Ongeordend eiwit: functie zonder vaste vorm
Een eiwit gedraagt zich normaal gesproken als een sleutel: het vouwt zich op tot één vaste, unieke driedimensionale vorm, en die vorm past precies op het "slot" waarop het moet werken, bijvoorbeeld een ander eiwit of een stukje DNA. Decennialang was dit het uitgangspunt in de biologie: vorm bepaalt functie. Een ongeordend eiwit gooit dat principe overboord. Het neemt geen vaste vorm aan, maar beweegt voortdurend als een los stuk touw of een slinger natte spaghetti. Toch functioneert het uitstekend, vaak juist dankzij die flexibiliteit.
Een treffende vergelijking is die van een zwitsers zakmes tegenover een elastiekje. Het zakmes, zoals een klassiek gevouwen eiwit, heeft voor elke taak een uitklapbaar onderdeel met een vaste vorm. Het elastiekje heeft geen vaste vorm, maar kan zich juist daardoor om allerlei objecten heen wikkelen en zich aanpassen aan wisselende partners. Naar schatting bevat een aanzienlijk deel van alle menselijke eiwitten minstens één zo'n ongeordend stuk, en sommige eiwitten zijn zelfs van kop tot staart ongeordend.
Wat is het precies?
Eiwitten bestaan uit lange ketens van aminozuren, kleine bouwstenen die aan elkaar worden geregen tot een streng. Bij de meeste eiwitten vouwt die streng zich vervolgens vanzelf op tot een compacte, stabiele vorm, aangedreven door aantrekking en afstoting tussen de aminozuren onderling. Dat proces heet eiwitvouwing. De uiteindelijke vorm, bijvoorbeeld een knot, een vat of een spiraal, bepaalt welke taak het eiwit kan uitvoeren.
Ongeordende eiwitten, in het Engels intrinsically disordered proteins (afgekort IDP's), missen die vaste vorm geheel of gedeeltelijk. In het laatste geval spreekt men van een ongeordend gebied of intrinsically disordered region (IDR): een los stuk streng dat vastzit aan een verder wél gevouwen deel van het eiwit. De oorzaak ligt in de samenstelling van aminozuren. Ongeordende stukken bevatten relatief veel geladen aminozuren en weinig van de aan water afkerende (hydrofobe) aminozuren die bij normale eiwitten de vouwing op gang brengen. Zonder zo'n hydrofobe kern blijft de streng los bewegen.
Dat losse karakter maakt ongeordende eiwitten lastig te bestuderen. Klassieke technieken zoals röntgenkristallografie, waarbij een eiwit eerst moet uitkristalliseren voordat onderzoekers de atomaire structuur kunnen aflezen, werken niet: zonder vaste vorm ontstaat geen bruikbaar kristal. Onderzoekers grijpen daarom naar methoden die een heel scala aan vormen tegelijk in beeld brengen, zoals kernspinresonantie (NMR) en kleine-hoek-röntgenverstrooiing (SAXS), aangevuld met computersimulaties.
Juist die bewegelijkheid maakt ongeordende stukken functioneel. Ze kunnen razendsnel van vorm veranderen zodra ze een partnermolecuul tegenkomen en zich daaromheen plooien, een proces dat onderzoekers "gekoppeld vouwen en binden" noemen. Dat maakt ze bij uitstek geschikt voor eiwitten die met veel verschillende partners moeten samenwerken, zoals signaaleiwitten en schakelaars die genen aan- en uitzetten.
Een tweede, relatief recent ontdekt talent is dat ongeordende eiwitten zichzelf en elkaar kunnen laten samenklonteren tot druppelvormige structuren zonder omhullend membraan. Dit verschijnsel heet vloeistof-vloeistof fasescheiding (liquid-liquid phase separation, LLPS), te vergelijken met azijn en olie die zich in een slasaus vanzelf ontmengen in aparte druppeltjes. Zulke druppels, ook wel biomoleculaire condensaten genoemd, blijken in de cel tijdelijke "werkplaatsen" te vormen, bijvoorbeeld voor het aflezen van genen of het opruimen van beschadigd RNA.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste doel is fundamenteel: begrijpen hoe het leven werkt. Lang gold vaste structuur als voorwaarde voor functie. Dat beeld is inmiddels achterhaald, en het besef groeit dat een aanzienlijk deel van het eiwitrepertoire in levende cellen fundamenteel anders werkt dan het klassieke lock-and-key-model voorspelde.
Het tweede doel is ziekte beter begrijpen. Verschillende ongeordende eiwitten spelen een rol bij neurodegeneratieve aandoeningen waarbij eiwitten verkeerd samenklonteren, ofwel aggregeren, zoals bij Alzheimer, Parkinson en ALS. Als onderzoekers precies snappen hoe en wanneer een normaal vloeibaar druppeltje verhardt tot een onoplosbare klont, ontstaat mogelijk een aangrijpingspunt om dat proces vroegtijdig te stoppen.
Het derde doel is het openen van een nieuwe klasse geneesmiddelen. Klassieke geneesmiddelontwikkeling zoekt een molecuul dat precies past in een groef of zak van een gevouwen eiwit. Ongeordende eiwitten hebben zo'n zak niet, waardoor ze decennialang golden als "ondrugbaar". Onderzoekers zoeken nu naar alternatieve strategieën, bijvoorbeeld medicijnen die niet aangrijpen op het eiwit zelf, maar op het condensaat dat het samen met andere moleculen vormt.
Voorbeelden uit de praktijk
P granules in C. elegans (2009). Clifford Brangwynne en Anthony Hyman beschreven in een veelgeciteerde publicatie hoe bepaalde eiwit-RNA-klontjes in embryo's van de rondworm Caenorhabditis elegans zich als vloeibare druppels gedragen: ze versmelten, druppelen en lossen weer op. Deze waarneming geldt als een van de startpunten van het onderzoek naar biomoleculaire condensaten.
Tau-eiwit en Alzheimer. Tau is een van nature ongevouwen eiwit dat normaal gesproken de "rails" (microtubuli) in zenuwcellen stabiliseert. Bij Alzheimer verandert tau van vorm en klontert het samen tot onoplosbare kluwens, de zogeheten neurofibrillaire tangles.
Alfa-synucleïne en Parkinson. Dit grotendeels ongeordende eiwit komt normaal voor in zenuwuiteinden, maar vormt bij Parkinson de kern van de zogeheten Lewy-lichaampjes, klonten die in hersencellen van patiënten worden aangetroffen.
FUS-eiwit en ALS. Het RNA-bindende eiwit FUS bevat een groot ongeordend gebied en vormt onder normale omstandigheden vloeibare condensaten die betrokken zijn bij RNA-verwerking. Onderzoek liet zien dat deze druppels bij bepaalde mutaties kunnen "verstenen" tot vaste aggregaten, een proces dat in verband wordt gebracht met de zenuwziekte ALS.
DisProt en MobiDB. Dit zijn openbare databases waarin onderzoekers experimenteel bevestigde ongeordende eiwitten en voorspellingen daarvan verzamelen en ordenen, mede ontwikkeld door onderzoeksgroepen aan de Universiteit van Padua in Italië. Ze vormen een referentiepunt voor iedereen die met disorder-voorspellingen werkt.
Hoe ver is de techniek?
Het besef dat ongeordende eiwitten wijdverspreid en functioneel belangrijk zijn, is relatief jong. Rond de eeuwwisseling verschenen invloedrijke overzichtsartikelen die het klassieke structuur-functieparadigma bekritiseerden en pleitten voor serieuze aandacht voor "ongevouwen" eiwitten. Sindsdien groeide het vakgebied gestaag, met een duidelijke versnelling na 2009, toen het onderzoek naar vloeistof-vloeistof fasescheiding op gang kwam.
Een belangrijke recente ontwikkeling is AlphaFold, het kunstmatige-intelligentiesysteem van DeepMind dat sinds 2021 de voorspelling van eiwitstructuren op basis van de aminozuurvolgorde ingrijpend heeft verbeterd. Voor gevouwen eiwitten haalt AlphaFold vaak een nauwkeurigheid die dicht bij experimentele metingen ligt. Voor ongeordende gebieden geeft het systeem juist lage betrouwbaarheidsscores, wat onderzoekers inmiddels benutten als indirecte aanwijzing voor disorder. Het daadwerkelijk modelleren van de bewegelijke, wisselende vormen die een ongeordend eiwit in werkelijkheid aanneemt, blijft echter een open technische uitdaging: AlphaFold voorspelt in de kern nog altijd één vorm, terwijl een ongeordend eiwit eigenlijk een heel ensemble van vormen is.
Naast AlphaFold bestaan gespecialiseerde voorspellingsprogramma's zoals IUPred en PONDR, die op basis van de aminozuurvolgorde inschatten welke delen van een eiwit vermoedelijk ongeordend zijn. Deze tools zijn nuttig maar niet feilloos, en de resultaten van verschillende voorspellers lopen soms uiteen.
Op het gebied van geneesmiddelontwikkeling staat het veld nog in een vroeg stadium. Verschillende biotechbedrijven verkennen hoe condensaten als aangrijpingspunt kunnen dienen, maar tot op heden is nog geen op condensaten gericht medicijn goedgekeurd voor gebruik bij patiënten. Een belangrijk obstakel blijft het onderscheid maken tussen disorder die functioneel is en toevallige, functieloze flexibiliteit in de aminozuurketen, een vraag waarover onderzoekers het nog niet in alle gevallen eens zijn.
Wie werken eraan?
Tot de grondleggers van het vakgebied behoren A. Keith Dunker (Indiana University, Verenigde Staten), die meewerkte aan vroege voorspellingsprogramma's, en H. Jane Dyson en Peter Wright (Scripps Research, Californië), die met invloedrijke overzichtsartikelen bijdroegen aan de acceptatie van het concept. Ook Peter Tompa, verbonden aan de Vrije Universiteit Brussel en het Vlaams instituut voor biotechnologie (VIB), geldt als vooraanstaand onderzoeker.
Op het gebied van fasescheiding en condensaten zijn Clifford Brangwynne (Princeton University) en Anthony Hyman (Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden) toonaangevend, samen met Michael Rosen (UT Southwestern Medical Center) en Rohit Pappu (Washington University in St. Louis), die zich richten op de biofysica achter dit proces.
De databases DisProt en MobiDB worden onderhouden door onderzoeksgroepen aan de Universiteit van Padua in Italië. Op het gebied van kunstmatige intelligentie speelt DeepMind, onderdeel van Alphabet, een sleutelrol met AlphaFold. In de biotechsector richten meerdere start-ups, waaronder het aan condensaatonderzoek gelieerde Dewpoint Therapeutics, zich op het vertalen van deze kennis naar nieuwe geneesmiddelen.