Transmembraandomein: de bouwsteen die cellen laat communiceren met de buitenwereld

Stel je een cel voor als een goed beveiligd gebouw. De buitenmuur is de celmembraan: een dun, vettig vlies dat bepaalt wat er in en uit mag. Maar een gebouw zonder deuren of ramen is nutteloos. Daarvoor zijn eiwitten nodig die dwars door die muur heen steken, met een stuk binnen, een stuk buiten en een stuk er precies doorheen. Dat laatste stuk heet het transmembraandomein: het deel van een eiwit dat letterlijk door de celmembraan heen loopt.

Dit kleine bouwblok is overal in het lichaam te vinden, van zenuwcellen tot immuuncellen, en speelt een hoofdrol in hoe cellen signalen ontvangen, stoffen doorlaten en met elkaar communiceren. Juist omdat het zo'n centrale schakel is, duikt het begrip steeds vaker op in nieuws over nieuwe medicijnen, celtherapieën en synthetische biologie: technologieën die proberen deze natuurlijke bouwstenen na te bootsen of opnieuw te ontwerpen.

Wat is het precies?

Een celmembraan bestaat uit een dubbele laag vetmoleculen, de lipide-bilaag genoemd. Deze laag is aan de binnen- en buitenkant wateraantrekkend (hydrofiel), maar in het midden juist waterafstotend (hydrofoob) omdat daar de vetstaarten van de moleculen samenkomen.

Een eiwit dat door deze laag heen wil, moet dus een stuk hebben dat goed gedijt in die vette, waterafstotende omgeving. Dat stuk bestaat meestal uit ongeveer twintig aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) die overwegend hydrofoob zijn. Deze aminozuurketen vouwt zich bijna altijd op tot een compacte spiraal, een zogeheten alfahelix, die precies dik genoeg is om de membraan te doorkruisen.

Sommige eiwitten hebben maar één zo'n spiraal en steken dus eenmalig door de membraan (single-pass eiwitten). Andere, zoals veel signaalontvangers, hebben er zeven na elkaar en kronkelen zo meerdere keren heen en weer door de membraan (multi-pass eiwitten). Het deel van het eiwit buiten de cel kan dan bijvoorbeeld een signaalmolecuul herkennen, terwijl het deel binnenin de cel een reactie in gang zet. Het transmembraandomein is de fysieke verbinding die dat mogelijk maakt.

Wat wil men ermee bereiken?

Onderzoekers bestuderen transmembraandomeinen om twee redenen. Ten eerste om te begrijpen hoe cellen van nature werken: hoe een zenuwcel een elektrisch signaal doorgeeft, hoe een hormoon een reactie in een doelcel veroorzaakt, hoe een immuuncel een indringer herkent. Veel van die processen verlopen via membraaneiwitten, en zonder kennis van hun transmembraandomein is hun werking niet te doorgronden.

Ten tweede, en dat is waar de "toekomsttechnologie"-kant om de hoek komt kijken, willen wetenschappers deze bouwstenen nabootsen en hergebruiken. Als je een kunstmatig eiwit wilt maken dat in een celmembraan verankerd zit en daar een functie uitvoert, zoals een sensor, een schakelaar of een nieuw soort medicijnreceptor, dan heb je een werkend transmembraandomein nodig om dat eiwit op zijn plek te houden. Dit is een kernonderdeel van synthetische biologie en eiwitontwerp.

Daarnaast zijn membraaneiwitten met hun transmembraandomeinen voor de farmaceutische industrie de belangrijkste categorie medicijndoelwitten: een groot deel van alle goedgekeurde medicijnen grijpt aan op dit soort eiwitten, met name op zogeheten G-eiwitgekoppelde receptoren (GPCR's), de zeven-keer-doorborende eiwitten die hierboven al genoemd werden.

Voorbeelden uit de praktijk

CAR-T-celtherapie. Bij deze kankerbehandeling worden afweercellen van een patiënt genetisch aangepast met een kunstmatige receptor, de chimere antigeenreceptor (CAR). Deze receptor bevat een doelbewust ontworpen transmembraandomein dat het eiwit verankert in het membraan van de afweercel. Het eerste middel van dit type, tisagenlecleucel (Kymriah), kreeg in 2017 goedkeuring van de Amerikaanse toezichthouder FDA.

Optogenetica. Rond 2005 lieten onderzoekers Karl Deisseroth, Edward Boyden en Georg Nagel zien dat het lichtgevoelige eiwit channelrhodopsine-2, met zijn zeven transmembraandomeinen, gebruikt kon worden om zenuwcellen met licht aan en uit te zetten. Dit vormde de basis van het vakgebied optogenetica.

Structuuronderzoek aan GPCR's. Brian Kobilka en collega's slaagden er vanaf 2007 in om de driedimensionale structuur van een menselijke GPCR (de bèta-2-adrenerge receptor) in detail op te helderen. Dit werk, waarvoor Kobilka in 2012 samen met Robert Lefkowitz de Nobelprijs voor Scheikunde ontving, liet voor het eerst precies zien hoe de transmembraanspiralen van zo'n receptor zijn gerangschikt.

AlphaFold. In 2021 publiceerde DeepMind AlphaFold2, een AI-systeem dat de driedimensionale vouwing van eiwitten voorspelt op basis van hun aminozuurvolgorde. Het systeem kan ook redelijk betrouwbaar voorspellen waar transmembraandomeinen in een eiwit zitten, al blijft experimentele verificatie belangrijk.

De novo-ontwerp van membraaneiwitten. Het laboratorium van David Baker aan de University of Washington publiceerde in 2022 en 2023 in Nature werk waarin volledig nieuwe, nooit in de natuur voorkomende membraaneiwitten met functionerende transmembraandomeinen vanaf nul werden ontworpen en experimenteel gevalideerd.

Hoe ver is de techniek?

Het bestuderen van transmembraandomeinen is historisch lastig geweest. Membraaneiwitten laten zich, anders dan oplosbare eiwitten, moeilijk kristalliseren, waardoor hun structuur lange tijd nauwelijks precies in kaart te brengen was. De opkomst van cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), een techniek waarvoor Jacques Dubochet, Joachim Frank en Richard Henderson in 2017 de Nobelprijs kregen, heeft dit sterk verbeterd: onderzoekers kunnen nu veel sneller de bouw van membraaneiwitten zichtbaar maken.

Voorspellen waar een transmembraandomein zit, is inmiddels redelijk betrouwbaar dankzij AI-modellen als AlphaFold. Veel lastiger is het omgekeerde: zelf een nieuw transmembraandomein ontwerpen dat stabiel en functioneel in een membraan blijft zitten. Dit blijft een jong en technisch veeleisend onderzoeksgebied, met successen die vooralsnog vooral in laboratoriumomstandigheden zijn aangetoond.

Toepassingen zoals CAR-T-therapie zijn klinisch al in gebruik, maar daar wordt doorgaans een natuurlijk, al bestaand transmembraandomein (bijvoorbeeld van het CD28- of CD8-eiwit) hergebruikt, niet een volledig nieuw ontworpen domein. Volledig kunstmatige, op maat gemaakte transmembraandomeinen voor medische toepassingen bevinden zich nog grotendeels in de onderzoeksfase.

Wie werken eraan?

Het Institute for Protein Design van de University of Washington, onder leiding van David Baker, geldt als een van de voorlopers in het computationeel ontwerpen van nieuwe eiwitten, inclusief membraaneiwitten. DeepMind (onderdeel van Google) zet met AlphaFold de standaard voor structuurvoorspelling.

Op het gebied van optogenetica zijn de laboratoria van Karl Deisseroth (Stanford University) en Edward Boyden (MIT) toonaangevend. Structurele biologie van GPCR's wordt wereldwijd bestudeerd, met onder meer Stanford University (het laboratorium van Brian Kobilka) en het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, Verenigd Koninkrijk, als belangrijke centra.

In de farmaceutische industrie investeren grote spelers als Novartis en Gilead (via dochterbedrijf Kite Pharma) in CAR-T-therapieën, terwijl vrijwel alle grote farmaceutische bedrijven onderzoek doen naar medicijnen die op GPCR's aangrijpen. Daarnaast dragen academische centra in de Verenigde Staten, het Verenigd Koninkrijk, Duitsland en Nederland (onder meer via structurele biologie-groepen aan universiteiten als Utrecht en Groningen) bij aan fundamenteel onderzoek naar membraaneiwitten.

Verder lezen

• UniProt — doorzoekbare database met eiwitten en hun domeinen, inclusief transmembraanvoorspellingen
• RCSB Protein Data Bank — archief van experimenteel bepaalde eiwitstructuren, waaronder veel membraaneiwitten
• Nature — wetenschappelijk tijdschrift met veel baanbrekende publicaties over membraaneiwitontwerp en structuurbiologie
• Institute for Protein Design — onderzoeksinstituut van de University of Washington, gespecialiseerd in het ontwerpen van nieuwe eiwitten
• NCBI — Amerikaans biomedisch informatieportaal met toegang tot vakliteratuur en leerboeken over celbiologie