Het gistproteoom: nieuw gereedschap op de werkvloer Understand article

Vertaald door Małgorzata Duszczyk. Russ Hodge van het European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg, Duitsland, doet verslag van het eerste beeld van ‘moleculaire machines’ in gist.

In 1901 vergeleek Franz Hofmeister de cel met een fabriek, die grondstoffen converteert in benodigde producten voor het leven; hij suggereerde zelfs dat de sub-compartementen van cellen die onder de microscoop waren geidentificeerd, wel eens verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor specifieke soorten conversies.

Deze fabrieksanalogie heeft een eeuw van ontdekkingen over de functies van moleculen overleefd. Eiwitten zijn beschreven als ‘arbeidsmoleculen’ en chemische processen als ‘assemblagelijnen’. Anders dan in een autofabriek, waar de machines aan de vloer zijn genageld en alleen worden vervangen als een nieuw automodel in de mode komt, vervangt en vernieuwt een cel constant haar gereedschap. Eiwitten zijn zowel arbeiders als onderdelen van robots die constant worden opgebouwd en afgebroken; vaak bevindt hetzelfde molecuul zich in verschillende machines.

De volledige schaal van deze flexibele organisatie is onlangs pas duidelijk geworden door een studie die gepubliceerd is in het tijdschrift Nature (Gavin et al., 2006). Vroeger hadden wetenschappers een zeer beperkt beeld van de machines en hun componenten. „Het was alsof je binnen zou komen in een fabriek en overal losse onderdelen van enkele machines verspreid zou vinden over de vloer” zegt hoofdonderzoekster Anne-Claude Gavin, werkzaam aan het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, Duitsland. „We wisten wat sommige machines deden en een beetje op welke manier, maar er was geen overzicht van de volledige context waaronder ze dat deden.”

Wetenschappers waren al begonnen de constructie van gistmachines aan elkaar te puzzelen uit afzonderlijke stukjes, met een methode die „two-hybrid screen“ heet. Deze methode probeert elk gisteiwit paarsgewijs aan elk ander gisteiwit te koppelen, alsof je in een autofabriek alles volledig uit elkaar zou halen en zou proberen de onderdelen één voor één aan elkaar te passen. Deze methode heeft veel nuttige informatie opgeleverd, maar ook veel valse resultaten.

Misschien is het fysiek mogelijk om een koppelingspook in een uitlaat te krijgen, maar dat betekent niet dat dit ook maar ooit plaatsvindt in een functionerende auto. Met meer dan 6500 onderdelen – een schatting van het aantal eiwitten die gecodeerd worden door het gistgenoom – geeft de één voor één methode een zeer beperkt beeld van complete machines, laat staan van de gehele fabriek.

Een alternatief zou zijn om te beginnen met complete machines en dan de moleculen te analyseren waaruit deze machines bestaan. Maar methoden om eiwitten uit cellen te isoleren braken meestal de complexen die deze eiwitten vormen in stukjes uit elkaar. Toen werd een aantal jaar geleden in het laboratorium van Bertrand Séraphin aan het EMBL een proces uitgevonden dat tandem affiniteits purificatie (TAP) heet. Deze methode vist als het ware moleculen, met alle eraan hangende machinerie, intact uit een cel. De componenten van deze eiwitcomplexen konden toen worden geanalyseerd met massaspectrometrie – een methode die eiwitten in stukjes fragmenteert en deze stukjes ‚weegt’. Omdat elk eiwit een unieke samenstelling heeft, geeft massaspectrometrie metingen die door een computer gematched kunnen worden met het profiel van een specifiek eiwitmolecuul. In samenwerking met wetenschappers aan het EMBL besloot het bedrijf Cellzome het volledige gistgenoom aan te pakken met deze methoden. Duizenden experimenten later heeft dit geleid tot de eerste volledige scan van de genen van een eukaryotische cel, zoekend naar moleculaire machines.

De studie liet 491 complexen zien, waarvan 257 volledig nieuw waren. De anderen waren bekend uit ander onderzoek, maar bijna al deze reeds bekende complexen werden gevonden met nieuwe componenten. Is de lijst compleet? „We schatten dat er nog zo’n 300 andere zouden kunnen zijn“ zegt Anne-Claude. „Sommige complexen zijn misschien alleen aanwezig wanneer de gist onder bepaalde omstandigheden wordt gegroeid, en andere zijn misschien niet te ontdekken met de door ons gebruikte methoden om ze te extraheren.“ Zo is het bijvoorbeeld altijd moeilijk geweest om complexen te zuiveren die vastzitten aan het celmembraan. De onderzoekers pasten hun methode aan om dit wel te kunnen doen en vonden 74 nieuwe complexen met membraaneiwitten, maar Anne-Claude weet zeker dat er nog veel meer bestaan.

Een lijst van onderdelen is slechts het begin: de wetenschappers willen ook weten waar in de cel deze complexen zijn gestationeerd, wat ze doen en hoe ze functioneren. Soms kunnen deze vragen alleen al vanuit de componenten beantwoord worden. Een complex met drie eiwitten die reageren op hitte speelt zonder twijfel een rol bij het helpen het organisme te laten adapteren aan veranderingen in temperatuur. Andere complexen konden gelinkt worden aan processen als het binden aan DNA, of het helpen van reguleren van andere moleculen.

De informatie heeft ook nieuwe inzichten geleverd in hoe het de cel lukt de ongelooflijk gecompliceerde taak te volbrengen om complexen in elkaar te zetten. Dit zegt bovendien iets belangrijks over de biologie van gist en andere organismen: „Pre-assembleert een cel machines om ze op voorraad te hebben, of worden ze vanuit het niets opgebouwd als er iets gebeurt?“ zegt Anne-Claude. „In andere woorden: hoe worden de machines en de hele fabriek, bestuurd? We wisten het niet, maar nu kunnen we veel daarover zeggen. Om dat te kunnen doen moesten we nieuwe manieren vinden om de gegevens die we hadden te begrijpen.“

Een wegatlas bevat vaak een tabel die de afstanden tussen de steden weergeeft. Tussen Rome en Heidelberg liggen bijvoorbeeld 1150 kilometer; Heidelberg naar Cambridge is 2045 kilometer (de oversteek via een veerpont meegerekend). Met behulp van zo’n tabel zou je steden kunnen indelen in regios, staten en landen. Om de werking van eiwitcomplexen te begrijpen, zegt Patrick Aloy, willen wetenschappers graag zo’n kaart maken van moleculen.

Patrick maakte deel uit van de groep van Rob Russell bij het EMBL, waar computationale technieken worden gebruikt om te begrijpen hoe eiwitcomplexen werken. Door informatie over de vorm en functie van eiwitten te combineren met gegevens over hoe ze aan andere moleculen binden, kunnen de wetenschappers ‚technische diagrammen’ van machines maken. Maar onvolledige kennis heeft de reikwijdte van deze inspanningen beperkt.

“Stel je eens voor dat een tabel met afstanden wordt vervangen door een tabel die alleen ‘ja’ of ‘nee’ antwoordt op de vraag of je van stad A naar stad B kunt komen” zegt Patrick. “Met slechts die informatie zou je niet in staat zijn een betekenisvolle kaart te tekenen, dit is echter precies het soort onderzoek dat we tot nu toe hebben gedaan. We hebben nu een soort van afstandentabel geproduceerd – elk paar eiwitten heeft een waarde die aangeeft hoe aannemelijk het is dat deze eiwitten samen worden gevonden bij opzuivering uit gistcellen.”

Die informatie is nu omgezet in een kaart van de fabrieksvloer compleet met machines die af zijn, gedeeltelijk af zijn, voorgefabriceerde onderdelen en modules die je daarop kunt zetten. “Wat je ontdekt, is dat de meeste complexen een kernset van onderdelen hebben die bijna altijd samen gevonden worden, waarbij andere onderdelen komen en gaan,” zegt Rob. “Deze kernen kan je zien als cruciale, voorgefabriceerde onderdelen van machines die achter de hand worden gehouden, waaraan, als het nodig is, tijdelijke modulen worden toegevoegd.”

De functie van dit soort modulen, zegt Anne-Claude, zou kunnen zijn om de functie van de kernmachine te veranderen, het te koppelen aan andere dingen die in de fabriek gaande zijn, of de machine aan- danwel uit te zetten. “ Dit heeft een aantal zeer belangrijke effecten. Ten eerste geeft het de cel de mogelijkheid een groot aantal taken uit te voeren met een gelimiteerde hoeveelheid machines. Dat maakt het geheel flexibel. Ten tweede betekent dit, dat in het geval van nood, de cel niet alle machines vanuit het niets hoeft op te bouwen. Het moet in dat geval alleen een paar heel essentiele onderdelen produceren. Een ander voordeel hiervan zou kunnen zijn dat het relatief simpel is voor de cel om een verfijnde machine te beheersen, door het aanleveren van een essentieel onderdeel te blokkeren of juist mogelijk te maken.”

Er bestaad een belangrijk verband met evolutie omdat over het algemeen, bepaalde soorten machines en hun basiscomponenten over honderden miljoenen jaren in stand zijn gehouden terwijl een nieuwe soort zich ontwikkelde. De groep van Peer Bork aan het EMBL heeft geholpen dit vraagstuk te onderzoeken.

“Als je vergelijkt wat er aan de hand is in gist en in onze eigen cellen, vind je veel dezelfde machines die dezelfde basisonderdelen gebruiken om dezelfde dingen te doen,” zegt Peer. “Deze complexen weerspiegelen – als variaties op eenzelfde thema – hoe evolutie werkt. Je ziet niet dat elke soort een nieuwe manier uitvindt om dingen te doen; in plaats daarvan verfijnt zij wat ze wil doen door gespecialiseerde modules toe te voegen of enigzins te veranderen hoe het geheel wordt gereguleerd.”

Deze studie onthult een heleboel over individuele machines en hoe ze samenwerken. Er blijft echter nog veel te leren over hoe ze aan het werk zijn in levende cellen – waar ze zich precies bevinden en hoeveel kopieen van elke machine op een bepaald moment aan het werk zijn. Informatie over de structuur van deze complexen helpt een aantal van deze vragen te beantwoorden, omdat het de wetenschappers een idee geeft over de algemene vorm van een complex. Daardoor kunnen ze worden bekeken onder de microscoop.

“Zelfs onder een elektronenmicroscoop zie eiwitcomplexen vage stipjes die moeilijk of onmogelijk te herkennen zijn,” zegt Anne-Claude. “Maar met goede informatie over de vorm kunnen we misschien een naam geven aan een aantal vormen die we zien.”

Gezondheid weerspiegelt het werk van de gehele cel in de context van het organisme. Het peil van moleculaire machines in de cel is cruciaal in het beinvloeden daarvan en om het geheel in balans te houden. Wat de wetenschappers hebben bereikt is het veranderen van hoe we denken, niet alleen over hoe individuele machines werken en gereguleerd worden, maar ook hoe ze samenwerken. Dit zal duidelijk cruciaal zijn als wetenschappers proberen organismen vanuit een zieke toestand, naar een gezonde te leiden.

References

• Gavin AC et al. (2006) Proteome survey reveals modularity of the yeast cell machinery. Nature 440: 631-636. doi:10.1038/nature04532.
  • Download het artikel hier gratis, of neem vandaag een abonnement op Nature: www.nature.com/subscribe
• Dit artikel is verschenen in het jaarverslag van het Europees Laboratorium voor Moleculaire Biologie, een collectie artikelen over de meest actuele wetenschappelijke onderwerpen. De rest van het verslag is hier te verkrijgen.

Institutions

Review

In de levenswetenschappen is het word proteoom, net zoals andere woorden die eindigen in –oom, erg populair geworden, maar het is zeldzaam het zo duidelijk uitgelegd te vinden als in dit artikel.

Beginnend vanuit de metafoor van de cel als fabriek, leidt Russ Hodge de lezer binnen naar haar complexe eiwitmachinerie, in een eenvoudige een pakkende stijl, met levendige voorbeelden uit het dagelijks leven.

Een ander aardig kenmerk van dit artikel is de beschrijving van methoden die onderzoekers gebruiken om de structuur, functie en evolutie van deze ongelooflijk kleine objecten, de eiwitcomplexen in de cel, te onderzoeken.
Ik beveel dit artikel aan aan leraren en leerlingen in de bovenbouw van het middelbaar onderwijs, als onderdeel van een les biochemie of celbiologie. Het kan zowel in de klas, als voor zelfstudie worden gebruikt.

Als laatste wil ik benadrukken dat dit artikel, ondanks de eenvoudige en vriendelijke stijl, een verhelderende blik biedt op een zeer complexe kwestie. Met de smaak van het avontuur van de ontdekking geeft het een uitstekend voorbeeld van wetenschapspopularisatie op hoog niveau, wat op het moment in het bijzonder nodig is om interesse in wetenschap te stimuleren.

Giulia Realdon, Italie

License

CC-BY-NC-ND