Fosforylering: de moleculaire schakelaar die cellen aan- en uitzet
Fosforylering klinkt als iets uit een scheikundelab, maar het is een van de meest fundamentele processen in ieder levend lichaam, van bacterie tot mens. Het komt neer op iets simpels: een cel plakt een klein fosfaatgroepje (een atoom fosfor met vier zuurstofatomen eraan) op een eiwit. Dat kleine plakkertje verandert de vorm van het eiwit net genoeg om het aan of uit te zetten, zoals een lichtschakelaar. Geen fosfaatje: eiwit staat “uit”. Met fosfaatje: eiwit staat “aan” – of soms precies andersom, afhankelijk van het eiwit.
Waarom is dat belangrijk genoeg voor een heel artikel? Omdat vrijwel alles wat een cel doet – delen, bewegen, voedingsstoffen verbranden, zich verdedigen tegen een virus, of in hersencellen een herinnering vastleggen – wordt aangestuurd door dit soort schakelaars. Fosforylering is de taal waarin cellen tegen elkaar en tegen zichzelf “praten”. Als die taal verkeerd gesproken wordt, ontstaan ziektes als kanker, diabetes en Alzheimer. Vandaar dat dit proces al decennia een van de best bestudeerde onderwerpen in de biochemie is, en nog steeds volop in onderzoek staat.
Wat is het precies?
Fosforylering is het chemisch koppelen van een fosfaatgroep aan een molecuul, meestal een eiwit. Het fosfaatgroepje komt niet uit het niets: het wordt overgedragen vanuit ATP, het molecuul dat cellen gebruiken als brandstof (te vergelijken met een oplaadbare batterij). Als ATP zijn fosfaatgroep afstaat, levert dat de energie die nodig is om die groep vast te plakken aan het doeleiwit.
Deze plaktaak wordt uitgevoerd door een speciale klasse enzymen: kinases. Een kinase is een eiwit dat als enige taak heeft om fosfaatgroepen van ATP naar andere eiwitten over te brengen. Het menselijk lichaam bevat naar schatting meer dan vijfhonderd verschillende kinases, samen het “kinoom” genoemd, elk gespecialiseerd in bepaalde doeleiwitten.
Het fosfaatje wordt meestal vastgeplakt op drie specifieke bouwstenen van het eiwit: de aminozuren serine, threonine of tyrosine. Deze aminozuren hebben een plekje (een zogeheten hydroxylgroep) waar het fosfaat chemisch aan kan hechten. Welk aminozuur wordt gefosforyleerd, en waar precies in het eiwit, bepaalt vaak welk effect het heeft.
Belangrijk is dat fosforylering omkeerbaar is. Een tweede groep enzymen, de fosfatases, kan het fosfaatgroepje er weer afhalen. Door dit samenspel van kinases (aanzetten) en fosfatases (uitzetten) kan een cel razendsnel – binnen seconden tot minuten – schakelen tussen verschillende toestanden, zonder dat er nieuwe eiwitten aangemaakt hoeven te worden. Dat maakt het een van de snelste regelmechanismen die de cel tot haar beschikking heeft.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers bestuderen fosforylering om twee met elkaar verweven redenen: fundamenteel begrip van hoe cellen werken, en het ontwikkelen van medicijnen.
Op fundamenteel niveau ligt fosforylering aan de basis van vrijwel elk signaleringsnetwerk in het lichaam. Celdeling wordt aangestuurd door een cascade van kinases die op het juiste moment worden aan- en uitgezet. Het immuunsysteem gebruikt fosforylering om te herkennen wanneer een cel moet reageren op een indringer. Insuline zet via een fosforyleringscascade de opname van suiker in cellen in gang. Zelfs het vastleggen van herinneringen in hersencellen hangt samen met fosforylering van eiwitten in synapsen, de verbindingen tussen zenuwcellen.
Op medisch niveau is de belofte dat een beter begrip van welke kinases en fosfaatplekken betrokken zijn bij een ziekte, leidt tot gerichtere medicijnen. Bij veel vormen van kanker staat een kinase “continu aan” door een genetische fout, waardoor cellen ongeremd blijven delen. Een medicijn dat specifiek die ene overactieve kinase remt, kan in theorie de kankercel stilleggen zonder gezonde cellen al te veel te schaden. Dat idee – doelgerichte therapie in plaats van klassieke chemotherapie die alle delende cellen raakt – is een van de grote drijfveren achter dit onderzoeksveld.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoek naar fosforylering heeft al tot concrete resultaten geleid, zowel in de geschiedenis van de wetenschap als in de kliniek van vandaag.
- Nobelprijs 1992: Edmond Fischer en Edwin Krebs kregen de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor hun ontdekking, decennia eerder, dat eiwitfosforylering een omkeerbaar regelmechanisme is. Dit werk legde de basis voor het hele onderzoeksveld.
- Imatinib (Gleevec, Novartis), rond 2001: dit medicijn remt specifiek het BCR-ABL-eiwit, een afwijkend, overactief tyrosinekinase dat ontstaat bij chronische myeloïde leukemie (CML). Het wordt vaak genoemd als een van de eerste grote doorbraken van doelgerichte, op fosforylering gebaseerde kankertherapie.
- Palbociclib (Ibrance, Pfizer), rond 2015: een remmer van de kinases CDK4 en CDK6, gebruikt bij een veelvoorkomende vorm van borstkanker. Deze kinases zetn normaal via fosforylering de celdelingscyclus in gang; door ze te blokkeren wordt de deling van kankercellen afgeremd.
- PhosphoSitePlus: een publiek toegankelijke database, opgezet door het bedrijf Cell Signaling Technology, waarin onderzoekers wereldwijd tienduizenden bekende fosforyleringsplekken op eiwitten hebben verzameld en gedeeld.
- AlphaFold (DeepMind), sinds 2021: deze AI die eiwitstructuren voorspelt, wordt door onderzoekers gebruikt om te begrijpen hoe een fosfaatgroepje de driedimensionale vorm van een eiwit verandert – iets wat voorheen alleen met tijdrovende laboratoriumtechnieken kon worden onderzocht.
Hoe ver is de techniek?
Fosforylering zelf is geen nieuwe technologie: het is een fundamenteel biologisch mechanisme dat al sinds de jaren zeventig en tachtig van de vorige eeuw grondig wordt bestudeerd. Wat wel snel verder ontwikkelt, is de techniek om het te meten en te beïnvloeden.
Op meetgebied heeft de opkomst van fosfoproteomica – het met massaspectrometrie (een techniek die moleculen op gewicht identificeert) in kaart brengen van duizenden fosforyleringsplekken tegelijk in een cel – het veld enorm versneld. Waar onderzoekers vroeger één fosforyleringsplek per experiment konden bestuderen, kunnen ze nu in één meting tienduizenden plekken tegelijk in kaart brengen.
Toch zijn er nog stevige obstakels. Van een groot deel van de bekende fosforyleringsplekken – naar schatting een aanzienlijke meerderheid – is nog altijd niet precies bekend wat de functie is. Ook is het lastig om kinaseremmers te maken die écht specifiek zijn: veel kinases lijken chemisch op elkaar, waardoor medicijnen soms ook andere, gezonde kinases raken en bijwerkingen veroorzaken. Bij kankerbehandeling met kinaseremmers ontstaat bovendien regelmatig resistentie: tumoren vinden na verloop van tijd manieren om de remming te omzeilen. Dit blijft dus een actief en nog lang niet “afgerond” onderzoeksveld.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar fosforylering is verspreid over academische instituten, farmaceutische bedrijven en, recenter, techbedrijven die kunstmatige intelligentie inzetten.
In de farmaceutische industrie ontwikkelen grote spelers als Novartis, Pfizer en AstraZeneca al jaren kinaseremmers voor uiteenlopende kankersoorten en andere ziektes. Academisch is het Salk Institute in de Verenigde Staten een belangrijke naam, onder meer door het werk van Tony Hunter, die eind jaren zeventig als eerste tyrosinefosforylering beschreef. In Nederland doet Universiteit Utrecht gerenommeerd onderzoek op het gebied van massaspectrometrie en fosfoproteomica.
Daarnaast draagt het techbedrijf DeepMind (onderdeel van Google) met AlphaFold indirect bij aan dit veld, door onderzoekers te helpen de structurele gevolgen van fosforylering te doorgronden. Over het geheel genomen is dit een wereldwijd verspreid onderzoeksveld, met belangrijke bijdragen uit de Verenigde Staten, Europa – waaronder Nederland – en toenemend ook uit Azië.