STAND-NTPase: het moleculaire alarmsysteem dat bacteriën, planten en mensen delen
Stel je een rookmelder voor die niet alleen piept, maar zichzelf ook vermenigvuldigt zodra hij rook detecteert, totdat er een heel netwerk van alarmerende apparaten ontstaat dat de deur naar de brandweer opent. Zoiets gebeurt er, op moleculaire schaal, in cellen die een STAND-NTPase gebruiken. Dit is een type eiwit dat als een schakelaar werkt: het is inactief totdat het iets gevaarlijks herkent, bijvoorbeeld een indringende virusdeeltje, en dan in een oogwenk van vorm verandert, zichzelf aan kopieën van zichzelf vastklikt, en zo een alarmsignaal in de cel afgeeft.
Het bijzondere is dat vrijwel hetzelfde bouwplan opduikt in bacteriën, planten, schimmels en mensen. Bij mensen ligt dit soort eiwit ten grondslag aan ontstekingsreacties en geprogrammeerde celdood; bij planten aan afweer tegen schimmels en bacteriën; en sinds enkele jaren weten we dat ook bacteriën zelf STAND-NTPases gebruiken om zich tegen virussen (bacteriofagen) te verdedigen. Het is dus een van de oudste en meest universele 'gevarendetectoren' die de evolutie heeft voortgebracht, en onderzoekers bestuderen het om te begrijpen hoe ons eigen immuunsysteem is ontstaan, en om nieuwe aanknopingspunten te vinden voor geneesmiddelen en antivirale strategieën.
Wat is het precies?
De naam STAND-NTPase is een afkorting van Signal Transduction ATPase with Numerous Domains, ofwel: een ATPase die signalen doorgeeft en die uit meerdere bouwstenen (domeinen) bestaat. Een ATPase is een eiwit dat energie kan opslaan en vrijgeven door een molecuul genaamd ATP (de energiedrager van de cel) vast te houden of om te zetten in ADP. Bij een STAND-eiwit wordt die energie niet gebruikt om iets te verplaatsen of te bouwen, maar om als moleculaire schakelaar te functioneren.
Een typisch STAND-eiwit bestaat uit drie delen die na elkaar liggen, als kralen aan een ketting. Aan het ene uiteinde zit een sensordomein: een soort antenne die is opgebouwd uit herhalende bouwstenen (vaak 'leucine-rich repeats' genoemd) en die een specifiek gevaarsignaal kan herkennen, bijvoorbeeld een eiwit van een binnendringend virus. In het midden zit het NTPase-domein zelf, dat als moleculaire schakelaar fungeert. Aan het andere uiteinde zit een effectordomein dat, eenmaal geactiveerd, de daadwerkelijke actie in gang zet, zoals het aanzetten van andere eiwitten of het beschadigen van het celmembraan.
Zolang er geen gevaar is, houdt het eiwit zichzelf in een gesloten, inactieve vouwing, met ADP vastgeklemd in het NTPase-domein. Zodra het sensordomein iets herkent, verandert de vorm van het eiwit: ADP wordt ingewisseld voor ATP, het eiwit ontvouwt zich, en meerdere exemplaren van hetzelfde eiwit klikken aan elkaar vast tot een ring- of wielvormig complex, vaak bestaande uit vijf tot acht kopieën. Dit soort grote, wielvormige complexen worden in de vakliteratuur wel 'inflammasomen', 'apoptosomen' of 'resistosomen' genoemd, afhankelijk van welk organisme en welk proces het betreft. Pas in die samengeklonterde vorm kan het eiwit zijn effectordomeinen bundelen en zo een sterk, aaneengesloten signaal afgeven, in plaats van het zwakke signaal van één los eiwitmolecuul.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers bestuderen STAND-NTPases om twee met elkaar verweven redenen. Ten eerste is er de fundamentele vraag hoe immuunsystemen zijn ontstaan. Lange tijd dacht men dat de aangeboren afweer van dieren, met eiwitten zoals NLR-receptoren die ontstekingen aansturen, een unieke uitvinding van meercellige organismen was. De ontdekking dat bacteriën soortgelijke STAND-eiwitten gebruiken om fagen te herkennen, suggereert dat het basisprincipe al miljarden jaren oud is en dat dieren en planten dit mechanisme via de evolutie hebben hergebruikt en aangepast. Het in kaart brengen van deze familie helpt dus om de stamboom van het immuunsysteem te reconstrueren.
Ten tweede is er praktisch, medisch belang. Bij mensen zijn ontregelde STAND-NTPases, zoals het eiwit NLRP3, betrokken bij chronische ontstekingsziekten, jicht, en mogelijk ook bij neurodegeneratieve aandoeningen. Als je begrijpt hoe zo'n eiwit precies van vorm verandert en oligomeriseert (samenklontert), kun je gerichter medicijnen ontwerpen die dat proces afremmen. Bij planten hoopt men de kennis te gebruiken om gewassen te veredelen met sterkere, breder inzetbare ziekteresistentie, zonder dat er per se genetische modificatie met vreemd DNA nodig is. En bij bacteriën is er groeiende interesse vanuit de faagtherapie: als we weten hoe bacteriën virussen herkennen en zich daartegen verdedigen, kunnen we fagen mogelijk zo ontwerpen of selecteren dat ze deze verdediging omzeilen, wat relevant is nu antibioticaresistentie een groeiend probleem is.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de eerste en best bestudeerde STAND-NTPases is Apaf-1, een menselijk eiwit dat een centrale rol speelt bij geprogrammeerde celdood (apoptose). Wanneer een cel intern beschadigd is, klontert Apaf-1 samen tot een wielvormig complex van zeven eenheden, het zogeheten apoptosoom, dat vervolgens een cascade van 'caspase'-enzymen activeert die de cel op een gecontroleerde manier afbreken. De structuur van dit complex werd voor het eerst met hoge resolutie in kaart gebracht in 2015 dankzij cryo-elektronenmicroscopie, een techniek waarmee onderzoekers eiwitten in bevroren toestand in extreem detail kunnen fotograferen.
Bij mensen is er ook het NLRP3-inflammasoom, een STAND-eiwit dat reageert op signalen van celschade en infectie en dat vervolgens ontstekingsbevorderende stoffen zoals interleukine-1-bèta vrijmaakt. Dit eiwit staat sterk in de belangstelling van de farmaceutische industrie, omdat overactiviteit ervan gelinkt is aan jicht, bepaalde auto-inflammatoire ziekten en mogelijk aan veroudering; er lopen klinische onderzoeken naar remmers ervan.
In het plantenrijk is ZAR1 een bekend voorbeeld: dit eiwit uit onder meer de modelplant Arabidopsis herkent, indirect, signalen van bacteriële ziekteverwekkers. In 2019 publiceerde een onderzoeksgroep onder leiding van Jijie Chai de structuur van het zogeheten ZAR1-resistosoom, een vijfledig wielvormig complex dat na activatie als een soort poriën in het celmembraan gaat functioneren en zo een lokale, beschermende celdood in gang zet rond de plek van infectie.
Het meest recent, en misschien wel het meest verrassend, is de ontdekking van bacteriële STAND-eiwitten die fagen herkennen. In 2022 beschreef een onderzoeksteam, met betrokkenheid van de groep van Philip Kranzusch (Harvard Medical School / Dana-Farber Cancer Institute), een familie van bacteriële eiwitten die ze 'Avs' noemden (antivirale STAND-eiwitten). Deze eiwitten herkennen zeer geconserveerde onderdelen van fagen, zoals het portaal- of terminase-eiwit dat virussen gebruiken om hun DNA in te pakken, en reageren daarop door de bacteriecel in een soort noodtoestand te brengen, wat de verspreiding van het virus naar andere bacteriën in de omgeving beperkt.
Tot slot is er het historische voorbeeld CED-4, een STAND-achtig eiwit uit de microscopisch kleine worm Caenorhabditis elegans. Onderzoek naar celdood in deze worm, mede door Robert Horvitz, leverde in 2002 een Nobelprijs op en legde de basis voor veel van het latere onderzoek naar Apaf-1 en verwante eiwitten bij de mens.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om te beseffen dat STAND-NTPase onderzoek vooral fundamenteel, structuur- en evolutiebiologisch onderzoek is, geen 'techniek' die je kunt kopen of toepassen zoals een medicijn. De term zelf werd in 2004 geïntroduceerd door de onderzoekers Detlef Leipe, Eugene Koonin en L. Aravind, die met computeranalyse ontdekten dat honderden op het eerste gezicht ongelijksoortige eiwitten uit bacteriën, schimmels, planten en dieren eigenlijk tot dezelfde familie behoorden.
Sindsdien is de grootste vooruitgang geboekt dankzij de zogeheten 'resolutierevolutie' in cryo-elektronenmicroscopie vanaf ongeveer 2013, waardoor onderzoekers voor het eerst de grote, wielvormige complexen die deze eiwitten vormen in atomair detail konden bekijken. Vrijwel elk jaar worden nieuwe structuren en nieuwe familieleden gepubliceerd, vooral ook doordat systematisch onderzoek naar bacteriële afweersystemen tegen fagen, met name door de groep van Rotem Sorek aan het Weizmann Institute, sinds 2018 tientallen nieuwe verdedigingssystemen heeft blootgelegd waarvan een deel op STAND-NTPases blijkt te berusten.
De belangrijkste openstaande vragen zijn: hoe precies het sensordomein zijn doelwit herkent op moleculair niveau, wat er in tussenstappen gebeurt tijdens de vormverandering, en of het mogelijk is om deze eiwitten doelbewust te ontwerpen als synthetische biosensoren of therapeutische schakelaars. Dat laatste, het bouwen van STAND-achtige eiwitten met een door mensen gekozen sensor en effector, is voorlopig nog vooral theoretisch en experimenteel werk in laboratoria, niet iets dat op korte termijn een toepassing buiten de wetenschap zal krijgen.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld is verspreid over structurele biologie, immunologie en microbiologie, met bijdragen van uiteenlopende groepen wereldwijd. Op het gebied van bacteriële afweersystemen en fagen is het Weizmann Institute of Science in Israël, met de groep van Rotem Sorek, toonaangevend. In de Verenigde Staten speelt Harvard Medical School, met onder meer de groep van Philip Kranzusch, een centrale rol bij het structureel ophelderen van antivirale STAND-eiwitten.
Voor plantenimmuniteit en de ZAR1-resistosoomstructuur is de groep van Jijie Chai (verbonden aan zowel Duitse als Chinese instituten, waaronder het Max Planck Institute for Plant Breeding Research en Tsinghua University) toonaangevend geweest. De oorspronkelijke classificatie van de STAND-familie kwam van onderzoekers verbonden aan het Amerikaanse National Institutes of Health (NIH), met name Eugene Koonin en L. Aravind, die zich richten op de evolutionaire en computationele analyse van eiwitfamilies. Daarnaast dragen tal van structurele-biologie-laboratoria wereldwijd bij, vaak gebruikmakend van cryo-elektronenmicroscopiefaciliteiten zoals die van het MRC Laboratory of Molecular Biology in het Verenigd Koninkrijk.