Eiwit in de tang

We kunnen niet leven zonder chaperonnes. Ze zijn noodzakelijk voor de juiste werking van de eiwitten in onze cellen. Een chaperonne – we hebben het hier over de biologische betekenis van het woord – is een eiwit dat een ander, pasgevormd eiwit helpt om de juiste driedimensionale structuur aan te nemen en vast te houden.

Eiwitten zijn lange ketens van aminozuren. Nadat een eiwit is gemaakt moet die keten zich in een complexe 3D-structuur vouwen, die essentieel is voor de functie van het eiwit. In de cel zijn het de chaperonnes die dit proces begeleiden.

Sommige chaperonnes voorkomen juist dat een eiwitketen zich vouwt, zoals bij eiwitten die nog door de celmembraan heen moeten. ‘Wij hebben vijf jaar geleden als eersten op moleculair niveau laten zien dat dit de functie is van de chaperonne SecB’, zegt RUG hoogleraar moleculaire microbiologie Arnold Driessen. Nu is hij mede-auteur van een artikel dat op 7 juli is gepubliceerd door het wetenschappelijke tijdschrift Nature. In het artikel staat de rol van een ander chaperonne-eiwit beschreven, genaamd Trigger Factor 1 (TF1).

‘In dit artikel laten we zien dat TF1 het vouwen van eiwitten stimuleert en bovendien de gevouwen stukken stabiliseert tijdens de eiwitproductie’, legt Driessen uit. Opnieuw is het de eerste keer dat deze processen direct zijn gemeten, met behulp van het systeem dat Driessen en zijn collega’s ontwikkelden voor het onderzoek naar SecB. Zij gebruiken een optisch pincet om de kracht te meten die nodig is om een gevouwen eiwit uit elkaar te trekken.

Met behulp van deze optische pincet trokken Driessen en collega’s aan het modeleiwit MBP (maltose bindend proteïne). Het werkt, simpel gezegd, zo: terwijl aan het ene eind van het eiwit getrokken wordt, meet je de kracht die nodig is om het andere eind op zijn plaats te houden. Zolang als het eiwit gevouwen blijft, neemt de kracht toe. Maar zodra het ontvouwen begint, is er een snelle afname van de benodigde kracht. Zo ontstaat een patroon dat typerend is voor het eiwit.

‘Wat we zagen is dat er een veel grotere kracht nodig is om MBP uit elkaar te trekken wanneer TF1 aanwezig is’, zegt Driessen. ‘Dit zegt ons dat TF1 het gevouwen eiwit stabiliseert.’ In een tweede experiment trokken de wetenschappers aan een fusie-eiwit dat bestond uit vier gekoppelde MBP eiwitjes. Nadat de driedimensionale structuur op deze manier uit het eiwit was getrokken, lieten ze het opnieuw opvouwen, in eerste instantie zonder TF1. ‘Toen we het vervolgens nog een keer uit elkaar wilden trekken, bleek dat niet te lukken. Het eiwit was in de knoop geraakt.’

Daarna is dit experiment herhaald in aanwezigheid van TF1 en dat gaf een ander resultaat. Na uit elkaar trekken en weer op laten vouwen lukte het nu wel het eiwit een tweede keer uit elkaar te trekken. De conclusie is dat TF1 er voor zorgt dat het eiwit op de juiste manier terugvouwt en dus niet in de knoop raakt.

‘Er waren tot nu toe twee scholen in het denken over de rol van TF1’, legt Driessen uit. ‘Der eerste stelde dat TF1 er voor zorgt dat eiwitten ongevouwen blijven. De tweede school dacht dat TF1 het vouwen juist stimuleert. Onze experimenten laten zien dat dit inderdaad zo is.’

Het vouwen van eiwitten is overigens geen obscure hobby van biochemici – verkeerd gevouwen eiwitten spelen een rol bij tal van ziekten. Eiwitklonters die ontstaan door verkeerde vouwing spelen bijvoorbeeld mogelijk een rol bij het ontstaan van de ziekte van Alzheimer. Maar de belangstelling voor het vouwproces komt bij Driessen niet voort uit dit soort ziekten: ‘Wij willen graag weten hoe het transport van eiwitten door de membraan van bacteriën verloopt. Chaperonnes spelen een belangrijke rol doordat zij de eiwitten in de juiste vorm houden voor dit transport.’

SecB houdt eiwitten die door bacteriën worden uitgescheiden in ongevouwen toestand, zodat ze door een kleine porie in de celmembraan kunnen. TF1 bindt zich aan eiwitten terwijl ze door het ribosoom, de eiwitfabriek van de cel, worden gemaakt en zorgt ervoor dat ze op de juiste manier vouwen. Vervolgens geeft TF1 het eiwit door aan een ander type chaperonne die het vouwproces verder begeleidt.

Het gebruik van een optische pincet om de werking van chaperonnes te bestuderen is sinds het eerste artikel over deze techniek door Driessen en zijn collega’s de gouden standaard geworden. De optische pincet zelf staat bij AMOLF, een van de onderzoekslaboratoria van de stichting voor fundamenteel onderzoek der materie, FOM. ‘Daar zullen ze de werking van chaperonnes verder blijven onderzoeken, terwijl wij ons meer gaan richten op het excretie systeem voor eiwitten in bacteriecellen.’ Dat systeem is van belang om bacteriën te gebruiken als levende fabriekjes voor de productie van nuttige eiwitten.

Referentie

Alireza Mashaghi¹, Günter Kramer², Philipp Bechtluft¹, Beate Zachmann-Brand², Arnold J. M. Driessen³, Bernd Bukau², and Sander J. Tans^1: Reshaping of a protein's conformational search by the chaperone Trigger Factor. Nature, DOI10.1038/nature12293, online publicatie 7 juli 2013

¹ FOM Institute AMOLF, Science Park 104, 1098 XG Amsterdam, the Netherlands
² Zentrum für Molekulare Biologie der Universität Heidelberg (ZMBH), DKFZ-ZMBH Allianz, Im Neuenheimer Feld 282, Heidelberg 69120, Germany
³ Department of Molecular Microbiology, Groningen Biomolecular Sciences and Biotechnology Institute and the Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Nijenborgh 7, 9749 AG Groningen, the Netherlands