Door heel gericht in individuele gistcellen de biosynthese van eiwitten te volgen, laten onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen in Nature Metabolism zien dat dit geen constant proces is, maar dat het in duidelijk gescheiden golven plaatsvindt. Een heel nieuw inzicht dat niet zonder slag of stoot werd geaccepteerd. ‘We moesten opboksen tegen een publicatie uit 1978.’
Veel processen in de cel zijn gekoppeld aan de celcyclus - het overkoepelende cellulaire ritme dat de celdeling en alles wat daarbij hoort zeer nauwkeurig reguleert. Die cyclus, zie ook ons Dossier Celcyclus, doorloopt verschillende fasen waarin bepaalde processen wel of juist niet plaatsvinden. De verdubbeling van het DNA, zodat de dochtercel een compleet genoom meekrijgt, vindt bijvoorbeeld plaats tijdens de zogeheten S-fase. ‘Dat weten we al heel lang’, zegt Matthias Heinemann, hoogleraar moleculaire systeembiologie in Groningen, ‘maar van de biosynthese van eiwitten en andere macromoleculen was de aanname dat die constant doorloopt gedurende de celcyclus.’
Golven
Die aanname kwam op de helling te staan toen Heinemann en zijn team in 2019 zagen dat de biosynthese van sommige eiwitten een duidelijke piek vertoonde tijdens de G1-fase; de start van een nieuwe celcyclus. Heinemann: ‘We hadden op single-cell niveau eiwitsynthese gemeten en daarin zagen we een duidelijk golfpatroon.’ Het team werkte verder met de resultaten om meer in details te verkrijgen over deze patronen en kwam vervolgens tot de conclusie — zoals nu beschreven in Nature Metabolism — dat zowel de eiwitsynthese als de biosynthese van lipiden en polysachariden niet constant zijn, maar ieder op eigen wijze zijn gekoppeld aan de celcyclus.
Gevecht
Maar de acceptatie van deze paper ging niet zonder slag of stoot. ‘Het was een heel gevecht, van maar liefst twee jaar, om onze resultaten gepubliceerd te krijgen. We moesten vooral opboksen tegen een paper uit 1978 waarin op populatieniveau was geconcludeerd dat eiwitsynthese constant is’, verzucht Heinemann. Bij populatiestudies kijk je naar een groot aantal gesynchroniseerde cellen, dus cellen die zich in dezelfde fase van de celcyclus bevinden, en dan meet je de snelheid van bijvoorbeeld de eiwitsynthese. Maar studies aan populaties van cellen zijn niet zaligmakend. ‘Je krijgt je een gemiddelde van al die cellen en je weet niet precies wat er in een individuele cel gebeurt’, legt Heinemann uit. ‘Bovendien zijn die cellen nooit exact synchroon. Er is altijd variatie, ook intrinsiek tussen cellen, en dan is er nog ruis in de metingen. De onderliggende golfbewegingen in de synthesesnelheid werden daardoor weggepoetst.’
Tweede methode
Om de kritische reviewers te overtuigen, was een tweede, onafhankelijke methode nodig waarmee Heinemann c.s. konden aantonen dat er echt sprake is van een golfpatroon in de biosynthese. Dat vroeg (weer) veel technologie-ontwikkeling, want zo’n methode was niet voorhanden. Het team besloot om het co-enzym NADH (nicotinamide-adenine-dinucleotide) te gebruiken als indicator. NADH fungeert als elektronendrager en wordt door heel veel eiwitten gebruikt. Heinemann: ‘Bovendien is het molecuul intrinsiek fluorescent, dus als het wordt verbruikt of geproduceerd kun je dat meten.’
Inhibitor
De andere pijler van deze ‘stop-and-respond’ methode is het gebruik van een inhibitor, die de eiwitsynthese blokkeert. ‘Als dat gebeurt, moet je een effect op NADH verbruik kunnen zien’, legt Heinemann uit. ‘Is er geen eiwitsynthese, dan is er geen effect van de inhibitor en zie je ook niets veranderen in het NADH verbruik. Maar is er wel synthese wanneer je de inhibitor toevoegt, dan zie je dat terug in een verandering in het NADH verbruik. En doordat je precies weet in welke fase een cel zich bevindt, kun je bepalen of er in die fase wel of geen eiwitsynthese plaatsvindt.’
Ook met deze twee, nieuwe methode bleven de resultaten duidelijk overeind. Eiwitsynthese piekt tijdens twee fasen van de celcyclus, de G1-fase aan het begin en de S/G2/M fase in het midden. De groep paste hetzelfde principe toe op de biosynthese van lipiden en polysachariden en ook daar is een ritmisch patroon zichtbaar, maar anders dan bij eiwitten. De aanmaak van deze twee groepen macromoleculen piekt alleen tijdens de S/G2/M fase.
Knopvorming
Daarmee is de kous nog niet af, want heeft Heinemann ook een verklaring voor deze verschillende golfpatronen? ‘Wij hebben nu gekeken naar bakkersgist, budding yeast, en die cellen delen niet symmetrisch, maar via knopvorming. Onze hypothese is dat de moedercel zich eerst volpompt met eiwitten en zodra dat klaar is, zijn pas de lipiden en suikers nodig om de knop verder te vormen.’
Hij ziet ook wel een biofysische verklaring. ‘Eerst zijn er veel eiwitten nodig om de druk binnenin de cel op te voeren, zodat de knopvorming kan beginnen en dan heb je de bouwstenen nodig om de membraan groter te maken voor die knop.’ Maar hoe zit het dan met symmetrisch delende cellen, zoals ook die in ons lichaam? ‘Dat gaan we nu onderzoeken in een andere gistsoort die wel symmetrisch deelt. Die cellen staan veel dichterbij die van ons. We weten al dat ook in deze gistcellen NADH oscillaties zichtbaar zijn, maar we weten nog niet of die patronen ook zijn gekoppeld aan biologische processen.’
Evolutie
Een nog grotere vraag is op welk niveau deze golven in de biosynthese bepalend zijn in de gehele celcyclus. ‘Ik denk dat toch dat de controlemechanismen van de celcyclus vooral metabool bepaald zijn en minder door de celcyclusmachinerie worden gestuurd.’ Dat strookt niet met wat er in alle biochemie handboeken staat. ‘Daar lees je geen woord over de stofwisseling, maar als je ziet hoe ingewikkeld die regulatie van de celcyclus is met al die cyclins en andere eiwitten, dat kan toch niet vanaf het prille begin aanwezig zijn geweest in een cel? Het lijkt mij dat die verfijning gaandeweg de evolutie is ontstaan. Natuurlijk kijk ik met mijn metabole bril hiernaar, maar ik denk echt dat het ritme dat we zien in de celcyclus in de basis voorkomt uit de stofwisseling. Dat ritme is metabool bepaald.’
Nog geen opmerkingen