Het mysterie van de lege lift

Vrachtwagens, treinen, containerschepen… Ze betekenen niets voor het echt belangrijke transport. Dat vindt plaats in ons lichaam: al onze cellen bevatten transporteiwitten (of transportcomplexen) die belangrijke spullen naar binnen of naar buiten brengen. Maar ondanks hun vitale rol weten we heel veel niet over deze transporteurs, veel is nog in mysteriën gehuld. Een daarvan is nu opgehelderd door biochemici en natuurkundigen van de Rijksuniversiteit Groningen. Hun bevindingen zijn afgelopen zondag gepubliceerd door het tijdschrift Nature Structural and Molecular Biology.

Het gaat om het mysterie van de lege lift. Veel transportmoleculen bewegen als een soort lift op en neer door het celmembraan om een vrachtje op te halen en af te leveren. Als ze bijvoorbeeld binnen iets hebben afgeleverd moet de lift weer terug naar buiten om een nieuwe vracht op te pikken.

‘Het mysterie draait om de vraag wat er in de lift zit die weer terug gaat’, vertelt hoogleraar biochemie Dirk Slotboom. Zoals Aristoteles al opmerkte: de natuur verafschuwt een vacuüm. ‘Dus wat vult de ruimte in het transporteiwit wanneer de lading er uit is verdwenen?’ Die vraag is te beantwoorden door de structuur van het transporteiwit zonder lading te onderzoeken.

Maar dat is gemakkelijker gezegd dan gedaan. Slotboom: ‘Om de structuur van zo’n eiwit te kunnen bepalen moet je er eerst kristallen van laten groeien, die je dan met röntgendiffractie onderzoekt. Maar de lading stabiliseert het eiwit, daarom is het lastig om het te laten kristalliseren zonder die lading.’ Omdat dit zo moeilijk is, kennen we wel de structuur van een aantal transporteiwitten met lading, maar geen enkele van een eiwit zonder lading.

Het kostte de onderzoeksgroep van Slotboom maar liefst negen jaar om de juiste kristallen te maken. ‘We bestuderen een eiwit dat in micro-organismen aspartaat transporteert. Maar een homoloog eiwit is aanwezig in de hersenen van zoogdieren, waar het de neurotransmitter glutamaat weghaalt uit de synaptische spleet.’

De strategie van de groep was om zoveel mogelijk homologe transporteiwitten van verschillende micro-organismen te testen, in de hoop er een te vinden die goed wilde kristalliseren. En uiteindelijk was het raak. Het lukte promovendus Sonja Jensen om kristallen te groeien van de aspartaat transporteiwit uit de prokaryoot Thermococcus kodakarensis .

‘Zodra je goede kristallen hebt, heb je ook al snel de structuur. Dat is het moment om de champagne te ontkurken. En daarna komen de nieuwe vragen’, legt Slotboom uit. De structuur onthulde wat er in de lege lift zit: de zijketen van een aminozuur, arginine, dat aan het uiteinde van het aspartaat-transporterende eiwit zit.

‘Die zijketen klikt naar binnen zodra het aspartaat uit het transporteiwit verdwijnt, binnen in de cel. En vermoedelijk zitten er ook nog een paar watermoleculen bij.’ Deze ontdekking verklaart het gedrag van een gemuteerde versie van het glutamaat transporteiwit in de hersenen. ‘Wanneer door die mutatie de bewuste arginine is vervangen door cysteïne, een kleiner aminozuur, kan de lift niet zonder zijn lading terug naar boven.’ De reden is dat cysteïne geen zijketen bevat die de lege ruimte op kan vullen. ‘Daarom gaat bij deze mutatie de lift alleen terug omhoog wanneer er opnieuw glutamaat in zit, zodat er netto dus niets wordt getransporteerd.’

Dit fundamentele onderzoek heeft praktische consequenties. Het leidt tot een beter begrip van transport in cellen en van wat er daarbij mis kan gaan. ‘Een concreet voorbeeld is de hersenschade die ontstaat door een beroerte’, zegt Slotboom. Wanneer een deel van de hersenen gebrek aan zuurstof krijgt door zo’n beroerte, ontstaan er namelijk problemen met het transport.

Normaal gesproken verwijdert het glutamaat transporteiwit in de hersenen het glutamaat uit de ruimte tussen de zenuwcellen. Dat gebeurt tegen een concentratiegradiënt in. Maar zonder zuurstof is er niet langer genoeg energie voor dit transport. ‘Het transporteiwit gaat dan juist omgekeerd werken.’

Glutamaat uit de cel verhoogt de concentratie van deze neurotransmitter in de synaptische spleet, waardoor zenuwcellen op grote schaal geactiveerd raken. ‘En dat is een van de oorzaken voor het afsterven van die zenuwcellen.’ Als het mogelijk is een klein molecuul te maken dat de ‘lift’ zou blokkeren, kan je daarmee wellicht de hersenbeschadiging na een beroerte verminderen.

Maar dat is iets voor de verre toekomst, en bovendien niet de richting die Slotboom met zijn onderzoek volgt. ‘Ons doel is om te begrijpen hoe dit soort transporteiwitten werkt. We hebben ontdekt wat er in de lege lift zit. Nu willen we weten hoe die lift precies beweegt!’

Crystal structure of a substrate-free aspartate transporter Sonja Jensen , Albert Guskov, Stephan Rempel Inga Hänelt & Dirk Jan Slotboom, doi:10.1038/nsmb.2663

Published online 8 September