Zelfs als twee exemplaren van E.coli exact hetzelfde genoom hebben, zitten er nog grote verschillen in hun productie van mRNA en eiwitten. Die productie wordt namelijk sterker door toeval bepaald dan iemand zich ooit gerealiseerd lijkt te hebben, zo meldden Harvard-onderzoekers onlangs in Science.

Tot nu toe werd eigenlijk altijd voetstoots aangenomen dat een gegeven genotype ook altijd precies hetzelfde fenotype oplevert. En dat je de eiwitproductie per cel dus kon bepalen door een hele bacteriekolonie tegelijk uit te persen en de gevonden hoeveelheid te delen door het aantal cellen.

Dat klopt dus voor geen meter.

Sunney Xie en collega’s hebben een handige methode bedacht om te tellen hoeveel eiwitten van een bepaald type in één bacteriële cel zitten. Eerst maakten ze een bibliotheek met 1.018 verschillende E.coli-stammen waarin telkens één gen is uitgebreid met een GFP-code zodat het geproduceerde eiwit groen gaat fluoresceren. Vervolgens ontwierpen ze een lab-op-een-chip met ruimte voor 96 stammen uit die bibliotheek, die stuk voor stuk onder een fluorescentiemicroscoop kunnen worden doorgepompt: telkens 4.000 cellen per 25 seconden.

Ook bedachten ze een methode om de hoeveelheid mRNA-moleculen in zo’n cel te tellen; dat deden ze bij 137 stammen uit de bibliotheek, voor genen met een relatief hoge expressie. In de praktijk is het aantal mRNA-moleculen namelijk een stuk lager dan het aantal corresponderende eiwitten.

Resultaat: binnen zo’n bacteriestam is de fluorescentie per cel (en dus het aantal moleculen van het gelabelde eiwit) bepaald niet constant. Zeker wanneer het een eiwit betreft waarvan gemiddeld weinig wordt aangemaakt, krijg je een fraaie gammadistributie te zien. In de praktijk betekent dit dat in sommige cellen het aantal exemplaren van zo’n eiwit gelijk is aan nul, terwijl het coderende gen gewoon in orde is en bij zustercellen volop tot expressie komt.

De reden ligt voor de hand: zo’n bacterie heeft maar één exemplaar van elk gen en een beperkte hoeveelheid gereedschappen waarmee zij al haar genen moet aflezen, en dan wordt het een kwestie van toeval welk gen als eerste aan de beurt is.

Naarmate een gen productiever wordt, blijken de fluctuaties (door de onderzoekers ‘intrinsic noise’ genoemd) relatief kleiner te worden. Die ‘belangrijke’ eiwitten zijn ook altijd wel in de cel vertegenwoordigd. Maar op een gegeven moment stabiliseren de fluctuaties zich: zelfs bij de meest voorkomende eiwitten vind je nog verschillen van ongeveer 30 procent in de gemeten aantallen. Hoe dat precies kan is nog niet helemaal duidelijk maar de onderzoekers spreken van ‘extrinsic noise’, veroorzaakt door andere onderdelen van de cel, zoals de ribosomen, die eveneens last hebben van het toeval. De ‘intrinsic noise’ verzuipt daar als het ware in.

Een andere conclusie is dat er in het geheel géén relatie blijkt te zijn tussen de aanwezige hoeveelheid van een eiwit en de hoeveelheid mRNA-moleculen met de code voor dat eiwit. Dat komt waarschijnlijk doordat het gemiddelde mRNA in E.coli binnen een paar minuten wordt afgebroken terwijl eiwitten vele malen langer leven. Met andere woorden: de hoeveelheid mRNA is niet meer dan een momentopname van een proces dat door kansrekening wordt aangestuurd.

De onderzoekers concluderen er uit dat ‘single-cell transcriptome analysis’ oftewel het tellen van mRNA-moleculen tamelijk zinloos is, en dat je beter eiwitten kunt tellen.

De algemene conclusie van het verhaal is uiteraard dat je echt maar naar één cel tegelijk moet kijken als je de mechanismes rond genetische expressie ooit helemaal wilt begrijpen.

bron: The Scientist