Parkinson op de kubieke nanometer
In de ziekte van Parkinson speelt het eiwit alpha-Synucleine -
aS voor intimi - een belangrijke rol. Maar hoe het werkt, en
wat het doet met de zenuwcellen is nog grotendeels een raadsel.
Biofysicus Martina Huber verschaft met behulp van
elektronspinresonantie nieuwe informatie over de wisselwerking
van het eiwit met het zenuwmembraan: niet alle plekken van het
eiwit binden daar even goed aan, en dat is afhankelijk van de
lading van het membraan.
Afbeelding: Martina Huber
Plaques
Het eiwit aS is het belangrijkste bestanddeel van de
eiwitplaques - de Lewy bodies - die kenmerkend zijn voor
Parkinson. En in de erfelijke variant van Parkinson, die zich
op jongere leeftijd manifesteert dan de veel vaker voorkomende
ouderdomsvariant, blijkt het gen gemuteerd te zijn dat voor het
eiwit aS codeert. Door die genafwijkingen klonteren de eiwitten
gemakkelijker samen.
Wisselwerking met zenuwmembraan
De structuur van het eiwit is nog grotendeels onopgehelderd,
evenals de wisselwerking van het eiwit met het
zenuwcelmembraan. Die wisselwerking is waarschijnlijk van
cruciaal belang voor de biologische functie van het eiwit, en
voor de vorming van Lewy bodies.
Drie vormen
aS is een klein eiwit, met 140 aminozuren. Het is een
fascinerend eiwit, vindt Huber. Als het is opgelost in een
vloeistof, heeft het nauwelijks een structuur. Maar als het aan
het membraan bindt, neemt het wel een duidelijke structuur aan,
namelijk die van twee aan elkaar gekoppelde helixen. In plaques
neemt het eiwit nog weer een andere structuur aan, die
bèta-sheet wordt genoemd
Hoefijzervorm
In juni van dit jaar hebben Huber en collega's al laten zien
(in het tijdschrift JACS) dat de helixvorm de neiging heeft
zich in een hoefijzervorm over het membraan te vouwen. In het
tijdschrift ChemBioChem legt ze deze week nieuwe informatie
bloot over het eiwit, ditmaal over de wisselerking met het
zenuwmembraan. Huber en haar groep voerden dit onderzoek samen
uit met collega's van de universiteit van Twente, de groep van
V. Subramaniam.
Afbeelding: Eerder dit jaar ontdekten Huber en collega's dat
het eiwit aS zich bij binding aan het membraan vormt als een
hoefijzervormige helix. (Afbeelding: FOM)
Binding aan het membraan
Huber bestudeert het eiwit op nanometerschaal, met behulp van
elektronspinresonantie. Ze keek ditmaal naar de
aantrekkingskracht tussen membraan en eiwit, door met
elektronspinresonantie de bewegingssnelheid te meten van
gelabelde plekken op het eiwit. En ze ontdekte daarmee dat niet
alle plekken op het eiwit even goed binden aan het -
kunstmatige - membraan.
Grotere aantrekkingskracht nodig
Als een membraan zelf overwegend negatief geladen is, bindt het
hele eiwit - twee aan elkaar verbonden helixstrengen - eraan,
maar naarmate het membraan een minder negatief tot meer
neutrale lading heeft, laat een deel van het eiwit het membraan
los. Dat deel van het eiwit moet dus minder prositief geladen
zijn dan de rest, en heeft daarom een grotere
aantrekkingskracht van het membraan nodig.
Informatieoverdracht
Onderzoekers denken dat de wisselwerking van het eiwit met het
membraan grote invloed heeft op het ziek worden. `Als er te
veel eiwit aan het membraan bindt, zou dat membraan
bijvoorbeeld kunnen gaan lekken', zegt Huber. `We hebben het
hier over ingewikkelde synaptische membranen, die belangrijk
voor informatieoverdracht zijn. Je kunt je dus voorstellen dat
er van alles fout kan gaan als dat gebeurt.'
Discussie over vorming plaques
Discussie over vorming plaques
Ook de vorming van plaques heeft hoogstwaarschijnlijk te maken
met de manier waarop het eiwit, in helixvorm, aan het membraan
bindt. Maar hoe precies? Daar discussiëren onderzoekers nog
over. Huber: `Sommigen denken dat binding aan het membraan de
plaquevorming bevordert, maar anderen denken juist dat eiwitten
minder snel samenklonteren als ze aan een membraan gebonden
zijn.' `Maar waarschijnlijk kan het allebei', zegt ze, nu ze
heeft ontdekt dat niet alle plekken op het eiwit even goed aan
het membraan binden. `Het hangt af van de condities.'
---
---
Elektronspinresonantie
Huber bestudeerde aS-eiwitten die met de ziekte van Parkinson
in verband gebracht worden met behulp van
elektronspinresonantie. Elektronspinresonantie (ESR) is een
broertje van kernmagnetische resonantie (NMR). De Leidse fysici
zijn de enigen in Nederland die werken aan de ontwikkeling en
verfijning van ESR, waarvoor diepgaande kennis van
instrumentatie en spins nodig is. Huber: `Wij vervangen een of
meer aminozuren op een eiwit door zogenoemde spinlabels. Die
manipuleren wij met microgolven, waarvan we dan de signalen
opvangen.'
Met ESR kun je afstanden tussen twee spinlabels meten op een
schaal van een halve tot - onder ideale omstandigheden - 8
nanometer, met een foutenmarge van 0,01 nm. Bewegingssnelheden
van de rondtollende spins zijn te meten in nanoseconden. In een
oplossing kunnen de spinlabels vrijuit rondtollen maar die
bewegingsvrijheid neemt af naarmate ze meer gebonden zijn aan
een membraan. Huber gebruikte een kunstmatig membraan dat
zoveel mogelijk lijkt op een biologisch membraan. Door neutraal
en negatief geladen lipiden in verschillende hoeveelheden te
mengen gaf ze de membranen een verschillende ladingsdichtheid.
---
---
Biochemisch onderzoek
Dat aS-eiwitten goed binden aan negatief geladen membranen
hadden biochemici ook al gezien. Huber: `Maar met biochemische
technieken kun je alleen iets zeggen over het eiwit als geheel:
het bindt wel of het bindt niet. Wij hebben het gedetailleerder
kunnen onderzoeken.'
Ziek
Wat betekent haar ontdekking voor het begrip van de ziekte van
Parkinson? Huber: `Hoe dat in het menselijk lichaam werkt,
staat voor mij als biofysicus iets te ver weg van mijn
expertise. Synaptische membranen hebben bijvoorbeeld een heel
complexe structuur, die je in mijn kunstmatige membraan
natuurlijk niet hebt. Maar de grote vragen voor mij zijn wel:
verandert de lading van een membraan misschien als iemand ziek
wordt? Kan het eiwit, als het helemaal bindt, gemakkelijker het
membraan in duiken? En bindt het, als het membraan minder sterk
geladen is, eerder aan andere eiwitten?'
Spin-Label EPR on a-Synuclein Reveals Differences in the
Membrane Binding Affinity of the Two Antiparallel Helices (p
NA)
Malte Drescher, Frans Godschalk, Gertjan Veldhuis, Bart D. van
Rooijen, Vinod Subramaniam, Martina Huber
ChemBioChem 26 september 2008 (advance of print)
Abstract
Het onderzoek geleid door Martina Huber is deel van het FOM
programma Biomolecular physics: project 03BMP03
(30 september 2008/HP)
30/9/2008
Universiteit Leiden