'We moeten de taal van het eiwit ontrafelen'; BIOCHEMICUS ANTHONY PAWSON OVER DE WERKPAARDEN VAN DE CEL

Vorige week ontving Tony Pawson de dr. H.P. Heinekenprijs voor biochemie en biofysica. Hij ontleedt de taal waarin cellen met elkaar communiceren. 'Ik ben uit één cel ontstaan, hoe kan dat?'

DE BESTELDE koffie laat irritant lang op zich wachten. “Een goed voorbeeld”, zegt biochemicus dr. Anthony Pawson. “Ik zeg tegen de ober 'mag ik twee koffie', de ober zegt 'ja', maar het bericht komt niet door. Mijn signaal blijft ergens hangen. Daarom zitten we hier nog steeds zonder koffie. Zo kan het tussen onze lichaamscellen ook gaan. De ene cel geeft een signaal af, maar de ander verwerkt het niet goed. Dan kan er ziekte ontstaan, zoals kanker of diabetes.”

We zitten in de lounge van hotel l'Europe in Amsterdam. Pawson (45) vertelt hoe cellen met elkaar communiceren, en vooral, hoe een cel een binnenkomend bericht verwerkt. De biochemicus, verbonden aan het Samuel Lunenfeld Research Institute in Toronto, doet al jaren onderzoek naar deze zogeheten cellulaire signaalverwerking. Hij heeft belangrijke ontdekkingen gedaan op dit gebied. Daarvoor kreeg hij vorige week vrijdag de dr. H.P. Heinekenprijs uitgereikt. “Niemand wilde mijn vindingen in eerste instantie geloven. Ik ben uitgemaakt voor ketter”, zegt Pawson die een voorkeur voor blauw lijkt te hebben. Broek en stropdas zijn donkerblauw, het overhemd azuur. Aan zijn linkerhand draagt hij een gouden zegelring met een ingelegde, hemelsblauwe steen.

De ideeën van de biochemicus zijn inmiddels algemeen geaccepteerd en hebben de kijk op de interne organisatie van een cel totaal veranderd. “Eerst dacht men dat een signaal in een cel via een soort estafette van het ene molecuul op het andere wordt doorgegeven totdat het zijn einddoel bereikt. Het was een rechtlijnig proces. Nu weten we dat er een complex netwerk achter schuilt.”

Pawson vertelt met bezieling. In zijn enthousiasme probeert hij zoveel uit te leggen dat hij regelmatig struikelt over zijn woorden. Soms begint hij aan een zin om na drie woorden te stoppen en een nieuw begin te kiezen. De nieuwsgierigheid zit hem in het bloed. “Dat heb ik vooral te danken aan Michael Baron, mijn biologieleraar op de middelbare school”, aldus Pawson die in Maidstone, ten zuidoosten van Londen, opgroeide. “Als je onderwijs over wetenschap krijgt, hoor je meestal dingen die al bekend zijn. Maar wetenschap gaat juist over het ontdekken van het onbekende en over de drang om dat onbekende te ontrafelen. Michael wakkerde die belangstelling bij mij aan. Hij deed de vreemdste dingen. Ik herinner me dat er een beekje door het schoolterrein stroomde. Michael moest die rivier schoonhouden. Op een dag was hij bezig om onkruid uit het water te halen met een riek. Opeens zag hij een snoek. Hij spieste de vis aan zijn riek en we renden naar zijn laboratorium. Daar hebben we de vis uit elkaar gesneden en onderzocht.”

Pawson heeft een voorliefde voor biologische systemen. “Ik wil weten hoe organismen worden gevormd, hoe bijvoorbeeld de bedrading in ons brein wordt vastgelegd. Ik ben uit één cel ontstaan, hoe kan dat? Hoe worden de cellen gestuurd zodat er uiteindelijk een vlieg, een olifant of een mens ontstaat waarin de miljarden cellen precies doen wat ze behoren te doen? Ik heb... ik probeer... als je... dat wil ik begrijpen”, aldus de biochemicus die studeerde in Cambridge, promoveerde in Londen en via Berkeley en Vancouver uiteindelijk in 1985 neerstreek in Toronto. Daar is hij inmiddels hoofd van de afdeling Moleculaire Biologie en Kankeronderzoek. Pawson: “Cellen moeten communiceren om bijvoorbeeld een wond te dichten, of om een binnengedrongen virus of bacterie uit het lichaam te verwijderen. We richten ons op die communicatie, in het bijzonder de signaaloverdracht. Wat verandert er in de cel als er een bericht binnenkomt, hoe wordt het bericht verwerkt? En wat gebeurt er als een signaal niet of verkeerd wordt verwerkt?”

Bij die signaaloverdracht spelen eiwitten een cruciale rol. Het zijn de werkpaarden van de cel. Een menselijk lichaam bestaat uit miljarden cellen, in elke cel zwerven duizenden eiwitten. Sommige zijn betrokken bij de bouw van de cel, andere zetten opgenomen moleculen om tot bruikbare stoffen. En je hebt eiwitten die een rol spelen bij de signaalverwerking.

Eiwitten doen zich voor in twee gedaanten: ze slapen of zijn actief. Het verschil zit 'm in een enkel molecuul: fosfaat. Zodra er een fosfaatgroep aan een slapend eiwit wordt gekoppeld, 'ontwaakt' zo'n eiwit. Het wordt actief en vervult zijn biologische rol, voor zolang het gewenst is. Zit de taak erop, dan wordt de fosfaatgroep er weer afgehaald. Het aan- en afkoppelen van fosfaat gebeurt door speciale enzymen, respectievelijk de kinases en de fosfatases.

“Mag ik even je pen en notitieblok lenen”, vraagt Pawson opeens en hij begint driftig te tekenen. Hij tekent een halve cirkel. “De buitenkant van een cel”, zegt Pawson. Een stuk boven die lijn tekent hij een blokje. “Insuline.” Daarna volgt een Y waarvan de poot door de halfcirkelvormige lijn steekt. “De insuline-receptor.” Pawson legt vervolgens uit hoe men ooit over signaaloverdracht dacht. “Het oude idee was als volgt: een cel in de alvleesklier geeft insuline af. Dat hormoon zwerft door het lichaam en komt enkele minuten later bij een cel terecht, bijvoorbeeld een spiercel, die een insuline-receptor op zijn oppervlak draagt. Insuline koppelt aan de receptor. Zodra de koppeling tot stand is gekomen geeft de receptor een signaal af aan de binnenkant van de cel. Het signaal wordt opgevangen door een bepaald kinase dat vervolgens een fosfaatgroep aan een eiwit koppelt. De fosfaatgroep wordt vervolgens in een soort estafette van het ene op het andere eiwit overgedragen. Het is dus een cascade, een rechtlijnig proces. Het signaal zorgt er uiteindelijk voor dat de spiercel glucose uit het bloed gaat opnemen, zodat de bloedsuikerspiegel daalt.”

“Maar”, zegt Pawson, “het blijkt anders te werken. Insuline bindt inderdaad aan zijn receptor, die vervolgens inderdaad een signaal afgeeft. Maar dan volgt geen cascade. Nee, het signaal werkt juist als een magneet. Er komen allerlei eiwitten naar de membraan die zich in de buurt van de receptor scharen. Daar koppelen de eiwitten allemaal aan elkaar, ze vormen een complex. De uitkomst is vervolgens hetzelfde, de bloedsuikerspiegel gaat omlaag.”

Het lijkt om een subtiel verschil te gaan. Klopt dat?

Pawson: “Nee, het onderscheid is zeer diepgaand. Als je er over praat klinkt het misschien niet zo schokkend. De meesten zeggen nu: ja logisch dat het zo werkt. Maar tien jaar geleden was het wel degelijk verrassend en ongewoon. Je praat over het verschil tussen een rechtlijnig en complex systeem. Toen ik mijn eerste resultaten presenteerde werd ik uitgescholden. Mensen wilden het niet accepteren.”

Hoe binden al die eiwitten dan aan elkaar?

“Dat is de eigenlijke vondst van mijn werk. De binding verloopt via zogenaamde domeinen. Een eiwit is opgebouwd uit een keten achter elkaar geschakelde aminozuren. Een daarvan is tyrosine. Dat aminozuur speelt een belangrijke rol bij het activeren van een eiwit. Daarvoor moet je weer even aan die fosfaatgroep denken en het aan- en uitschakelen van eiwitten. Fosfaat wordt niet zomaar aan ieder aminozuur gekoppeld, vaak gebeurt dat aan tyrosine. Denk nu weer aan de insulinereceptor. De ene kant van die receptor steekt uit het celoppervlak, de andere kant steekt naar binnen, de cel in. Zodra de receptor een insulinemolecuul invangt, wordt er een fosfaat op een tyrosine gezet, op dat staartstuk dat de cel in steekt. Sommige eiwitten die rondzwerven in de cel herkennen nou juist zo'n gefosforyleerd tyrosine en koppelen daaraan. Dat gebeurt via een speciaal domein, het SH2-domein. Mijn groep heeft het bestaan van het SH2-domein voor het eerst aangetoond.”

Hoe ziet dat SH2-domein er precies uit?

“Het bestaat uit ongeveer honderd aminozuren die, als je het ruimtelijk tekent, een hart vormen. Het SH2-domein herkent niet alleen een gefosforyleerd tyrosine, maar ook de aminozuren die daar meteen naast liggen. Inmiddels kennen we meer dan honderd verschillende SH2-domeinen. Ze komen allemaal op het tyrosine af, maar ze herkennen net iets andere omliggende aminozuren. Daarmee bereik je een enorme specificiteit. Als een of andere receptor wordt geactiveerd, bindt alleen het eiwit met het juiste SH2-domein daaraan.

“Inmiddels zijn er ook andere domeinen ontdekt. Zo kan een eiwit een SH3-domein bezitten. Dat herkent een ander aminozuur, namelijk een opeenvolging van twee of drie prolines. Het PH-domein herkent vetachtige verbindingen. Omdat een eiwit meer domeinen kan bezitten, kan het allerlei eiwitten aan zich binden. Maar de complexiteit gaat nog verder. Een gefosforyleerd eiwit kan zelf ook een domein herbergen zodat het zelf weer aan een ander gefosforyleerd eiwit koppelt. Zo ontstaan zeer ingewikkelde complexen van eiwitten die signalen verwerken. Neem daarbij dat een cel in een fractie van een seconde duizenden signalen ontvangt en je kunt je voorstellen hoe complex de hele zaak in elkaar zit.”

Is dit systeem uniek voor meercellige organismen?

“Het SH2-domein vind je alleen bij meercelligen. Maar het SH3-domein vind je ook al bij eencelligen, zoals gist. Die gebruikt hij bijvoorbeeld om de osmolariteit van de buitenwereld te bepalen, de mate waarin die water onttrekt aan de gistcel. Als die ongunstig is kan er via dat SH3-domein een signaal worden doorgegeven met als resultaat dat gist verhuist naar een plek waar de omstandigheden gunstiger zijn.”

Zit het systeem van de domeinen logisch in elkaar?

“Het is een vreemd systeem. Als je zelf iets zou moeten ontwerpen, zou je niet met zoiets op de proppen komen. Het heeft wat ruwe randen zo te zeggen, het lijkt op lego. Het is eenvoudig in elkaar te zetten en het evolueert makkelijk. Je hebt een SH2-domein en klaar ben je. Kleine veranderingen in het domein gaan samen met subtiele veranderingen in receptoren en signalen. Daarmee heb je de mogelijkheid om complexe systemen te bouwen. Als je meteen iets heel ingewikkelds zou maken is het erg moeilijk om nog iets te veranderen.”

Soms gaat het fout met de signaaloverdracht. Heeft u daar voorbeelden van?

“Soms krijgt een cel het signaal om iets te doen, soms krijgt hij het signaal om iets niet te doen. Delen bijvoorbeeld. Als dan zo'n signaal niet goed wordt verwerkt, kan de cel zich blijven delen. Er ontstaat kanker. Fouten in de erfelijke informatie voor de domein-eiwitten kan aanleiding geven tot kanker. Een ander voorbeeld is dat van erythropoëtine, EPO. Dat hormoon bindt aan de EPO-receptor, die receptor fosforyleert en trekt eiwitten aan met SH2-domeinen. Die zorgen er uiteindelijk voor dat er meer rode bloedcellen worden aangemaakt. Nu zit er ook een rem op dit systeem. De EPO-receptor heeft een staart waaraan een remmend eiwit bindt. Dat blokkeert de doorgifte van het signaal. Nou is er een Finse familie bekend waarbij die staart van de EPO-receptor vanwege een erfelijke fout ontbreekt. Ze hebben geen rem op de aanmaak van rode bloedcellen. Je kunt je voorstellen dat hun zuurstofvoorziening goed op peil is. Er is een Finse cross country-skiër die dezelfde mutatie heeft en inmiddels drie gouden medailles heeft gewonnen.

Uw werk concentreert zich op eiwitten. Maar er is de laatste jaren vooral aandacht voor genetica. Soms krijg je de indruk dat alles om de genen draait. Klopt dat?

“Ik denk niet dat de genen overschat worden. Misschien lijkt dat nu zo door het Human Genome Project dat alle 60.000 tot 100.000 menselijke genen in kaart probeert te brengen. Dat project is al flink gevorderd en brengt veel nieuws. Maar ik merk nu al dat de aandacht begint te verschuiven in de richting van het eiwitwerk. Kijk, DNA is als molecuul nogal saai. Het draagt een code die van ouder op kind wordt overgedragen. De aard van die code is dat hij informatie bevat voor de aanmaak van eiwitten en het zijn de eiwitten die in de cel al het werk doen. We kennen nu alle zesduizend-en-nog-wat genen van gist. We weten dat de mens ongeveer tien keer zoveel genen heeft. Genetisch zijn we tien keer zo gecompliceerd als gist, maar fysiek veel en veel meer.

“Genen worden in allerlei verschillende combinaties gebruikt waardoor het niveau van complexiteit enorm toeneemt. Eiwitten werken in ingewikkelde complexen. Er bestaan verschillende complexen in verschillende cellen in verschillende weefsels. We moeten die taal van de eiwitten nu gaan ontrafelen. Ik wil niet gewichtig klinken, maar zoals we vanaf 1953 over de genetische code begonnen te leren, zo leren we nu over de eiwitcode. We krijgen zicht op een nieuwe moleculaire taal.

“Als we alle genen van de mens kennen, hebben we de informatie om een cel in elkaar te zetten. We kennen de genen en leiden daaruit de eiwitten af. De uitdaging voor de toekomst is te begrijpen hoe eiwitten met elkaar praten. In de genetica bestaan nu technieken om op een willekeurig tijdstip na te gaan welke genen in een cel actief zijn. Zo krijg je een genetische momentafdruk. Je kunt een cel zo in de tijd volgen en nagaan welke genen hij gebruikt als hij zich gaat delen, of als hij ontaardt in een kankercel. Dit veld van genomics is de laatste jaren sterk ontwikkeld. Er ontstaat nu een vergelijkbaar veld binnen het eiwitonderzoek, dat van de proteomics.

“Ik vergelijk het eiwitwerk met de ontwikkeling van de zogenaamde A-to-Z map van Londen. Dat was in eerste instantie niet meer dan een lijst van straatnamen. Nu heb je een complexe kaart waar alle steegjes en kleine straatjes op staan. Van het eiwitten hebben we onderhand de hele lijst en we zijn op weg naar de complexe kaart.”