Hoe een enzym uit mitochondriën cellen tot zelfvernietiging aanzet

Cytochroom c is een klein enzym dat normaal gesproken een rol speelt bij de productie van energie in cellen die plaatsvindt in mitochondriën. Maar daarnaast zorgt het voor het signaleren van ernstige problemen die aanleiding geven tot geprogrammeerde celdood (apoptose). Met behulp van vaste stof NMR heeft RUG adjunct hoogleraar Patrick van der Wel samen met collega’s van de universiteit van Pittsburgh (VS) ontdekt dat de manier waarop cytochroom c het signaal voor celdood in gang zet meer gecontroleerd is dan was gedacht. De resultaten zijn op 14 maart verschenen in het tijdschrift Structure.

Wanneer een cel niet goed functioneert wil het lichaam die graag opruimen voordat er meer schade ontstaat. Verschillende signalen kunnen de cellen aanzetten tot ‘zelfmoord’ via een proces dat apoptose heet. Deze geprogrammeerde celdood speelt onder meer een rol bij ziekten die het zenuwstelsel aantasten, zoals de ziekte van Huntington. Een sterk signaal voor apoptose is de oxidate van cardiolipiden. Dit zijn fosfolipiden die alleen aanwezig zijn in de membraan van mitochondriën, de energiefabriekjes van de cel. ‘Mitochondriën hebben twee membranen en het cardiolipine zit vooral in de binnenste membraan’, vertelt Van der Wel. ‘Als het geoxideerd raakt en zich naar de buitenste membraan verplaatst zet dat apoptose in gang.‘

Atomen

Geneesmiddelen die de oxidatie van cardiolipine voorkomen kunnen bij proefdieren ook het afsterven van zenuwcellen bij de ziekte van Huntington vertragen. Die oxidatie verloopt juist sneller door de oxiderende werking van het enzym cytochroom c, dat een zeer reactieve heemgroep bezit. ‘Dit wijst erop dat die oxidatie niet per ongeluk gebeurt, maar juist een bruikbaar en gewenst signaal vormt voor de cel’, legt Van der Wel uit.

Daarom wilde hij weten hoe de oxidatie van cardiolipine door cytochroom c precies plaatsvindt, door de interactie van het enzym met de mitochondriale membraan te bestuderen. Daarvoor gebruikte hij vaste stof NMR, een techniek waarmee het mogelijk is om atomen en moleculen zoals eiwitten of lipiden te bestuderen. ‘Het signaal dat atomen afgeven bij een NMR meting hangt af van de omgeving waarin zij zich bevinden. Dus een verandering in de vorm van een eiwit verandert ook het signaal van de atomen.’ Van der Wel vergeleek de signalen van cytochroom vrij in een oplossing en gebonden aan een membraan, om te zien hoe die binding de structuur verandert.

‘We verwachtten dat het eiwit in de membraan zou gaan zitten in uitgevouwen toestand, zodat de heemgroep bloot ligt.’ Dit heem zou dan gemakkelijk cardiolipine kunnen oxideren. Maar de resultaten lieten iets anders zien: ‘Het enzym gaat niet in de membraan zitten, het is gebonden aan bepaalde domeinen met cardiolipine en blijft bovendien gevouwen. Wel kan een lus die de heemgroep bedekt soms wegschuiven, zodat die contact krijgt met de lipiden.’

Functionele materialen

Dit suggereert dat het effect van cardiolipine op apoptose wel degelijk enigszins gereguleerd wordt, en niet zomaar plaatsvindt als een passieve reactie op de aanwezigheid van een oxiderende heemgroep. Deze conclusie kan belangrijk zijn voor ziekten waarbij celdood een belangrijke rol speelt. ‘Als de actieve vorm van cytochroom c gevouwen is, kunnen we misschien middelen ontwikkelen die de oxidatie van cardiolipine verhinderen.’ Een andere mogelijkheid om in te grijpen in het proces is de binding van het enzym aan membraandomeinen met cardiolipine. ‘En verder is het zo dat problemen met de mitochondriën voor celdood zorgen, maar soms ook alleen voor het verwijderen van alleen de aangetaste mitochondriën, wat veel minder ingrijpend is. Wanneer we zouden begrijpen hoe de keuze tussen die twee opties wordt gemaakt, kunnen we dat proces misschien beïnvloeden.’

De experimenten die het artikel in Structure beschrijft zijn gedaan aan de universiteit van Pittsburgh, waar Van der Wel werkte voordat hij afgelopen jaar naar de RUG kwam. Hier is hij nu bezig met het opbouwen van een eigen groep voor vaste stof NMR aan het Zernike Institute for Advanced Materials, van de Faculty of Science and Engineering. ‘Deze techniek stelt ons in staat om bijvoorbeeld alternatieve vouwingsmethoden van eiwitten, zoals bij de vorming van amyloide, te bestuderen. Die verkeerd gevouwen eiwitten vormen aggregaten die een belangrijke rol spelen bij neurodegeneratieve ziekten, maar ze zijn ook interessant voor het ontwerp van nieuwe functionele materialen.’

Referentie: Li M, Mandal A, Tyurin VA, DeLucia M, Ahn J, Kagan VE, van der Wel PCA: S Surface-binding to Cardiolipin Nanodomains Triggers Cytochrome C Pro-apoptotic Peroxidase Activity via Localized Dynamics, , Structure 14 maart 2019