29 januari 2018

Histidine-signalering lijkt even belangrijk als andere routes

Onderschat communicatiekanaal in cel blootgelegd

De Escherichia coli
Een exemplaar van Escherichia coli, die bacteriesoort waarbij het onderzoek is uitgevoerd

De communicatie en signalering in cellen wordt gestuurd door bepaalde kleine veranderingen in de betrokken eiwitten. Drie van deze communicatiekanalen zijn al heel goed in kaart gebracht. De vierde, de fosforylering van histidine, kon tot nu toe niet goed experimenteel onderzocht worden. Onderzoekers van de Universiteit Utrecht hebben nu een methode ontwikkeld waarmee dat wel kan. Een eerste en onverwacht inzicht is, dat de fosforylering van histidine net zo belangrijk lijkt als de andere drie communicatiekanalen. De uitkomsten van het onderzoek is gepubliceerd in Nature Methods van 29 januari.

Lang werd gedacht dat de fosforylering van histidine een signaleringsroute is die alleen en in geringe mate bij eenvoudige organismen zoals bacteriën voorkomt. Voor hogere organismen zouden vooral de andere drie communicatiekanalen, fosforylering van serine, threonine of tyrosine, belangrijk zijn. Inmiddels is echter steeds meer bewijs gevonden dat de fosforylering van histidine zeker wel een rol speelt bij hogere organismen, waaronder mensen. “Het is dus heel interessant dat we hier nu eindelijk onderzoek naar kunnen gaan doen”, licht onderzoeksleider Simone Lemeer van de Universiteit Utrecht toe.

Actie als reactie op veranderingen

Simone Lemeer
Simone Lemeer

De vier communicatiekanalen worden onder meer gebruikt om op veranderingen in de omgeving te reageren met een actie binnen de cel, legt Lemeer uit. In de celbiologie worden ze daarom signaleringsroutes genoemd. Het signaal kan bijvoorbeeld een virusinfectie zijn, een geneesmiddel dat iemand neemt of veranderingen in het DNA die kanker veroorzaken. De fosforylering van een of meerdere typen eiwitten zet dan een kettingreactie in gang, die leidt tot een verandering in de activiteit van de cel zoals celdeling, celmigratie of celdood.

Zoeken naar een speld in een hooiberg

De fosforylering van histidine werd al in 1962 ontdekt, maar onderzoek hiernaar bleek moeilijk. “Het was zoeken naar een speld in een hooiberg”, vertelt Lemeer. De eiwitten in deze signaleringsroute komen bij mensen namelijk veel minder vaak voor dan die in de andere routes. Bovendien zijn ze niet stabiel onder de condities waarbij normaal onderzoek naar eiwitten wordt gedaan. De methoden waarmee de andere signaleringsroutes worden onderzocht, bleken voor de fosforylering van histidine daarom niet toepasbaar.

Totaal onverwacht

Het kweken van de Escherichia coli op een voedingsbodem
Het kweken van de Escherichia coli

De onderzoekers besloten daarom eerst een methode te ontwikkelen voor onderzoek bij bacteriën (de Escherichia coli), omdat hierin minder eiwitten en enzymen voorkomen. Daarbij zochten ze de optimale omstandigheden voor een zo hoog mogelijk percentage eiwitten waarbij histidine gefosforyleerd was. “Uit deze analyses blijkt dat histidine-fosforylering waarschijnlijk net zo belangrijk is als de andere signaleringsroutes. Dat is totaal onverwacht”, vertelt Lemeer.

Voedingsbodem beïnvloedt signaleringsroute

Ook toonden de onderzoekers aan dat verschillen in de omgeving – en dus verschillende signalen - inderdaad invloed hebben op de histidine-signaleringsroute. Daarvoor vergeleken ze de fosforylering en bacteriegroei voor verschillende voedingsbodems. Die bleken zowel tot verschillen in de signalering als in de stofwisseling te leiden.

Vervolgonderzoek naar antibioticaresistentie

“In vervolgonderzoek gaan we nu bekijken hoe histidine-fosforylering gerelateerd kan worden aan antibioticaresistentie. Dit zou tot een nieuwe route kunnen leiden om die resistentie tegen te gaan”, aldus coauteur prof. Albert Heck van de Universiteit Utrecht.

Dit onderzoek is medegefinancierd door NWO (Vidi Simone Lemeer en het Roadmap Initiatief Proteins@Work) en door het Horizon 2020 programma van de Europese Unie (MSmed programma).

Publicatie

Widespread bacterial protein histidine phosphorylation revealed by mass spectrometry based proteomics
Clement M Potel, Miao-Hsia Lin, Albert J R Heck en Simone Lemeer*
* alle auteurs zijn verbonden aan de Universiteit Utrecht
Nature Methods, DOI 10.1038/nmeth.4580, 29 januari 2018

Life Sciences

Dit onderzoek maakt deel uit van het interdisciplinair onderzoeksprogramma Life Sciences van de Universiteit Utrecht, en in het bijzonder van Science for Life.