Reizen door een groene microkosmos

Een cel maakt soms wel vijf miljoen eiwitten per minuut aan. Hoe komen ze allemaal op hun juiste bestemming? Prof.dr. Hans Geuze bestudeert dat transport. `Het is een razend druk verkeer.'

HET MENSELIJK lichaam telt 10.000 miljard cellen. En één enkele cel produceert soms wel vijf miljoen eiwitten per minuut. ``Hoe vaak je daar ook over nadenkt, het blijft onvoorstelbaar'', zegt prof.dr. Hans Geuze, hoofd van de afdeling Celbiologie aan de Universiteit Utrecht. ``Vijf miljoen eiwitten per minuut. Hoe regelt een cel dat allemaal? Wat gebeurt er met een eiwit zodra het is aangemaakt? Waar gaat het naar toe? Hoe zorgt een cel ervoor dat al die miljoenen eiwitten hun juiste bestemming bereiken?''

Om dat massale eiwitverkeer door de cel te kunnen volgen, gebruiken de Utrechtse celbiologen de elektronenmicroscoop (EM). Het apparaat heeft een resolutie van 0.005 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter), voldoende om kleine cellulaire structuren in beeld te krijgen. Het EM-onderzoek van Geuze richt zich met name op het transport van eiwitten door de cel. Welke eiwitten dan ook. Supergrote eiwitten, virus-eiwitten, spijsverteringsenzymen, hormonen, het bij Alzheimer betrokken eiwit APP. ``Het is een razend druk verkeer. Het ene eiwit moet naar een lysosoom, dat is de recyclingmachine van de cel. Andere moeten in de celmembraan terecht komen, weer andere moeten de cel verlaten. En dan komen er ook nog voortdurend eiwitten van buitenaf de cel in. Dat gaat in sneltreinvaart door. Hoe de cel dat allemaal regelt?''

Met haar onderzoek haalt de groep van Geuze regelmatig de belangrijke vakbladen. Afgelopen december en juli verschenen er bijvoorbeeld nog publicaties in Cell, het vakblad met de hoogste impactfactor op het gebied van de moleculaire en celbiologie. Bovendien gaat de groep van Geuze binnenkort deel uitmaken van de toponderzoekschool Biomedische Genetica, die op 11 oktober officieel wordt geopend.

Geuze betreurt het dat hij zijn specialisme de laatste jaren in de verdrukking raakt. ``De EM-deskundige is in snel tempo een uitstervende soort aan het worden'', schreef hij in maart in het vakblad Trends in Cell Biology. Geuze: ``Voor elektronenmicroscopie heb je een goed getraind oog nodig. Het duurt jaren voordat je een ervaren EM-morfoloog bent en die tijd wil de moderne, snelle student zich niet gunnen. Het ophelderen van genen gaat sneller en is moderner. Bovendien heeft EM-onderzoek een ouderwets en saai imago, de hele dag een beetje achter die microscoop zitten turen. Maar dat is idioot. Als je door de microscoop kijkt zie je een indrukwekkende microkosmos.''

Onlangs nog loste Geuze, samen met een aantal collega's uit Utrecht en onderzoekers uit Italië, een lang slepend raadsel op omtrent het zogeheten Golgi-transport (Cell, 23 december, 1998). Al jaren vraagt men zich af hoe grote eiwitten worden vervoerd door het Golgi-apparaat, een belangrijk onderdeel van de cel. Het is een serie op elkaar liggende, platte blaasjes. Ze lijken op een stapel dubbelgevouwen pannekoeken. ``Die vraag hebben we nu beantwoord, voornamelijk door werk met de elektronenmicroscoop'', zegt Geuze.

Het eiwittransport begint met het aflezen en vertalen van een gen. Uit die informatie ontstaat een coderend eiwit. Zodra dat is aangemaakt komt het terecht in het endoplasmatisch reticulum (ER), een uitgebreid netwerk van onderling verbonden buizen en blaasjes. Van daaruit belandt een eiwit in het Golgi-apparaat, de stapel pannenkoeken. Een zo'n pannenkoek heet een cisterne. Men denkt dat de meeste kleine eiwitten van de ene naar de andere cisterne worden vervoerd via blaasjes. Zo doorlopen die eiwitten de hele stapel. Uit de laatste cisterne worden die eiwitten, weer in blaasjes, vervoerd naar hun eindbestemming.

Voor grote eiwitten moet er een andere transportroute zijn. ``Supereiwitten zijn vaak zo groot dat ze niet in een blaasje passen'', aldus Geuze. Het alternatief heet het rijpingsmodel. Daarbij belanden de eiwitten in een cisterne die ze vervolgens niet meer verlaten. De cisterne beweegt zich langzaam omhoog door het Golgi-apparaat. Het werkt als een soort lopende band. De bovenste cisternen verdwijnen een voor een, onderaan komen er steeds weer nieuwe bij. Tijdens zijn weg omhoog rijpt de cisterne. De omstandigheden, bijvoorbeeld de zuurgraad, veranderen waardoor de getransporteerde eiwitten zich gaan samenpakken. Aan het eind van de route wordt de cisterne afgebroken, de samengepakte eiwitten bereiken uiteindelijk de celmembraan en verlaten de cel.

peesweefsel

Geuze en zijn collega's hebben nu aangetoond dat het rijpingsmodel klopt. Tenminste voor het enorme eiwit procollageen dat ze volgden. Dat eiwit is de voorloper van collageen, een essentieel bestanddeel van bindweefsel. De celbiologen kozen voor hun onderzoek speciale cellen: fibroblasten uit peesweefsel, dat zijn specialisten in het maken van procollageen. Via EM-werk konden ze aantonen dat procollageenmoleculen inderdaad worden vervoerd in rijpende cisternen. Tijdens de rijping pakken de enorme procollageenmoleculen zich steeds meer samen. Ze vormen enorme complexen. Het Cell-artikel spreekt van een `supermoleculaire lading'. ``Nu vragen we ons af of die rijpingsroute ook opgaat voor andere supermoleculen. En we willen weten of het ook in andere celtypen voorkomt. Bovendien vraag je je meteen af of een cel het transport van kleine en grote eiwitten kan combineren; kunnen cisternen rijpen terwijl ze tegelijkertijd blaasjes afscheiden? Ook weten we nog niet hoe procollageen van het ER in het Golgi terecht komt. Normaal gebeurt dat via blaasjes. Maar procollageen is zo'n enorm molecuul, hoe past dat ooit in zo'n blaasje? Datzelfde geldt voor het transport vanaf het Golgi naar de celmembraan. Wellicht bestaan er transportroutes die we nog niet kennen.''

Geuze herinnert zich nog steeds die eerste keer dat hij door een elektronenmicroscoop keek. Dat was aan het eind van zijn promotie-onderzoek aan de Vrije Universiteit in Amsterdam. Hij onderzocht de statocysten van de poelslak Lymnea stagnalis. ``Statocysten liggen in de hersenen. De slak heeft er twee van, het zijn net steentjes. Toen ik mijn onderzoek begon was hun functie niet duidelijk. Om dat te achterhalen moest ik ze beschadigen. Ik verdoofde een slak en maakte twee sneetjes achter in het halsgebied. Als ik dan de huidflapjes opzij trok keek ik zo tegen twee glinsterende steentjes aan, de statocysten. Vervolgens nam ik een insectenspeld – ik was destijds een fervent vlinderverzamelaar. Dan boog ik het puntje van de speld ietsje om en daarmee had ik een handig gereedschap om de orgaantjes lek te prikken. De geopereerde slakken die uit de narcose bijkwamen konden zich niet meer normaal voortbewegen. Ze waggelden. Poelslakken leven in het water en komen geregeld naar het oppervlak om lucht te happen. Maar dat konden deze slakken niet. Ze waren hun oriëntatie kwijt. Daarmee was de functie van de statocysten opgehelderd. Het waren evenwichtsorgaantjes.''

Op de valreep van zijn promotie-onderzoek, wilde Geuze de statocysten in detail onderzoeken. Hij besloot ze onder de pas aangeschafte elektronenmicroscoop te bekijken. ``Ik was met stomheid geslagen. Het cytoplasma van de cellen kleurde helder groen, ik zag de prachtigste cellulaire structuren die ik alleen uit de boeken kende. Ik wist toen dat ik voorlopig alleen maar EM-onderzoek wilde doen.'' Midden jaren zestig verhuisde hij naar de Universiteit Utrecht. Daar viel de jonge post-doc met zijn neus in de boter. ``Ik kreeg met een totaal andere vraagstelling te maken. Men richtte zich in Utrecht op de binnenkant van de cel. Dat was nieuw voor die tijd.''

Eiwitten waren destijds nog niet te onderscheiden, daarvoor was de techniek nog niet ver genoeg ontwikkeld. Dat werd pas begin jaren tachtig mogelijk toen K.T. Tokuyasu de immuno-EM ging toepassen op zeer snel bevroren cellen. Bij deze techniek maak je een antilichaam tegen het eiwit dat je wil bestuderen. Aan dat antilichaam koppel je een label dat onder de elektronenmicroscoop zichtbaar is. Daarna breng je antilichaam en label aan op de vriescoupe, een flinterdunne doorsnede door het te bestuderen groepje cellen. Het antilichaam hecht aan het te bestuderen eiwit, aan het label kun je zien waar dat eiwit zich ergens in de cel bevindt. Geuze: ``De methode van Tok, zoals hij in de wandelgangen heet, betekende een doorbraak. We konden eiwitten volgen.We hadden ineens toegang tot die enorme stroom van moleculen. Een collega van mij, Jan-Willem Slot, is meteen naar San Diego afgereisd om zich de techniek door Tok te laten aanleren.''

Maar de methode van Tokuyashu bleek erg bewerkelijk. ``Hij koppelde eerst twee antilichamen aan elkaar en daarna kwam pas het label. Jan-Willem Slot, inmiddels weer terug in Utrecht, introduceerde daarom al snel de goudlabeling. Daarbij heb je een antilichaam waaraan je een goudbolletje koppelt. In de loop van de jaren hebben we deze techniek verder verfijnd. We gebruiken nu goudbolletjes van verschillende grootte, uiteenlopend van 1 tot 20 nanometer. Zo kun je meerdere eiwitten volgen. Voor elk eiwit gebruik je een goudbolletje van een andere grootte.''

Eén van de centrale vragen bij het transport van eiwitten betreft hun sortering. Hoe weet een cel waar al die miljoenen eiwitten naartoe moeten? Hoe weet een pancreascel dat hij het spijsverteringsenzym amylase moet uitscheiden, terwijl hij enzymen voor de energiehuishouding naar de mitochondriën moet loodsen? ``Signalen,'' zegt Geuze. ``Een eiwit is een rij van aan elkaar gekoppelde aminozuren. Sommige aminozuren spelen een rol als routewijzer.'' Een voorbeeld is de KDEL-code, een opeenvolging van de vier aminozuren lysine, aspartaat, glutamaat en leucine. Komt deze volgorde in een eiwit voor, dan blijft het in het ER. Daar zitten KDEL-receptoren die de aminozuur-code herkennen en alle eiwitten met de KDEL-code in het ER houden. Zo bevat een eiwit allerlei signalen die hem naar de juiste eindbestemming loodsen.

Iets dergelijks geldt voor het transport van blaasjes. Aan de wand van veel blaasjes zitten manteleiwitten die als een soort postcode dienen. Aan de hand van het type manteleiwit weet de cel waar een blaasje naartoe moet. Er zijn veel soorten manteleiwitten: de adaptors, de SNARES, de familie Rab. Van die laatste zijn tot op heden tien leden bekend. Blaasjes met Rab1 en Rab2 aan hun wand, komen bij het Golgi terecht. Blaasjes met Rab3 worden naar de celmembraan geloodsd. ``Bij het blaasjestransport van het ER naar het Golgi speelde trouwens nog een interessante vraag,'' zegt Geuze. ``Als zo'n blaasje zich afscheidt van het ER, gaat er een stuk membraan van het ER mee. Dat kan niet eindeloos doorgaan, anders verdwijnt het ER binnen de kortste keren. Dat membraan moet weer worden aangevuld. Het blijkt dat 95 procent van het membraan dat het ER verlaat, weer terugkomt. Maar hoe werkt dat?''

blaasjestransport

De groep van Geuze onderzocht dat aan cellen van de alvleesklier. Ze richtten zich daarbij op de manteleiwitten COP1 en COP2, die betrokken zijn bij het blaasjestransport tussen ER en Golgi. Bij veel baasjes die van het Golgi afsplitsten troffen de onderzoekers in de membraan COP1 aan. Die blaasjes bleken niet de bekende route af te leggen, van de ene cisterne naar de andere, maar ze keerden terug naar het ER (Cell, 9 juli). ``Er blijkt een massaal membraantransport te zijn van het Golgi terug naar het ER,'' zegt Geuze. ``COP1 speelt daarbij een belangrijke rol. De membraan van de Golgi-cisternen bevat op sommige plekken een hoge concentratie aan COP1. Rondom die plekken concentreren zich de eiwitten die terug moeten naar het ER. Spijsverteringsenzymen zoals amylase en chymotrypsine blijven uit de buurt van COP1. Zij moeten verder door het Golgi, naar de celmembraan en vervolgens moet de pancreascel deze enzymen uitscheiden.''

Binnenkort hoopt Geuze een nieuw apparaat te kunnen aanschaffen, een high-pressure freezer. ``In dat apparaat kun je cellen in een paar milliseconden bevriezen. Dat is essentieel als je membraanprocessen wil volgen. Bij de huidige techniek gebruiken we aldehyde om cellen te fixeren. Deze stof heeft een paar seconden nodig om in de cel door te dringen en lipiden vast te leggen. In die tijd beëindigt de cel nog snel processen als membraanafknoppingen en -fusies. We vangen die gebeurtenissen daarom bijna nooit in het moment. Met dat nieuwe apparaat kan dat wel.''

De groep van Geuze, inmiddels al een aantal jaren onderdeel van het Instituut voor Biomembranen, richt zich daarmee op een nieuw onderzoeksveld. Geuze: ``We bedrijven moleculaire topografie en de membraanlipiden zijn nog slecht vertegenwoordigd op onze kaarten. Daar willen we verandering in brengen.''

    • Marcel aan de Brugh