Wakker door de eiwitklok

De oudste klok is geen zonnewijzer, maar een enzym uit de tijd dat er nog geen zuurstof was. De klok werkt bij alle levensvormen.

Medewerker Biologie

Hoe laat is het? Dag en nacht vragen organismen zich dit af. De mimosa moet al voor het donker zijn blaadjes dichtvouwen, anders verliest hij onnodig water. Vissen moeten twintig minuten voor het eerste licht hun ogen activeren, anders missen ze prooien. Algen moeten al aan het eind van de nacht hun fotosynthesemachines aanmaken, anders verliezen ze kostbare tijd.

Een internationale onderzoeksgroep uit Cambridge onder leiding van Akilesh Reddy, heeft nu aangetoond dat in bacteriën, schimmels, planten, dieren en mensen eenzelfde moleculaire klok tikt. Deze universele klok is een enzym, een anti-oxidant met de naam peroxiredoxine. Onafhankelijk van temperatuur, licht en genetische processen breekt dit enzym in een ‘eigen’ ritme van 24 uur schadelijke zuurstofverbindingen af.

De onderzoekers vermoeden dat deze eiwitklok 2,5 miljard jaar geleden is geëvolueerd tijdens de zogeheten Great Oxidation Event (GOE). In die nog zuurstofloze periode gingen de eerste ‘groene’ eencelligen water en kooldioxide omzetten in suikers en zuurstof, met zonlicht als energiebron. Alleen wie op tijd was voorbereid op gevaarlijke zuurstofverbindingen overdag, overleefde. ‘Sinds eencelligen zuurstof produceren zijn moleculaire klokken samen met stofwisselingsprocessen geëvolueerd’, suggereren de onderzoekers in het tijdschrift Nature van vorige week.

„Interessante hypothese”, reageert chronobioloog Menno Gerkema van de Rijksuniversiteit Groningen. Maar voor het ontstaan van die klok zou hij eerst meer bewijzen willen zien. Zeker is wel dat nu voor het eerst een universele klok is gevonden. „Dat eiwitklokken belangrijk zijn, vermoedden we al lang. Maar eerder hadden we de technieken niet om die te vinden.”

In 1986 toonden biologen voor het eerst aan dat ook primitieve eencelligen ‘slapen’, en dat ze hiervoor een biologische klok hebben. Blauwwieren produceren overdag zuurstof en binden ’s nachts stikstof uit de lucht; bij kunstlicht blijven ze dat nog minstens 48 uur doen. Daarna bleken ook bij bacteriën, schimmels en humane celkweken processen als sporenvorming en celdeling volgens dag- en nachtritmes te verlopen, ook als ze 48 uur in licht of donker werden gehouden. Hoe wisten die cellen hoe laat het was? De afgelopen twintig jaar publiceerden chronobiologen vooral over ‘klokgenen’. Die biologische klokken functioneren volgens genetische ‘lussen’: het klokgen zorgt voor eiwit, het eiwit remt het ‘eigen’ klokgen, na een vaste periode is alle eiwit uit elkaar gevallen, het klokgen zorgt weer voor eiwit en zo lopen die lussen maar door. Maar de gevonden klokgenen konden niet de oudste klokken zijn, want in bacteriën, planten en dieren waren ze niet hetzelfde.

Reddy en collega’s gingen op zoek naar andere klokken, onder andere in rode bloedcellen. Deze cellen hebben geen DNA en dus ook geen klokgenen. Vorig jaar toonde deze groep al aan dat het enzym peroxiredoxine in rode bloedcellen volgens een dag- en nachtritme zuurstofradicalen omzet, onafhankelijk van genetische processen, temperatuur en licht. Ook toonden ze dit aan in Ostreococcus tauri, een primitieve alg waarbij ’s nachts het héle DNA stilligt. Ook in die alg bleef het peroxiredoxine op vaste tijden zuurstofradicalen omzetten, zelfs in volslagen duister (Nature, 27 januari 2011).

En nu is dan aangetoond dat hetzelfde peroxiredoxine ook als klok fungeert in de primitieve, zouttolerante bacterie Halobacterium salinarum, de zandraket, de fruitvlieg, de roetminnende schimmel Neurospora crassa, de muizenlever en de suprachiasmatische kern van de muis, het piepkleine stukje hersenweefsel dat volgens een dag- en nachtritme het bloeddrukverlagende hormoon vassopressine produceert.

De onderzoekers laten zien dat het actieve stukje klokenzym er in alle organismen precies hetzelfde uitziet. Met geavanceerde technieken toonden ze aan dat het enzym steeds op vaste tijden actief was. Wanneer de klokgenen werden uitgeschakeld was dat ook zo, maar dan lag de verschijningspiek net wat later of eerder, of er was meer of minder activiteit. ‘De universele klokken op eiwitniveau zijn dus wel verweven met klokmechanismen die later zijn ontstaan’, schrijven de onderzoekers.

Menno Gerkema sluit meer eiwitklokken niet uit. „Eiwitklokken lijken de meest autonome klokken, de klokken die het minst door de omgeving worden beïnvloed.” Net als veel chronobiologen onderzoekt ook Groningen verbanden tussen onze 24-uurseconomie, biologische klokken die in de war raken en de kans op ziektes. Maar Gerkema ziet voorlopig nog geen medicijnen ontwikkeld worden die bijvoorbeeld eiwitklokken reguleren. „Daarvoor moeten we eerst beter weten wat ze in de mens doen.”