt- of bladvormige uitstulpingen veroorzaken van de celmembraan. De 'pseudopodia' of schijnvoetjes waarmee amoeben over een ondergrond lopen zijn hiervan een voorbeeld.

Ook in diercellen lijken de actinefilamenten een bepalende rol te spelen in de celbeweeglijkheid. Dit werd onlangs dramatisch bevestigd door de ontdekking dat kankercellen hun vermogen tot uitzaaiing verkrijgen via activering van het actine-skelet (zie kader).

De intermediaire filamenten, de microtubuli en de actinevezels vormen met elkaar een razend complex driedimensionaal geheel, waarvan de dynamiek en de coordinatie nog maar zeer ten dele worden begrepen. Onderzoek naar het celskelet blijft lastig, doordat de ingewikkelde interacties tussen de vele gezuiverde bestanddelen niet of nauwelijks in de reageerbuis kunnen worden nagebootst. Een ding echter staat volgens Franke als een paal boven water: “Het celskelet is van vitaal belang voor de ruimtelijke ordening en het gedrag van cellen. De tijd is voorbij dat je cellen kunt beschouwen als simpele zakjes protoplasma. Wie de cel wil doorgronden, kan niet om zijn architectuur heen.”