Genetische defecten geven nieuw inzicht in eiwitfabriek

Enige tijd geleden kreeg onderzoeker Friedrich Förster van de Universiteit Utrecht cellen in handen van twee patiënten met een zeldzame genetische afwijking. Deze patiënten misten ieder een ander deeltje van een eiwitcomplex, waarvan de precieze functie tot nu toe vrijwel onbekend was. Door de structuur van dit eiwit in beeld te brengen kan de hoogleraar Cryo-Electron Microscopy nu meer over de werking van de onderdelen zeggen. Samen met collega’s van het Max Planck Instituut in München, de Universiteit van Saarland in Homburg en het Sandford Burnham Prebys Medical Discovery Institute in San Diego (La Jolla) publiceerde hij deze bevindingen op 20 februari in  Nature Communications.

Förster is gespecialiseerd in onderzoek naar membraangebonden eiwitten die in het endoplasmatisch reticulum zitten, de eiwitfabriek van de cel. Ongeveer een derde van de aanmaak van eiwitten vindt daar plaats. In het endoplasmatisch reticulum worden de eiwitten onder meer op de juiste manier gevouwen en worden er suikergroepen aan gehangen, de zogenoemde glycosylering, zodat ze hun taak in het lichaam goed kunnen uitvoeren.

Centraal daarin staat het translocon, een enorm eiwitcomplex in de membraan van het endoplasmatisch reticulum. Dit complex bestaat uit een kanaal waar eiwitten doorheen kunnen en uit een deel dat suikermoleculen aan eiwitten bindt. Van het derde en laatste deel van het complex, genaamd TRAP (translocon-associated protein complex) was tot nu toe onbekend waar het precies voor diende. “Maar het zit er wel”,  zegt Förster. “En we weten ook dat het een vast onderdeel is van het translocon. Het zal dus wel belangrijk zijn.”  

Tieners met genetische afwijking

Toen een kinderarts uit San Diego hem benaderde werd Förster dan ook meteen enthousiast.  Die arts, Hudson Freeze, behandelde twee tieners met een verstandelijke beperking en een ernstige ontwikkelingsachterstand. Genetisch onderzoek had uitgewezen dat beide kinderen een andere mutatie hadden in de genen die coderen voor het TRAP-complex. Bovendien was bekend dat bij deze patiënten op sommige eiwitten de suikergroepen ontbraken. Förster: “Dat wijst er op dat TRAP nodig is voor de glycosylering.”

Förster, die onlangs een grote Europese subsidie ontving voor onderzoek naar het endoplasmatisch reticulum, besloot te bekijken wat er op moleculair niveau afweek aan het TRAP-complex van die tieners. Daarvoor vergeleek hij de structuur van TRAP bij deze patiënten met die bij een gezonde humane cellijn. Dat deed hij met cryo-elektrontomografie, een opkomende techniek om gedetailleerd de molecuulstructuur van grote eiwitten in hun natuurlijk omgeving in beeld te brengen.

Twee verschillende functies

“Deze patiënten missen allebei één van de vier subunits waar TRAP uit bestaat,” vertelt Förster. “Bij de eerste patiënt mist de delta-subunit. De beelden van de elektronenmicroscoop lieten zien dat deze subunit zich bij gezonde mensen dicht bij het complex bevindt van het translocon dat voor glycosylatie belangrijk is. Wij concluderen hier nu uit dat de delta-unit van TRAP de glycosylering ondersteunt.”

Bij de andere patiënt mist de gamma-subunit van TRAP. Uit de structuuranalyse bleek dat hierdoor dit hele eiwit niet meer bindt aan het transloconcomplex. Förster: “Het zit nog wel in de cel, maar niet meer op de plek waar het hoort. De gamma-unit zorgt er dus voor dat TRAP op zijn plaats blijft”.

Algen

Om de functie van deze subunits nog verder te verhelderen, keken Förster en zijn collega’s ook nog naar het endoplasmatisch reticulum van algen. Bij deze organismen bestaat TRAP uit slechts twee delen. Juist de twee units die deze patiënten missen, ontbreken ook bij algen. Förster: “De cellen afkomstig van de patiënten moesten we voor ons onderzoek nog openbreken, maar bij de algen konden we in een complete cel kijken, zonder de moleculen te verstoren. En het beeld bleek consistent met dat van die 2 patiënten. Zo bevestigden we de positie van de 2 ontbrekende subunits.”

Met zijn werk hoopt Förster meer inzicht te krijgen in de moleculaire basis van ziekten waarin er problemen zijn met de productie en het onderhoud van eiwitten in het endoplasmatisch reticulum. Daarbij gaat het niet alleen om deze zeldzame erfelijke afwijking, maar ook om bijvoorbeeld taaislijmziekte en neurodegeneratieve aandoeningen als de ziekte van Alzheimer.