Eiwitafbraak is voor biochemici van een gevreesd verschijnsel in experimenten veranderd in een hot topic. Bij steeds meer ziektes wordt de rol van een verstoorde eiwitafbraak onderkend.

Aaron Ciechanover was wel eens wat gefrustreerd dat hij zijn artikelen niet in vooraanstaande tijdschriften als Nature of Cell gepubliceerd kreeg, terwijl hij dat wel probeerde”, herinnert de Utrechtse hoogleraar celbiologie Ger Strous zich, die de huidige Nobelprijswinnaar sinds 1980 kent. “We waren in dat jaar beide visiting scientist op MIT en zagen elkaar elke dag.” Ribosomen (de eiwitproducerende fabrieken in de cel) waren net ontdekt, evenals de rol van mRNA bij het aan elkaar rijgen van aminozuren. “De vertaling van DNA naar eiwitten stond erg in de belangstelling. Daar kon je destijds mee scoren, niet met de afbraak van eiwitten.”

Zonder veel interesse van de buitenwereld ontrafelde Ciechanover, zijn promotor Avram Hershko, en zijn Amerikaanse gastheer Irwin Rose de mechanismen van de cel om op een gecontroleerde manier ongewenste overbodige of verkeerd gevouwen eiwitten op te ruimen. In december mag het trio naar Stockholm om daar de Nobelprijs voor hun pionierswerk in het eiwitafbraakonderzoek in ontvangst te nemen.

Bij de gecontroleerde eiwitafbraak is een sleutelrol weggelegd voor ubiquitine, een polypeptide dat is opgebouwd uit 76 aminozuren. Hangt de cel meerdere ubiquitines aan een ongewenst eiwit, dan is dit een kus des doods. Alleen eiwitten waar dit label aan hangt, worden afgebroken in een van de dertigduizend papierversnipperaars van de cel, de proteosomen. Het trio ontdekte verder dat drie verschillende type enzymen, E1, E2 en E3, ubiquitine op hun beurt naar de te versnipperen eiwitten leiden. Met name E3, waarvan er enkele honderden verschillende zijn in een cel, is kieskeurig. Dit enzym zorgt voor de specificiteit van de afbraak.

Ciechanover koos destijds bewust voor een onderwerp waar nog niet alle Amerikanen op gedoken waren. Wil je de competitie aangaan vanuit een klein land als Israël, dan moet je origineel zijn, stelt hij in een interview op de website van het Nobelcomité. Ciechanover: “Toen iedereen naar eiwitsynthese keek, dachten wij: misschien is er ook iets belangrijks aan de andere kant. Niet dat we het echt verwachten, maar we wisten dat eiwitafbraak van belang moest zijn. Daar waren hints voor.”

De belangrijkste hint was dat de cel er niet zoveel energie in zou stoppen in de vorm van ATP als het geen belangrijk mechanisme is. “Dat Ciechanover dat vroeg onderkend heeft, is een van zijn belangrijkste verdiensten”, meent Strous. “Verder heeft hij het eiwitafbraaksysteem van de cel zijn hele carrière gepromoot. Wat mij betreft is Ciechanover echt de drijvende kracht geweest; de advocaat van ubiquitine. Door zijn enthousiasme springen bij zijn lezingen de vonken ervan af.”

Gelukstreffer

Ondanks Ciechanovers enthousiasme duurde het lang voor de biochemische en moleculaire-biologische goegemeente overtuigd raakten van het belang van eiwitafbraak in de cel. “Gecontroleerde eiwitafbraak zag men begin jaren tachtig alleen als een leuk biochemisch proces. Pas door de ontdekking van het eiwit p53 kwam ubiquitinering begin jaren negentig in een ander daglicht te staan”, vertelt de Utrechtse hoogleraar moleculaire biologie Marc Timmers.

P53 reguleert tijdens de celdeling het herstel van DNA-schade en het bleek heel gevaarlijk te zijn als een cel te veel van dit eiwit afbreekt. Gebeurt dit toch, dan wordt de celdeling te sterk gestimuleerd en wordt DNA-schade niet op tijd hersteld, vaak met kanker als gevolg. Timmers: “Pas hierdoor werd echt duidelijk dat gecontroleerde eiwitafbraak ook een belangrijk regelmechanisme is van de cel. Het Nobelonderzoek was dus ook een beetje een gelukstreffer.”

De Utrechtse hoogleraar heeft nog een andere verklaring voor de aanvankelijke matige interesse. “Een biochemicus leert er alles aan te doen om te voorkomen dat het eiwit dat hij wil isoleren wordt afgebroken door proteases”, stelt Timmers. “Je moet in het lab altijd erg je best doen om te voorkomen dat de proteases, die normaal veilig opgeborgen zitten in een apart organel, tijdens je experimenten niet vrijkomen. Daarom heeft het voor mij wel iets ironisch dat nu wereldwijd zoveel biochemici aan eiwitafbraak werken.”

De echte omslag van matige naar grote interesse kwam in het nieuwe millennium, meent Strous. Bij het sequencen van het genoom ontdekte men dat er meer dan duizend genen betrokken zijn bij de afbraak van eiwitten. Als we er zo veel genen voor hebben, dan moet het wel een verschrikkelijk belangrijk proces zijn, was de gedachte na deze ontdekking.

stortvloed

“Met speeltjes die daarna op de markt kwamen, is iedereen in zijn eigen systeem gaan kijken of er geübiquineerde eiwitten in zaten”, vervolgt Strous. Met antilichamen die specifiek aan ubiquitine binden en stoffen die de koppeling van ubiquitine aan eiwitten remt, kan je in enkele proefjes zien of de cel het eiwit dat jij al jaren bestudeert ook ubiquitineert. Zulke speeltjes maakten het veld voor iedereen toegankelijk. “Ik schat dat nu zo’n tien procent van alle biochemische wetenschappelijke publicaties wereldwijd direct of indirect met ubiquitine te maken hebben’, stelt Huib Ovaa van het Nederlands Kanker Instituut (NKI), die zelf als synthetisch organisch-chemicus met zijn groep aan nieuwe remmers van het ubiquitine-proteasoomsysteem werkt.

De recente stortvloed aan experimenten met ubiquitine, laat zien dat dit polypeptide bij enorm veel biologische processen betrokken is. Verstoorde ubiquitinering speelt ook in allerlei ziektes een rol, van taaislijmziekte tot kanker en afweerziektes als reuma. “En dan weet je dat er een Nobelprijs voor zal komen”, stelt Strous. “Zeker als je ook wordt uitgenodigd voor een Nobelprijssymposium in Zweden over ubiquitine. Dat maakt duidelijk dat het Nobelcomité erover denkt een prijs uit te reiken op dit terrein. De vraag is dan vooral nog: wie krijgt hem?”

Het bestuur van de Nederlandse Vereniging voor Biochemie en Moleculaire Biologie (NVBMV), dat als spreker van het jaar graag onderzoekers uit de Nobelprijscategorie uitnodigt, dacht dat Ciechanover hoge ogen zou gooien. “Ik ben wel erg vereerd. Het is een leuke samenloop van omstandigheden dat hij in juni bij ons als spreker van het jaar in Rotterdam, Utrecht en Groningen een lezing gaf. Hij sprak verder met aio’s en postdocs die aan ubiquitinering werken”, vertelt NVBMB-bestuurslid Timmers. “Nu zou het niet meer zo makkelijk zijn om een afspraak met hem te maken, iets wat we nu overigens ook al anderhalf jaar van tevoren hadden gedaan.”

Vermageren

Voor de farmaceutische industrie biedt de kennis over de gecontroleerde eiwitafbraak de komende jaren zeker kansen, meent Strous. “Ik vermoed dat er duizenden verschillende E3-enzymen zijn die ubiquitine specifiek aan bepaalde eiwitten koppelen. Door te zoeken naar remmers die alleen het gewenste E3-enzym remmen, kan je heel specifiek ingrijpen bij ziektes. Bijvoorbeeld als je een halt wilt toeroepen aan ontstekingsreacties die in het lichaam meer kwaad dan goed doen, zoals het geval is bij de ziekte van Alzheimer. Mogelijk helpt het dan als je de cel met behulp van ubiquitine specifiek het eiwit dat de ontstekingsreactie in gang zet laat afbreken.”

Zelf onderzoekt Strous het tegengaan van ubiquitinering en dus van de afbraak van receptoren voor groeihormonen bij mensen met bijvoorbeeld kanker of aids. “Doordat cellen bij deze mensen te veel groeihormoonreceptoren afbreken, worden hun cellen ongevoeliger voor groeihormonen en vermageren ze sterk. Daarom zijn we op zoek naar welke combinatie van E2- en E3-enzymen de groeihormoonreceptoren als doelwit hebben. Als we deze enzymen een halt toe kunnen roepen met specifieke E2- en E3-remmers, hopen we dat mensen met ingrijpende ziektes minder snel verzwakken en niet doodgaan door uitmergeling.”

NKI-onderzoeker Ovaa ziet in het kankeronderzoek nog een andere mogelijkheid. “Ik werk ook aan remmers die de-ubiquitinering tegen gaan.” Als er in het behoeden voor afbraak iets mis gaat, kunnen kankerveroorzakende eiwitten zich ophopen, legt Ovaa uit. “Dit proces verdient komende jaren meer aandacht.”