Hoe een transporteiwit een leegte opvult

Tranporteiwitten zijn cruciaal voor het functioneren van al het leven. Zij verzorgen het transport van moleculen door het celmembraan. Meer dan 30 procent van alle energie die wij dagelijks verbruiken, wordt aan deze eiwitten besteed. Maar hun precieze werking is deels nog een mysterie. Biochemici van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van prof. dr. Dirk Slotboom hebben een belangrijk onderdeel van dit mysterie opgelost. Zondag 8 september verscheen een artikel van de groep op de site van het tijdschrift Nature Structural & Molecular Biology.

Zonder transport staat alles stil, dat geldt voor ieder levend organisme. Voortdurend moeten er stoffen door het celmembraan, dat een grens vormt tussen ‘binnen’ en ‘buiten’, heen. Dit transport verloopt grotendeels via transporteiwitten die in het celmembraan verankerd zitten. Zo’n eiwit bindt aan een specifiek substraat, en verandert dan van vorm. Door deze vormverandering komt het substraat aan de andere kant van het celmembraan terecht.

Lege ruimte

Na zo’n beweging moet het transporteiwit weer in de uitgangspositie terugkeren. Maar daarbij is er één probleem dat wetenschappers al jaren bezighoudt, vertelt adjunct-hoogleraar biochemie Dirk Slotboom van het Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute van de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Wat zit er bij terugkeer op de plek waar eerst het substraat zat? In zo’n eiwit kan je namelijk geen lege ruimte hebben.’

Hij heeft dit onderzocht voor het eiwitcomplex GltPh, dat zorgt voor de opname van de voedingsstof aspartaat in micro-organismen. Het mechanisme waarmee GltPh aspartaat van buiten naar binnen transporteert lijkt op dat van een lift: buiten gaat een deur open en het aspartaat neemt in een holte van het eiwit plaats. Dan gaat de deur dicht en beweegt een deel van het eiwit van buiten naar binnen, en neemt daarbij aspartaat mee. Eenmaal binnen gaat een andere deur open waardoor aspartaat vanuit de holte de cel in gaat. Daarna sluit de deur opnieuw en gaat de lift weer terug.

Röntgen-analyse

Om te kunnen zien wat er in de lege lift zit was het nodig om kristallen van het lege eiwit te maken. Röntgen-analyse van eiwitkristallen is een gangbare techniek om de drie-dimensionale structuur van een eiwit te berekenen, maar het kristalliseren van transporteiwitten is erg lastig. ‘Dit komt omdat deze eiwitten zich in celmembranen bevinden, en zich niet graag in een kristalrooster laten pakken’, legt Slotboom uit. Toch kreeg promovenda Sonja Jensen het voor elkaar om de juiste biochemische omstandigheden te vinden voor de kristallisatie. Samen met postdoc Albert Guskov bepaalde zij vervolgens de driedimensionale structuur van het lege eiwit.

Uit de analyse bleek het eiwit één van zijn eigen aminozuren te gebruiken om de leegte op te vullen. Eiwitten bestaan uit lange ketens van 20 verschillende aminozuren die tot een complex patroon zijn opgevouwen. De aspartaat transporter GltPh heeft een lengte van 450 aminozuren. Op positie 397 in dit eiwit bevindt zich het aminozuur arginine. Een deel van dit arginine-molecuul blijkt de plaats van aspartaat in de lege lift over te nemen.

Het is de eerste keer dat een onderzoeksgroep heeft laten zien wat de lege ruimte in een dergelijk transporteiwit opvult. Dit werpt nieuw licht op verwarrende resultaten uit studies aan vergelijkbare transporteiwitten in de hersenen van mensen en ratten. In onze hersenen zorgen deze transporteiwitten ervoor dat glutamaat, een signaalstof waarmee zenuwcellen onderling communiceren, opgeborgen blijft in cellen totdat er een zenuwimpuls komt. Mutagenese van de overeenkomstige arginine maakte deze transport eiwitten in de hersenen kreupel: in de aanwezigheid van glutamaat konden de lift nog wel bewegen, maar een lege lift kon niet meer terug.

Medisch belang

Het verband met de eiwitten uit hersenen maakt het onderzoek van medisch belang. Zenuwcellen die gebruik maken van de signaalstof glutamaat in de hersenen zijn betrokken bij het geheugen en het vermogen om te leren. Wanneer deze eiwitten niet goed werken kunnen ziektes ontstaan als Alzheimer, ALS of Huntington. Ook bij beschadiging van de hersenen als gevolg van een herseninfarct spelen deze transporteiwitten een rol. Nu we beter begrijpen hoe deze eiwitten werken wordt het op lange termijn misschien ook mogelijk om in te grijpen bij ziektes en hersenbeschadigingen.

Voor Dirk Slotboom is het onderzoek een stap in een langer proces, waarbij hij de werking van transporteiwitten wil begrijpen. Daarbij zijn niet alleen statische plaatjes van de eiwitten nodig, die met kristallografie verkregen worden, maar is ook dynamische informatie nodig. Samen met de groep van zijn Groningse collega prof dr. Antoine van Oijen probeert hij nu ook de bewegingen van de lift in kaart te brengen.

Meer informatie: prof. dr. Dirk Slotboom

Referentie

Crystal structure of a substrate-free aspartate transporter

Sonja Jensen, Albert Guskov, Stephan Rempel, Inga Hänelt, and Dirk Jan Slotboom

Nature Structural & Molecular Biology, doi:10.1038/nsmb.2663