Werkende eiwitten in de cel betrapt

Structuurveranderingen van eiwitten zijn te volgen binnenin een biologische cel. Rob van den Berg

Plaatjes van de ‘ruggengraat’, opgebouwd uit stikstof- en koolstofmoleculen van een ijzerbindend eiwit, binnenin de bacterie E. coli (links), gemaakt met kernspinresonantie (NMR). Onder (deze foto) en rechts: modelmatige weergaven van dezelfde eiwitstructuur. Illustraties Nature
Plaatjes van de ‘ruggengraat’, opgebouwd uit stikstof- en koolstofmoleculen van een ijzerbindend eiwit, binnenin de bacterie E. coli (links), gemaakt met kernspinresonantie (NMR). Onder (deze foto) en rechts: modelmatige weergaven van dezelfde eiwitstructuur. Illustraties Nature Nature

Voor het eerst is het gelukt de driedimensionale structuur van eiwitketens met hoge resolutie in beeld te brengen, terwijl de eiwitten in cellen aan het werk zijn. Opvallend is dat daarvoor eigenlijk niet veel méér nodig was dan het combineren van reeds bestaande technieken voor het prepareren van de cellen en het vastleggen en verwerken van de benodigde signalen. De relatieve eenvoud van beide methoden maakt ze breed toepasbaar, bijvoorbeeld bij het zoeken naar betere geneesmiddelen – hoe komen die een cel binnen en waar binden ze – of het volgen van structuurveranderingen in eiwitten die leiden tot het ontstaan van ziektes als Creutzfeldt-Jakob. Het begeleidend commentaar laat er in elk geval geen twijfel over bestaan: ‘Dit werk opent een nieuw tijdperk in de structurele biologie’ (Nature, 5 maart).

KERNSPINRESONANTIE

Eiwitten in levende cellen werken alleen – als enzym of bouwsteen – als ze de juiste ruimtelijke structuur hebben. Om een beter inzicht te krijgen in de werking van eiwitten wordt er dus al vele tientallen jaren onderzoek gedaan om die structuur te bepalen. Aanvankelijk gebeurde dat met röntgendiffractie, waarbij een eiwitkristal met röntgenstraling wordt ‘belicht’. De straling verstrooit door de elektronenwolken in het kristal. Dankzij de regelmaat van de atomen in het kristal ontstaat achter het kristal een stippenpatroon waaruit de positie van de atomen in het kristal kan worden berekend. Een andere methode is het gebruik van hoogfrequente radiogolven en een magneetveld, een in de scheikunde en biologie veelgebruikte techniek die bekend staat als kernspinresonantie (meestal afgekort met het Engelse acroniem NMR). NMR detecteert atomen met een kernspin: het waterstofatoom is de belangrijkste voor biochemische toepassingen, maar de machine kan ook worden ingesteld op zeldzame isotopen als 15N. Voordeel van NMR is dat ze toepasbaar is op eiwitten in oplossing. De eiwitkristallen waar röntgenkristallografen mee werken, komen in de natuur niet voor, want een werkend eiwit is ‘in oplossing’, omringd door water en mineralen, of is gebonden in een celmembraan. Beide technieken hebben er voor gezorgd dat er sinds de jaren vijftig van de vorige eeuw meer dan 50.000 eiwitstructuren zijn opgehelderd, het overgrote deel met röntgenkristallografie.

Dat is mooi, maar wie een eiwitstructuur heeft bepaald, weet nog niet meteen hoe zo’n eiwit werkt. Er waren wel methoden om daar achter te komen, bijvoorbeeld het systematisch vervangen van een aminozuur in de eiwitketen door een ander. Dat is tegenwoordig met genetische manipulatie makkelijk te doen. Het gemuteerde eiwit werd dan in de cel teruggebracht om te bepalen hoe het zijn werk nog doet. Deze tijdrovende methode biedt geen uitsluitsel over tal van subtiele interacties die een eiwit nog ondergaat in een cel met zijn hoge concentratie aan ‘andere’ moleculen. NMR kan dat wel. Als tenminste het stikstof in het eiwit voor een flink deel bestaat uit het in de natuur zeldzaam voorkomende 15N. Dan is het NMR-signaal van alleen dat eiwit op te vangen.

Belangrijker is dat Daisuke Sakakibura en zijn collega’s een oplossing vonden voor het probleem dat eiwitten in levende cellen geen lang leven beschoren is. In elk geval niet lang genoeg voor het vastleggen van alle benodigde NMR-signalen. Dat duurt normaal gesproken voor een volledig eiwit al snel een dag of twee. De onderzoekers poetsten daarom een bekende, maar weinig toegepaste NMR-techniek op en wisten daarnaast aan de hand van betere dataverwerking de meettijd te verkorten tot twee à drie uur. Zo konden zij de structuur bepalen van een metaalbindend eiwit in een bacterie. Er kwamen een aantal opvallende verschillen aan het licht met de eiwitstructuur zoals die eerder was bepaald.

EIWITCONCENTRATIE

Kohsuke Inomata en zijn collega’s van verschillende universiteiten in Kobe, Tokio en Kyoto maakten het zich wel erg moeilijk door eiwitten niet in bacteriële, maar in menselijke cellen te willen bestuderen. De natuurlijke eiwitconcentratie is daarin veel lager dan in bacteriën, dus is het vastleggen van de NMR-signalen veel lastiger. Ook het direct injecteren van de gelabelde eiwitten in de cel is erg lastig, omdat menselijke cellen daarvoor te klein zijn. Daarom gebruikte Inomata een klein transporteiwit om het met isotopen gelabelde eiwit de cel in te krijgen. Dit is in staat om het celmembraan te doorboren en zijn lading in de cel af te leveren. Toen op deze manier de concentratie van de te onderzoeken eiwitten voldoende hoog was geworden, kon Inomata beginnen met het opnemen van de NMR-spectra. Zij legden onder meer de binding vast tussen het eiwit FKBP12, dat actief is in het immuunsysteem, en twee verschillende medicijnen die patiënten krijgen om na een orgaantransplantatie afstotingsreacties tegen te gaan.

Ook bestudeerden ze de structuur van het kleine, maar in de cel alom aanwezige eiwit ubiquitine, dat onder meer aangeeft welke eiwitten niet langer nodig zijn en vernietigd kunnen worden. Dit bleek een uitermate beweeglijke structuur te hebben, hoogstwaarschijnlijk omdat het aan tal van verschillende eiwitten moet kunnen binden. Beide technieken verschaffen onderzoekers nu de mogelijkheid om te meten hoe de structuur van een eiwit verandert als het reageert op zijn natuurlijke omgeving.