Proteomics levert een beperkt begrip van het functioneren van een cel, meent Philippe Bastiaens, omdat het de dynamiek van eiwitnetwerken buiten beschouwing laat. In zijn onderzoek staat de logica van die netwerken juist centraal. Het Max Planck Gesellschaft vond zijn ideeën zo interessant, dat hij een grote eigen groep van de grond mocht tillen.

Een levende cel moet hard werken om zijn organisatie te behouden. Essentieel daarbij is volgens prof. Philippe Bastiaens de interactie tussen talloze dynamische netwerken die signalen doorgeven en bewerken. Die eiwitnetwerken bestaan net als computerchips uit elementen als oscillators, schakelaars en versterkers en kunnen dus signalen verzwakken, laten uitdoven of juist versterken en/of langere tijd in stand houden.

Met deze visie gaat Bastiaens in tegen het biologische dogma dat de afzonderlijke eigenschappen van de in een cel aanwezige macromoleculen bepalend zijn voor het functioneren van de cel als geheel. “De functionaliteit zit in het gedrag van de netwerken die ze vormen. De dynamiek van signaaltransductienetwerken, en niet de eigenschappen van de afzonderlijke bouwstenen, zorgt ervoor dat een cel geen dood bouwwerk is van legosteentjes”, stelt de celbioloog.

Zelfs met een keten van exact dezelfde spelers kan een cel hierdoor meerdere spellen spelen. “Veranderingen aanbrengen in de concentraties van de betrokken eiwitten – bijvoorbeeld door siRNA toe te dienen – kan soms van een schakelaar een oscillator maken. En zo dus het antwoord veranderen dat een cel geeft op een signaal van buiten. Dat is absoluut een nieuw inzicht in de biologie.”

Afgelopen twee jaar mocht Bastiaens in Dortmund bij het Max Planck Institute of Molecular Physiology op twee verdiepingen de labs naar eigen inzicht laten verbouwen en opnieuw inrichten. En als kersverse directeur van het speciaal voor hem opgerichte departement voor systeemcelbiologie kreeg de Nederlander van de Duitsers geld om een groep van dertig tot veertig mensen mee op te starten. Acht van hen – gespecialiseerd in beeldvormende microscopie op basis van fluorescentie – nam hij mee van zijn vorige werkgever, het European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg. Eind september was Bastiaens even in Nederland voor het afscheidssymposium van de Wageningse specialist in fluorescentiemicroscopie, prof. Ton Visser.

Imaging is dé tool voor systeembiologie, vertelde Bastiaens daar. Zelf gebruikt hij een speciale fluorescentiemicroscoop om signaalketens in levende cellen onder de loep te nemen. Bijzonder is dat hij niet alleen zichtbaar kan maken in welke concentraties eiwitten aanwezig zijn, maar ook of een eiwit bijvoorbeeld gefosforyleerd is, of dat twee fluorescent gelabelde eiwitten een interactie met elkaar aangaan, en zo ja, wáár in de cel dat gebeurt.

Je vergeleek in jouw lezing macromoleculen in een cel met termieten. Waarom?

“De organisatie van een cel kun je vergelijken met het bouwen van een termietenheuvel. Termieten hebben geen bouwplan op zak als ze een heuvel bouwen. Hun locale interacties door middel van reukstoffen resulteren echter wel in een soort zelforganisatie die iedere keer gelijksoortige heuvels oplevert. De kunst is om te begrijpen hoe de regels van de locale interacties tussen termieten of moleculen tot zelforganisatie leiden.

In de cel worden de eigenschappen van een macromolecuul ook sterk beïnvloed door het gedrag van de macromoleculen om hem heen. Hij neemt als het ware de dynamische eigenschappen van het netwerk aan. Daardoor ontstaat een soort collectief gedrag, net als bij termieten. We kunnen hierdoor veel informatie over het gedrag van netwerken krijgen door het gedrag te ontrafelen van slechts één soort macromoleculen, die we in levende cellen met fluorescentiemicroscopie kunnen volgen.”

Wat is er mis met de proteomicsbenadering?

“Proteomics levert vaak alleen snapshots op; schema’s die weergeven welke eiwitten op het moment van meten een interactie met elkaar hebben. Omdat een cel oppervlakkig gezien net een elektronisch circuit is, heb je aan zulke schema’s vol met mogelijke interacties alleen wat als je ook weet hoe de informatie binnen het systeem stroomt. Nu staat er vaak alleen een streepje tussen twee eiwitten. Dat zou een pijltje met een richting moeten zijn en die richting kun je alleen bepalen via een heel andere benadering.”

Waarin verschilt jouw benadering?

“Om de dynamiek van netwerken op te helderen, moet je de cel ‘pesten’ door chemische of genetische storingen aan te brengen. Dat doen we door bijvoorbeeld synthetische peptiden met gewijzigde eigenschappen in te spuiten. Ook kleine moleculen zijn daarvoor geschikt, bijvoorbeeld kinaseremmers. Met fluorescentiemicroscopie kun je in een levende cel het effect van zo’n storing bekijken. Via wiskundige modellen is vervolgens de causaliteit in het systeem te achterhalen. Wij kijken daarbij niet naar moleculaire details, maar naar de logica van het systeem op de schaal van macromoleculaire netwerken.”

Wat zien proteomicsonderzoekers dan over het hoofd?

“Bijvoorbeeld dat het mogelijk is voor een cel om via dezelfde eiwitketen een signaal door te geven en vervolgens een compleet tegenovergesteld effect te bewerkstelligen. Dat gebeurt onder meer bij de receptoren voor de groeihormonen NGF en EGF. Die geven de informatie in dezelfde eiwitketen zelfs op dezelfde manier door, namelijk via fosforylatie. Toch zorgt het activeren van de receptor voor NGF voor uitrijping van een cel, terwijl de receptor voor EGF juist celdeling in gang zet.

Dat komt door één klein verschil. Bij het doorgeven van het celrijpingssignaal voor EGF gaat er bij het eerste eiwit in de signaaltransductieketen een molecuul af, en dat blokkeert positieve terugkoppeling. Bij het celdelingssignaal is die positieve feedback er wel. Die zorgt ervoor dat, ook als het hormoon op de receptor allang weer heeft losgelaten, het signaal aanblijft. Net zoals het licht aanblijft als het lichtknopje eenmalig is ingeschakeld.

Het spannende was dat we de respons op het celrijpingshormoon NGF konden omdraaien door ook daar de positieve feedback in het systeem te blokkeren. Cellen waarbij deze feedback niet werkt, gaan zich delen als respons op het hormoon dat normaal voor celrijping zorgt.”

Wat voor verrassingen over membraaneiwitten leverde jouw onderzoek op?

“Waarschijnlijk is er voor veel signaalmoleculen energie nodig om ze op de goede plek in de cel te krijgen én om ze daar te houden. Dat kun je goed zien bij Ras-eiwitten, die een sleutelrol spelen in allerlei signaalnetwerken die celgroei, differentiatie en zelfgeprogrammeerde celdood controleren.

Als er één lipide aan deze eiwitten hangt, springen ze van het ene naar het andere membraan in de cel. Veel mensen denken dat membraaneiwitten in een cel stabiel in een membraan zitten. Dat is niet zo. Ras-eiwitten kunnen zich losmaken uit het celmembraan en daarna binnen een minuut naar het Golgi-apparaat diffunderen. Om ze daar te houden, hangt de cel er een tweede vetstaart aan, waardoor ze veel sterker in het Golgi-membraan komen te zitten. Hangt de cel deze er niet aan, dan zouden ze zich over de talloze membranen in de cel verdelen, wat entropisch gezien voordeliger is.

Opvallend is dat de cel hetzelfde Ras-eiwit, ingesloten in een blaasje van het Golgi-membraan, ook weer terug naar het plasmamembraan kan vervoeren. Als het daar, ondanks zijn tweede vetstaart, na verloop van tijd uitlekt – een kwestie van entropie – wordt in het cytoplasma de tweede vetstaart er afgeknipt. En dan begint de hele cyclus met hetzelfde signaalmolecuul opnieuw. Allerlei eiwitten met lipidestaarten kunnen dit dynamische systeem gebruiken om zich ruimtelijk te organiseren in de cel. Het blijkt een generiek systeem zonder stereoselectieve werking.”

Is kanker ook op een nieuwe manier te bestrijden met jullie kennis?

“Apoptose is dé natuurlijke bescherming tegen kanker. Vaak is de basale machinerie voor deze geprogrammeerde zelfmoord nog wel aanwezig, maar kan de cel hem niet meer aanschakelen. Als je de signaaltransductienetwerken hiervoor in kankercellen opnieuw werkend krijgt, dan kan de cel zichzelf weer in de gaten houden.

De vraag is hoe je kankercellen met medicijnen zo kunt herprogrammeren dat ze zich weer sociaal gaan gedragen. Met alleen kennis over afzonderlijke eiwitten krijg je dat niet voor elkaar. Je moet de netwerkstructuur hebben en dan beslissen waar je ingrijpt om de dynamiek van het systeem te veranderen.

Om het antwoord van de cel te veranderen, zul je dan vaak op meerdere punten moeten ingrijpen. Wat grote farmabedrijven nu doen is weinig succesvol, omdat ze zich veel te veel richten op het ontwikkelen van inhibitoren voor geïsoleerde eiwitten. De medicijnen die nu wel succesvol zijn, zijn vaak inhibitoren die op meerdere punten aangrijpen, zoals Glivec. Dat blokkeert ook andere kinases dan oorspronkelijk de bedoeling was.”

FEITELIJK

Philippe Bastiaens

1981-1988 opleiding moleculaire wetenschappen in Wageningen

1989-1992 promotieonderzoek en KNAW-fellow in Wageningen

1993-1996 postdoc bij het Max Planck Institute for Biophysical Chemistry in Göttingen

1997-2000 groepsleider van het celbiofysicalaboratorium bij het Imperial Cancer Research Fund in Londen

2000-2006 groepsleider van het celbiologie- en biofysicaprogramma bij het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg

2006-heden directeur van het Department of Systemic Cell Biology bij het Max Planck Institute of Molecular Physiology, en hoogleraar op de Technische Universität Dortmund

Bron: C2W life sciences21, 1 november 2008