Zonder chaperonnes is er geen eiwitvouwing mogelijk in de cel. Wat zijn we de laatste jaren te weten gekomen over hun werking, hun rol bij eiwitvouwingsproblemen en de manier waarop ze te ‘targetten’ zijn?

‘Chaperonnes zijn eiwitten en bieden andere eiwitten gedurende hun hele leven de helpende hand’, zegt Sander Tans, hoofd van het biofysica-lab van AMOLF. ‘Ze assisteren eiwitten kort na hun synthese bij vouwing tot de juiste driedimensionale structuur. Later zijn ze onder andere van belang in stresssituaties, waarbij eiwitten gaan ontvouwen of zelfs gaan aggregeren. Chaperonnes helpen de eiwitten weer terug te keren naar hun functionele vorm. Ze zijn dus cruciaal voor een cel.’
Bijzonder aan chaperonnes is dat ze generieke hulp bieden: ze helpen een heel divers aantal eiwitten. Bovendien assisteren sommige ervan niet alleen in het begin en midden in het vouwingsproces, maar ook wanneer het eiwit al bijna ‘afgevouwen’ is. Een voorbeeld hiervan is Hsp70, blijkt volgens recent onderzoek van Tans en collega’s waarover we eerder berichtten in oktober 2016.

Veelzijdig Hsp70

Tans keek naar DnaK, de bacteriële variant van Hsp70, een goed geconserveerd eiwit. Met een ‘optisch pincet’ trokken hij en zijn collega’s een eiwit langzaam uit elkaar en lieten het dan weer terugveren. Normaal kost dat trekken weinig energie. Maar wanneer DnaK aanwezig was, was er veel meer moeite nodig het eiwit uit te vouwen. ‘Hsp70 lijkt ook te binden aan eiwitten die al in een 3D-structuur zitten, en die hierdoor in deze vorm worden gestabiliseerd’, vertelt Tans. ‘Voorheen werd juist gedacht dat Hsp70 alleen de ontvouwen toestand van een eiwit stabiliseert. Maar wij laten zien dat het een heel spectrum aan toestanden kan stabiliseren. Een echte multitool dus.’
Hoe Hsp70 precies bindt aan al bijna geheel gevouwen eiwitten, is niet precies duidelijk, maar Tans heeft wel een idee. ‘Als je naar de structuur kijkt, zie je een soort klep die open en dicht kan. Als je die klep eraf haalt, kan Hsp70 zijn stabiliserende werking niet meer uitvoeren. Dat suggereert dat als de klep dichtgaat, het eiwit daar dan klemt.’

Maar Hsp70 doet nog meer. Het reguleert bijvoorbeeld ook de activiteit van gevouwen eiwitten. Bepaalde kinases en receptoren, die een rol spelen in signaaltransductie, kan het bijvoorbeeld aan- of juist uitzetten. Hoe doet Hsp70 dat? ‘Het idee is dat Hsp70 de eiwitten een klein beetje ontvouwt, ze stabiliseert in die toestand en ze op die manier deactiveert. Maar uit ons onderzoek lijkt te komen dat ontvouwing van het eiwit niet hoeft. Hsp70 kan tenslotte ook reeds gevouwen toestanden binden en stabiliseren. Dat is wat wij nu willen onderzoeken.’

Hsp70 kan zijn werk niet doen bij de ziekte van Alzheimer

Schakel

Soms gaat er iets mis. Bij neurodegeneratieve ziektes, zoals de ziekte van Alzheimer, lijken Hsp70 en andere chaperonnes hun werk niet goed te doen. Bij deze ziektes zie je aggregatie van een hele rits aan eiwitten. ‘Je hebt bij alzheimer twee verschillende aggregatieprocessen. Er is een ophoping van amyloïde bèta buiten de cel en van onder andere Tau binnen in de cel’, zegt Stefan Rüdiger, onderzoeker van het Bijvoet Center for Biomolecular Research van de UU. ‘Chaperonnes helpen tegen aggregatie door aan eiwitten te binden die dreigen samen te klonteren. Ze kunnen dan ofwel het eiwit ontvouwen en weer opnieuw laten vouwen, ofwel assisteren bij de afbraak ervan.’
Tau is een eiwit dat normaal hecht aan microtubuli, een onderdeel van het cytoskelet, en die daarbij stabiliseert. Het eiwit wordt regelmatig afgebroken en weer opnieuw aangemaakt. ‘Het chaperonne Hsp90 is de schakel die ervoor zorgt dat Tau naar de prullenbak gaat’, zegt Rüdiger, die het complex Hsp90-Tau 2 jaar geleden beschreef. ‘Hsp90 interacteert met een ubiquitine-ligase CHIP, waarna CHIP Tau ubiquiteert, zodat het naar het proteosoom gaat voor afbraak. Ergens zit er bij de ziekte van Alzheimer een kink in de kabel, waardoor Tau niet of niet snel genoeg wordt afgebroken, zodat het aggregeert. Waar precies weten we niet. Er zit in ieder geval geen mutatie in de genen voor Hsp90 of Tau.’

Chaperonnenetwerk

Het onderzoek van Tans en Rüdiger richt zich vooral op een of enkele chaperonnes en ze bestuderen het werkingsmechanisme daarvan tot in detail. Een andere onderzoeksstroming is het enorme netwerk bekijken van chaperonnes en alle eiwitten waarop ze invloed hebben. Dat is wat Saskia van der Vies doet op de afdeling pathologie van het VUmc. ‘Chaperonnes vormen hele complexen. Je ziet vaak Hsp70, Hsp90 en allerlei cochaperonnes knus bij elkaar wanneer ze een eiwitketen helpen te vouwen’, zegt ze. ‘En zij hebben allemaal invloed op elkaar. Door dit netwerk te onderzoeken, leer je veel meer over wat er gebeurt bij een bepaald ziektebeeld.’

Van der Vies kijkt nog het meest naar kinases, eiwitten die in veel stadia van de ziekte van Alzheimer een rol spelen. Gedacht wordt dat ze als reactie op de aggregatie van amyloïde bèta neuroinflammatie stimuleren. ‘Kinases zijn eiwitten die al heel ver in hun vouwingsproces zitten, maar nog altijd gebonden zijn aan chaperonnes. Op dat moment zijn ze niet biologisch actief. Wij willen weten welke kinases in welke stadia van de ziekte actief zijn, en welke chaperonnes daarbij betrokken zijn. Dat doen we met post mortem hersenmateriaal.’

Geneesmiddel

Een geneesmiddel ontwikkelen tegen de ziekte van Alzheimer is geen sinecure. Ten eerste omdat mensen vaak te laat met klachten bij de dokter komen en er dan al veel mis is in de hersenen. Eiwitten zijn reeds geaggregeerd, waardoor neurologische schade in de hersenen is ontstaan. ‘Wat je ziet gebeuren is als volgt: Tau begint een beetje te aggregeren, bijvoorbeeld door stress of een tekort aan chaperonnes. Het moet dan of hervouwen worden of worden afgebroken. Op een gegeven moment is er zo veel Tau dat er filevorming ontstaat. De vouwingscapaciteit van de cel is dan niet meer voldoende. Dan aggregeert het tau-eiwit. Als dan ook nog eens andere eiwitten, die van zichzelf al labiel zijn, in de problemen komen, heb je de poppen aan het dansen. En waar moet je ‘targetten’ in deze hele cascade?’

Verschillend ingrijpen

Toch zijn er ideeën voor andere therapieën te ontwikkelen tegen de ouderdomsziekte. ‘Zo zou je extra Hsp70 in hersencellen kunnen brengen als bescherming tegen aggregatie. Dit lijkt te werken in fruitvliegjes. Het is wel de vraag wat het bij mensen doet’, zegt Tans. Ook het chaperonne Hsp90 is te ‘targetten’. Bijvoorbeeld door het te remmen. Rüdiger: ‘Je zou zeggen: dat wil je niet, omdat je dan meer aggregatie krijgt. Maar misschien juist wel, omdat je daarmee, via een ingewikkeld proces, ervoor kunt zorgen dat het schadelijke aggregaat overgaat in een niet-schadelijke versie. De farmaceutische industrie onderzoekt nu deze mogelijkheid.’
Maar je slechts richten op één target is niet genoeg . ‘Je moet meer gaan beïnvloeden, wil je een complexe ziekte als alzheimer aanpakken’, stelt Van der Vies. ‘Chaperonnes vouwen heel veel eiwitten, en er zijn veel compensatiemechanismen, dus op meerdere manieren ingrijpen is noodzakelijk.’