Verschillende ladingen geen probleem voor transporteiwit

In de jaren 1980 ontdekten wetenschappers chloride kanaaltjes in cellen, die werden geactiveerd door calcium. Deze chloride kanaaltjes zijn eiwitten die chloride ionen (negatief geladen chlooratomen, zoals in keukenzout) kunnen doorlaten. Pas in 2008 werd de ‘identiteit’ van deze eiwitten opgehelderd: ze blijken te horen bij de zogeheten TMEM16 familie. Dit is een groep verwante membraaneiwitten die betrokken zijn bij verschillende belangrijke transportprocessen. “De chloridekanaaltjes leken bruikbaar bij de behandeling van taaislijmziekte, waarbij het chloridetransport in de longen en andere organen niet goed werkt”, vertelt Cristina Paulino, assistant professor en hoofd van de cryo-EM afdeling van de Rijksuniversiteit Groningen.

TMEM16 eiwitten zijn evolutionair gezien heel oud, ze zijn ook aanwezig in eencelligen en verschillende schimmels. In mensen zijn tien verschillende TMEM16 genen, stukjes DNA die de code bevatten voor een eiwit, gevonden. Maar toen onderzoekers ook de functie van die genen bestudeerden, kwam daar iets verrassends uit. Paulino: “Twee van de genen zorgden inderdaad voor de aanmaak van chloridekanaaltjes. Maar de andere codeerden voor zogeheten scramblases, eiwitten die de fosfolipiden, de bouwstenen van de celmembraan, kunnen verplaatsen tussen de twee helften van de dubbele laag die de celmembraan vormt.”

Dodelijke verplaatsing

De celmembraan is niet symmetrisch in samenstelling: de binnenste laag bevat andere fosfolipiden dan de buitenste laag. Scramblases kunnen de lipiden van de ene naar de andere kant te verplaatsen en dat kan grote gevolgen hebben. “Dit levert een sterk signaal op”, legt Paulino uit. “Als er bijvoorbeeld lipiden aan de buitenkant terechtkomen die eigenlijk aan de binnenkant horen, kan dat de cel tot zelfmoord aanzetten of bloedstolling activeren.” Het is daarom van groot belang voor de cellen om de activiteit van deze scramblases zeer nauwkeurig te reguleren. Maar wat het ingewikkeld maakt is dat de scramblase eiwitten zich ook gedragen als niet-selectieve ionen-kanaaltjes. Ze kunnen dus zowel fosfosfolipiden als ionen verplaatsen. De vraag was hoe een eiwit zulke verschillende taken kan uitvoeren.

De experimenten met dit eiwit leverden meer succes op. Paulino en haar collega’s zagen een open toestand met een groeve die fosfolipiden kon transporteren. Daarnaast waren er een gesloten toestand en een tussenvorm waarin ionentransport mogelijk was. “Hier vonden we dus alle drie de toestanden, en allemaal in de aanwezigheid van calcium dat juist een open toestand zou moeten induceren. Onze resultaten suggereren dat de structuur zeer dynamisch is, waarbij de verschillende toestanden met elkaar in evenwicht zijn.” De resultaten wijzen er ook op dat er naast calcium nog een factor betrokken is bij de regulatie van de activiteit van TMEM16 eiwitten. Dat past bij het idee dat de activiteit in cellen heel strikt is gereguleerd.

Scramblases eerst

Inmiddels hebben Paulino en haar collega’s nu een veel duidelijker beeld van de werking van de TMEM16 eiwitten. “We weten dat die niet zwart/wit is, er bestaan verschillende vormen van het eiwit naast elkaar in een dynamisch evenwicht.” In de volledig open toestand werken de eiwitten als scramblases, in de intermediaire toestand is alleen ionentransport mogelijk. Dit suggereert dat de eiwitten ontstaan zijn als scramblases, maar dat sommige familieleden evolueerden tot pure ionenkanalen, mogelijk door mutaties die het eiwit vooral in de intermediaire toestand lieten bestaan.