Een file in de cel

Onderzoekers UvA en VU onthullen opstoppingen in motoreiwitverkeer in cellen

20 november 2017

Om een cel in leven te houden, transporteren moleculaire motoreiwitten continu bouwstenen en afval door de cel, langs een netwerk van biopolymeren. Vanwege de hoge dichtheid van deze eiwitten neemt men aan dat opstoppingseffecten dit transport beïnvloeden, net zoals files het verkeer op de weg hinderen. Er is echter niet veel bekend over zulke opstoppingseffecten in het celverkeer. Onderzoekers in de groepen van Erwin Peterman en Peter Schall aan het LaserLaB (VU) en het Institute of Physics (UvA) hebben nu een manier ontdekt om opstoppingen in het celverkeer direct te visualiseren en te meten. Hun resultaten, deze week gepubliceerd in Physical Review X, verschaffen nieuwe inzichten in de motorinteracties in het drukke moleculaire verkeer.

Levende cellen hebben een continu transport van voeding en afval nodig. Dit transport wordt verzorgd door moleculaire motoreiwitten, die organellen en andere bouwstenen vervoeren langs het netwerk van biopolymeren in het cytoskelet, dat zich uitstrekt door de gehele cel. Het mechanisme waarmee de individuele motoren bewegen is uitgebreid bestudeerd: Kinesine-1 bijvoorbeeld, een belangrijk lid van de Kinesine-familie van eiwitten, beweegt door middel van opeenvolgende ‘hand-over-hand’-stappen van twee motordomeinen in precieze stappen van 8 nanometer.

Groepsgedrag

Wat tot nu toe onduidelijk bleef, is hoe de motoren als groep wisselwerken en samen bewegen. Vanwege hun grote dichtheid zouden opstoppingseffecten het transport door de cel cruciaal kunnen beïnvloeden, maar tot nog toe was het niet mogelijk om deze effecten bij hoge dichtheden te bestuderen. Dergelijke informatie zou nuttig zijn voor het bestuderen van bijvoorbeeld de ziekte van Alzheimer, waar bekend is dat het transport in neuronen ernstig gehinderd wordt, met als gevolg dat motoreiwitten en hun ladingen zich plaatselijk ophopen - iets wat een rol zou kunnen spelen in het verval in hersenfunctie.

Snelheidsmetingen

Onderzoekers van de UvA en de VU hebben nu significante vooruitgang geboekt in het opstoppingsprobleem door een nieuwe correlatie-beeldtechniek te combineren met fysische modellen. Net als in voorgaande studies gebruikten ze daarbij motoren die onder goed gedefinieerde condities fluorescerend gemarkeerd werden. Deze motoreiwitten bevonden zich op microtubulen - onderdelen van het cytoskelet van de cel - die waren verzameld op een glazen plaatje. Door de correlatie van de bewegende beeldpunten, veroorzaakt door de fluorescerende motoreiwitten, in ruimte en tijd te onderzoeken, konden de onderzoekers voor het eerst metingen verrichten aan de snelheden van de eiwitten en aan de afstanden die ze aflegden langs de filamenten - en dat alles bij hoge dichtheden.

Verkeersopstoppingen

De metingen onthulden een opmerkelijke vertraging in de motoren naarmate de dichtheid toenam - een bewijs voor de vorming van verkeersopstoppingen. Deze opstoppingen konden ook direct bevestigd worden aan de hand van de waargenomen sporen van de motoren. De onderzoekers lieten bovendien zien dat de opstoppingen goed beschreven worden door eenvoudige transportmodellen, waarin de proteïnen gemodelleerd worden als solide deeltjes die zich opstapelen als ze in elkaars vaarwater komen. Verrassend genoeg vertoonden de verschillende motorsoorten wel heel verschillende afstanden waarover ze met elkaar kunnen wisselwerken, variërend van hun eigen fysieke grootte tot maar liefst 30 maal die afstand.

Het ophelderen van het mechanisme achter die lange-afstandswisselwerking blijft een intrigerend vraagstuk voor toekomstig onderzoek. De huidige resultaten tonen echter al duidelijk de verschillende eigenschappen van de verschillende soorten motoren aan. Door meer over deze motoreiwit-specifieke eigenschappen te weten te komen, kan men in de toekomst wellicht de opstoppingseffecten in het celverkeer onder controle krijgen of zelfs verminderen.

Artist’s impression van moleculaire motoren die door ruimte en tijd bewegen

De kleurenplot toont de gemeten correlatiefunctie, die de afstand aangeeft (verticale as) waarover de motoren zich gemiddeld in de tijd (horizontale as) voortbewegen. De uniforme helling toont de constante snelheid. De verandering in kleur laat zien dat er verlies van correlatie is doordat de motoren van de microtubule loskomen.

Publicatiegegevens

Correlation Imaging Reveals Specific Crowding Dynamics of Kinesin Motor Proteins, D. M. Miedema, V. S. Kushwaha, D. V. Denisov, S. Acar, B. Nienhuis, E. J. G. Peterman, en P. Schall, Phys. Rev. X 7, 041037

Gepubliceerd door  UvA Persvoorlichting