Membraanloos organel: hoe cellen zich organiseren zonder wanden
Stel je een drupje slaolie voor dat je in een glas azijn laat vallen. De olie mengt niet met de azijn, maar vormt vanzelf een rond druppeltje dat blijft samenhangen zonder dat er een vliesje of wandje omheen zit. Iets vergelijkbaars gebeurt binnen in onze cellen. Naast de bekende celonderdelen die wél een eigen membraan (een dun omhullend vlies, vergelijkbaar met een zeepbelwand) hebben, zoals de celkern of de mitochondriën, blijken cellen ook compartimenten te maken die helemaal geen membraan hebben. Toch houden ze keurig hun eigen vorm en inhoud vast, precies zoals dat oliedruppeltje in de azijn. Zulke compartimenten noemen onderzoekers membraanloze organellen.
Deze ontdekking heeft in de afgelopen vijftien jaar een compleet nieuw beeld gegeven van hoe een cel zichzelf ordent. Een cel blijkt niet alleen kamers met wanden te hebben, maar ook een soort losse druppels van eiwitten en RNA (het molecuul dat de code van DNA aflezstic en doorgeeft) die spontaan samenklonteren en weer uit elkaar vallen, afhankelijk van wat de cel op dat moment nodig heeft. Deze druppels spelen een rol bij bijvoorbeeld het aflezen van genen, het herstellen van DNA-schade en de reactie van een cel op stress. Ze duiken ook steeds vaker op in onderzoek naar ziektes zoals ALS en bepaalde vormen van kanker, wat het onderwerp relevant maakt voor wie de toekomst van geneeskunde en biotechnologie volgt.
Wat is het precies?
Het proces achter membraanloze organellen heet liquid-liquid phase separation, oftewel vloeistof-vloeistofscheiding: hetzelfde principe waardoor olie en azijn niet mengen, maar dan met eiwitten en RNA opgelost in het waterige inwendige van de cel. Onder de juiste omstandigheden 'klonteren' bepaalde moleculen samen tot een druppel die zich gedraagt als een aparte vloeistof binnen de cel, terwijl de rest van de celinhoud eromheen als een andere vloeistof blijft bestaan.
Belangrijk voor dit proces zijn zogeheten intrinsiek ongeordende eiwitregio's (in het Engels intrinsically disordered regions, afgekort IDRs). De meeste eiwitten vouwen zich op tot een vaste, stevige 3D-vorm die past bij hun functie, zoals een sleutel die in een slot past. IDRs doen dat niet: het zijn losse, flexibele stukken eiwit zonder vaste vorm, een beetje als een stuk gekookte spaghetti in plaats van een strak gevouwen origamifiguurtje. Juist die flexibiliteit stelt ze in staat om op veel verschillende plekken tegelijk zwakke, kortdurende contacten met andere moleculen aan te gaan.
Wanneer een eiwit zulke contacten op meerdere plekken tegelijk kan maken, spreken onderzoekers van multivalente interacties: net als een molecuul met meerdere klittenbandstrookjes dat op meerdere andere moleculen tegelijk kan 'plakken'. Zodra genoeg van dit soort multivalente moleculen bij elkaar komen, ontstaat er een netwerk van steeds wisselende, zwakke verbindingen dat macroscopisch gezien op een vloeistofdruppel lijkt. Elke individuele verbinding is zwak en tijdelijk, maar met genoeg moleculen samen ontstaat een stabiele druppel.
Dat de druppels echt vloeibaar zijn en geen vaste klontjes, is aangetoond met een techniek die FRAP heet (fluorescence recovery after photobleaching, kortweg fluorescentieherstel na foto-bleking). Onderzoekers maken de moleculen in een druppel fluorescent, doven met een felle laserflits het licht in een klein gebiedje van die druppel, en kijken vervolgens hoe snel er weer nieuw fluorescent materiaal vanuit de rest van de druppel naar binnen stroomt. Bij een vloeibare druppel gebeurt dat binnen seconden tot minuten, wat laat zien dat de moleculen vrij door elkaar heen bewegen, zoals in een vloeistof, en niet vastzitten zoals in een vaste stof.
Wat wil men ermee bereiken?
De eerste drijfveer achter dit onderzoeksveld is puur wetenschappelijke nieuwsgierigheid: hoe organiseert een cel, die vol zit met duizenden verschillende moleculen in een klein, waterig volume, toch op de juiste plek en het juiste moment de juiste chemische reacties? Membraanloze organellen blijken daarbij een soort snel aan- en uit te zetten 'werkbanken' te zijn, die de cel kan vormen en weer laten oplossen zonder dat daar energie-intensieve bouw en afbraak van membranen voor nodig is.
Een tweede, klinisch belangrijkere drijfveer is het begrijpen van ziektes. Bij een aantal ernstige aandoeningen, waaronder de zenuwziekte ALS (amyotrofische laterale sclerose) en de vorm van dementie frontotemporale dementie, blijkt dat eiwitten die normaal gesproken nette, vloeibare druppels vormen, in zieke cellen kunnen 'verharden' tot vaste, plakkerige klontjes die niet meer oplossen. Onderzoekers vermoeden dat deze overgang van vloeibaar naar vast een belangrijke stap is in het ziekteproces, wat het aantrekkelijk maakt om te zoeken naar manieren om die verharding te voorkomen of terug te draaien.
Ten derde hopen wetenschappers en bedrijven nieuwe soorten medicijnen te ontwikkelen die niet, zoals de meeste huidige medicijnen, op één specifiek eiwit aangrijpen, maar op de manier waarop groepen moleculen samenklonteren. Dat opent in theorie een heel nieuwe klasse aangrijpingspunten voor geneesmiddelen. Tot slot gebruiken sommige onderzoekers de kennis over fasescheiding om in het laboratorium kunstmatige, synthetische condensaten te bouwen, als bouwstenen voor synthetische biologie: cellen die op bestelling nieuwe, door mensen ontworpen compartimenten kunnen aanmaken.
Voorbeelden uit de praktijk
De doorbraak die het veld op de kaart zette, kwam in 2009 van Clifford Brangwynne en Anthony Hyman, die destijds beiden verbonden waren aan het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden. Zij toonden aan dat zogeheten P granules, kleine deeltjes in de kiembaancellen van de microscopische worm C. elegans, zich gedragen als vloeibare druppels: ze konden samensmelten tot grotere druppels, uit elkaar vallen en druppelvormig blijven, precies zoals waterdruppels dat doen. Dit was het eerste sterke bewijs dat een celcompartiment op vloeistofmechanica kon berusten in plaats van op een membraan.
Een klassiek, al veel langer bekend voorbeeld van een membraanloos organel is de nucleoluss, een duidelijk zichtbaar bolletje binnen de celkern waar ribosomen (de moleculaire fabriekjes die eiwitten aanmaken) worden samengesteld. Pas met de inzichten over fasescheiding werd goed begrepen waarom de nucleolus, ondanks het ontbreken van een membraan, toch zo netjes zijn vorm en functie behoudt.
Een derde voorbeeld zijn stressgranules: druppels van eiwitten en RNA die razendsnel ontstaan wanneer een cel onder stress komt te staan, bijvoorbeeld door hitte of zuurstofgebrek, en die na verloop van tijd weer oplossen zodra de stress voorbij is. Twee eiwitten die hierbij vaak worden bestudeerd, FUS en TDP-43, vormen normaal gesproken onderdeel van zulke vloeibare stressgranules, maar mutaties in de genen voor deze eiwitten zijn gekoppeld aan erfelijke vormen van ALS, wat het verband tussen fasescheiding en deze ziekte extra onderbouwt.
Deze kennis heeft ook geleid tot commerciële initiatieven: het Amerikaanse biotechbedrijf Dewpoint Therapeutics, mede opgericht met inzichten uit de labs van onder anderen Brangwynne en Hyman, probeert medicijnen te ontwikkelen die specifiek op biomoleculaire condensaten aangrijpen. Daarnaast heeft het lab van Brangwynne aan Princeton University laten zien dat je met licht-gestuurde (optogenetische) technieken kunstmatige condensaten in levende cellen kunt aanmaken en weer laten verdwijnen, een systeem dat inmiddels bekendstaat onder de naam Corelets en gebruikt wordt om de regels van fasescheiding preciezer te testen.
Hoe ver is de techniek?
Sinds de sleutelpublicatie van 2009 is het aantal wetenschappelijke publicaties over biomoleculaire condensaten en fasescheiding sterk gegroeid, en het onderwerp wordt inmiddels als een van de belangrijkste nieuwe gebieden binnen de celbiologie beschouwd. Op het niveau van fundamenteel onderzoek is er dus duidelijk grote vooruitgang: er zijn steeds betere microscopietechnieken, computersimulaties en biochemische methodes om te voorspellen welke eiwitten condensaten vormen en onder welke omstandigheden.
De vertaalslag naar de kliniek, dus naar daadwerkelijke medicijnen die op condensaten aangrijpen, staat echter nog in een vroeg stadium. Op het moment van schrijven bevinden de bekende initiatieven op dit gebied zich vooral in preklinisch onderzoek of de vroegste fases van klinische ontwikkeling; er is nog geen goedgekeurd geneesmiddel dat expliciet via fasescheiding werkt.
Een fundamentele hindernis is dat het lastig is om het gedrag van condensaten precies te meten in levende, functionerende weefsels in plaats van in kunstmatige laboratoriumomstandigheden. Ook is de grens tussen een gezonde, vloeibare, goed functionerende druppel en een ziekmakende, verharde klont vaak vaag en moeilijk te bepalen, wat het lastig maakt om met zekerheid vast te stellen wanneer een medicijn daadwerkelijk op de juiste manier ingrijpt. Voorzichtigheid bij het interpreteren van beloften op dit vlak is dan ook op zijn plaats.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar membraanloze organellen is sterk internationaal en verspreid over verschillende academische centra. Clifford Brangwynne, hoogleraar aan Princeton University in de Verenigde Staten, en Anthony Hyman, directeur bij het Max Planck Instituut voor Moleculaire Celbiologie en Genetica in Dresden, Duitsland, worden algemeen gezien als de onderzoekers die het veld met hun werk uit 2009 hebben opgestart en die er sindsdien toonaangevend in zijn gebleven.
Andere vooraanstaande namen zijn Michael Rosen, verbonden aan UT Southwestern Medical Center in de Verenigde Staten, die veel fundamenteel werk heeft gedaan naar hoe multivalente eiwitinteracties condensaten vormen, en Rohit Pappu van Washington University in St. Louis, die zich vooral richt op de rekenkundige en biofysische kant: het voorspellen van fasescheidingsgedrag op basis van eiwitsequenties.
Op het commerciële vlak is Dewpoint Therapeutics een van de meest genoemde bedrijven die condensaten als aangrijpingspunt voor nieuwe medicijnen onderzoekt. Verder wordt er wereldwijd aan dit onderwerp gewerkt binnen universiteiten en onderzoeksinstituten in onder meer de Verenigde Staten, Duitsland, het Verenigd Koninkrijk en toenemend ook in Aziatische onderzoekscentra, meestal als onderdeel van bredere programma's in celbiologie, biofysica en neurodegeneratieve ziektes, gefinancierd door zowel overheidsinstanties als particuliere onderzoeksfondsen.