Transporteiwit gebruikt drie onafhankelijke liften voor goederentransport

Kort & bondig

Wetenschappers van de RUG hebben bestudeerd hoe het transportsysteem eruit ziet waarmee bacteriën de stof aspartaat kunnen opnemen. Dit is een bouwsteen voor eiwitten. Ieder systeem bestaat uit drie identieke eenheden. Elke eenheid werkt als een lift, die op en neer gaat door de celmembraan. Het onderzoek toont aan dat de drie liften binnen een complex onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen, en dat ze heel efficiënt zijn. Dat laatste is ook voor mensen belangrijk: wij hebben een vergelijkbaar transportsysteem dat belangrijk is voor een goede communicatie tussen hersencellen.

RUG onderzoekers hebben de structuur opgehelderd van een transportcomplex waarmee bacteriën de stof aspartaat opnemen. De eiwitten van het complex zijn via cryo-elektronenmicroscopie in beeld gebracht. Uit de resultaten blijkt waarom het transportcomplex zeer efficiënt kan werken. Dit is extra relevant omdat een vergelijkbaar complex een cruciale rol speelt bij de signaaloverdracht tussen hersencellen in ons brein. Het onderzoek is op 21 februari gepubliceerd door het tijdschrift Nature Communications.

Cellen gebruiken allerlei verschillende transporteiwitten om stoffen door hun membraan verplaatsen: voedsel en andere bouwstoffen gaan naar binnen, gifstoffen en ander afval naar buiten. Een voorbeeld is een transporteiwit voor aspartaat, waarmee bacteriën dit belangrijke aminozuur opnemen. De Membraan Enzymologie groep onder leiding van Dirk Slotboom en de Structurele Biologie groep van Albert Guskov, beide onderdeel van het Groningen Institute for Biomolecular Sciences & Biotechnology, bestuderen dit transporteiwit al een aantal jaren. Dat doen zij deels omdat het een goed model is voor een transporteiwit dat bij mensen de neurotransmitter glutamine verwijderd uit de synaptische spleet, iets dat zeer belangrijk is voor het goed functioneren van hersencellen.

Liften

Het aspartaat transporteiwit in bacteriën is een zogeheten trimeer, wat betekent dat het opgebouwd is uit drie identieke eenheden die stevig aan elkaar vast zitten in een complex. Dit vist aspartaat op uit de omgeving en vervoert het door de celmembraan naar binnen, waar het wordt losgelaten. Drie natriumionen per eenheid drijven dit transport aan, dat lijkt op een goederenlift: aspartaat en natriumionen binden aan een deel van het eiwit dat vervolgens naar beneden zakt, de cel in. Na aflevering van het aspartaat gaat het weer terug naar boven.

‘We hadden de structuur van het complex eerder al bestudeerd via röntgenkristallografie’, vertelt Slotboom. In dit onderzoek bleken de drie liften binnen een complex zich allemaal steeds in dezelfde positie te bevinden. ‘Maar biochemische aanwijzingen suggereerden dat ze onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen.’ Daarom besloot hij het transportcomplex in een iets natuurlijker setting te bestuderen, namelijk in een membraan. Dit kan met behulp van cryo-elektronenmicroscopie, waarmee directe afbeeldingen van eiwitcomplexen zijn te maken.

Nanoschijven

De eiwitten zaten hierbij in kleine stukjes lipide membraan, die bij elkaar gehouden werden met een soort riem van eiwit. Deze lipide nanoschijven zijn snel bevroren en vervolgens in de cryo-elektronenmicroscoop onderzocht. Door een groot aantal losse afbeeldingen digitaal te combineren was het mogelijk beelden met een nauwkeurigheid van 3,2 tot 3,5 Ångström te verkrijgen.

‘Wat wij zagen was iets heel anders dan de structuren die we via röntgendiffractie van kristallen hadden verkregen: in de meest complexen bevonden de liften zich in verschillende posities, ze lijken dus onafhankelijk van elkaar te bewegen’, zegt Valentina Arkhipova, postdoc in de groep van Slotboom en eerste auteur van het artikel. Dat roept de vraag op waarom er dan drie eenheden samen een complex vormen. Arkhipova: ‘Het lift-deel van iedere eenheid heeft ondersteuning nodig om door de membraan te kunnen gaan. Een enkele lift die verankerd zit in de membraan zou kunnen gaan wiebelen. Maar drie liften die gezamenlijk verankerd zijn vormen een stabiele structuur.’

Ankers

Een andere mogelijke verklaring is dat de ankers van de trimeer het membraan een beetje dunner en minder stijf maken, waardoor de lift er gemakkelijker doorheen kan. ‘Bij een losse lift zou dat effect maar aan één kant van het eiwit optreden, wat energetisch gezien ongunstig is’, legt Slotboom uit. En bestudering van de nanoschijven met het transportcomplex laat inderdaad zien dat de membraan er omheen enigszins afbuigt.

De gevonden structuren geven ook inzicht in hoe het transportsysteem voorkomt dat er natriumionen weglekken. Slotboom: ‘De lift heeft een deur, die wat uitsteekt als hij open staat. Daardoor kan de lift niet door de membraan bewegen.’ Het transport proces begint met twee positief geladen natriumionen die in de lift terechtkomen. Dan kan het negatief geladen aspartaat zich daarin binden, wat weer een derde natriumion aantrekt dat zich aan de deur bindt, waardoor die sluit. Het is dus onmogelijk dat de lift met alleen natriumionen erin door de membraan zou gaan, wat het concentratieverschil tussen binnen en buiten – de aanjager van het transport - zou laten verdwijnen.

Hersenen

‘Dit maakt het systeem zeer efficiënt’, vertelt Slotboom. Voor bacteriën levert dit vermoedelijk een klein evolutionair voordeel op. Maar voor het vergelijkbare glutamaat transporteiwit in onze hersenen is de hoge efficiëntie van vitaal belang. Glutamaat wordt door zenuwuitlopers uitgescheiden in de synaptische speelt, waar het de volgende zenuwcel kan prikkelen. Als dit gebeurd is, moet het glutamaat zo snel mogelijk verdwijnen om ruis in de signaaloverdracht te beperken. Slotboom: ‘Voor dit systeem is tegengaan van lekkage dus van het grootste belang.’

Referentie: Valentina Arkhipova, Albert Guskov & Dirk J. Slotboom: Structural ensemble of a glutamate transporter homologue in lipid nanodisc environment. Nature Communications 21 februari 2020