Elektronenbundel maakt beste beelden ooit van het Huntington-eiwit

Het bepalen van de vorm van een eiwit kan wetenschappers helpen begrijpen hoe het werkt en wat er misgaat bij een ziekte. Huntingtine, het eiwit dat de ziekte van Huntington veroorzaakt, is een moeilijk te bestuderen doelwit. Een recent onderzoek met elektronenmicroscopen biedt een opvallend beeld van huntingtine, wat de weg vrijmaakt voor toekomstig onderzoek.

Zien is geloven

Eiwitten zijn de machines die alle belangrijke dagelijkse taken uitvoeren die onze cellen moeten verrichten. De precieze 3D-vorm of structuur van een eiwit geeft het de mogelijkheid om zijn gespecialiseerde taak uit te voeren.

Huntingtine, het eiwit dat de ziekte van Huntington veroorzaakt, heeft een ‘staart’ die bestaat uit een chemische stof genaamd glutamine, een van de eiwitbouwstenen. Wanneer de staart buitensporig lang is, door een mutatie in de DNA-blauwdruk voor huntingtine, veroorzaakt dit de ZvH. We begrijpen nog niet precies hoe de extra glutamines huntingtine veranderen van een normaal functionerend eiwit in een eiwit dat schade veroorzaakt. Tot nu toe hebben wetenschappers dit vooral proberen uit te zoeken door te bestuderen wat huntingtine doet, maar misschien zou het zien van huntingtine ons belangrijke aanwijzingen kunnen geven.

Waarom willen we weten hoe huntingtine eruit ziet?

Er zijn twee hoofdredenen om te proberen uit te vinden hoe huntingtine eruit ziet.

Ten eerste, als we de structuur van huntingtine zouden kennen, zou dit ons waarschijnlijk aanwijzingen geven over hoe normaal huntingtine werkt en hoe dit misgaat bij de ZvH. Deze informatie zou kunnen worden gebruikt om toekomstig onderzoek te sturen en het ontdekkingsproces te versnellen.

Ten tweede, als we zeer gedetailleerde informatie hadden over de structuur van huntingtine, zou het mogelijk kunnen zijn om medicijnen te ontwerpen die zich richten op het toxische ‘gemuteerde’ huntingtine.

Waarom is het zo moeilijk?

Eiwitten zijn te klein om met eenvoudige methoden te zien. Als je één molecuul huntingtine-eiwit zou kunnen vergroten tot het gemakkelijk zichtbaar was, bijvoorbeeld tot de grootte van een watermeloen, zou dat hetzelfde zijn als een watermeloen vergroten tot deze zo breed was als de VS. Zelfs de beste beschikbare lichtmicroscopen zijn lang niet krachtig genoeg om één huntingtine-molecuul te zien.

Daar komen elektronen om de hoek kijken. Elektronen zijn bijna onvoorstelbaar kleine deeltjes die rond de randen van atomen draaien – en ze kunnen worden gebruikt in microscopen. Terwijl licht langs een enkel eiwit gaat en het nauwelijks opmerkt, voelen elektronen een sterke duw van het eiwit, die uiteindelijk kan worden gedetecteerd en gebruikt om een beeld te maken. Een elektronenmicroscoop was dus het instrument van keuze voor een internationaal team van onderzoekers onder leiding van Ihn Sik Seong van Harvard Medical School, die de structuur van huntingtine wilden bekijken.

Eerst hebben ze insectencellen genetisch gemodificeerd om menselijk huntingtine te produceren. Vervolgens konden ze het huntingtine-eiwit extraheren en alle andere eiwitten verwijderen waarmee het in de insectencellen was vermengd. Het huntingtine-eiwit werd vervolgens op een klein metalen rooster geplaatst en in een elektronenmicroscoop gezet. Ze maakten toen foto’s van het rooster met de elektronenmicroscoop, wat korrelige beelden opleverde met kleine witte objecten: hun eerste blik op de individuele huntingtine-moleculen.

Houdt huntingtine van yoga?

Tot zover ging het goed, maar de onderzoekers werden geconfronteerd met een ander probleem. Als je de foto’s van de individuele huntingtine-moleculen naast elkaar zou leggen, zouden ze er allemaal iets anders uitzien. Met andere woorden, het lijkt erop dat huntingtine flexibel is – het beweegt graag en neemt verschillende vormen aan.

Om hun beeld van huntingtine te verbeteren, gebruikten ze een techniek die door de meeste elektronenmicroscopisten wordt gebruikt, genaamd ‘middeling’. Ze gebruikten een computer om ongeveer 10.000 beelden van individuele huntingtine-moleculen te combineren om de meest voorkomende kenmerken naar voren te brengen. Dit gaf hen een veel beter idee van hoe een ‘gemiddeld’ huntingtine eruit ziet. Dit zou vergelijkbaar zijn met het over elkaar heen leggen van veel foto’s van gezichten – je zou de details van hun individuele expressies verliezen maar zou de echt belangrijke kenmerken behouden, zoals het feit dat elke persoon twee ogen, twee oren en een mond heeft.

Hun uiteindelijke 3D-structuur laat zien dat huntingtine waarschijnlijk bestaat uit twee ‘armen’, die met elkaar verbonden zijn door een ‘scharnier’ dat de armen in staat stelt om naar elkaar toe te buigen en elkaar aan te raken, wat iets oplevert dat in het algemeen op een bol lijkt. Toen de onderzoekers de structuren van normaal en gemuteerd huntingtine vergeleken, zagen ze een klein verschil in vorm, wat suggereert dat de ZvH-mutatie de structuur van huntingtine op een subtiele manier beïnvloedt.

In een ander experiment gebruikten de onderzoekers een chemische stof om willekeurig dicht bij elkaar gelegen gebieden van huntingtine aan zichzelf te koppelen. Door te zoeken naar de chemische verbindingen konden ze zien welke delen van het eiwit waarschijnlijk naast elkaar zaten. Ze ontdekten dat wanneer ze het aantal glutamines in de staart van huntingtine verhoogden, de buiging van de twee armen van huntingtine veranderde. De arm met de glutamines krulde minder op en de andere arm krulde meer op. Wat dit precies betekent is nog niet duidelijk, maar het suggereert wel dat een kleine verandering in één deel van het eiwit gevolgen kan hebben voor het eiwit als geheel – een potentieel belangrijke bevinding die mogelijk kan helpen verklaren hoe glutamine-verlengd huntingtine is veranderd bij de ZvH.

Beperkingen en volgende stappen

Huntingtine blijkt zeer moeilijk te bewerken, dus de onderzoekers moesten een chemische stof gebruiken om het te stabiliseren, en een andere chemische stof om het beter zichtbaar te maken in de microscoop. Deze chemicaliën kunnen de structuur van huntingtine enigszins hebben veranderd en hun interpretatie ervan hebben beïnvloed. Een manier om dit te omzeilen is om eiwitten in ijs in te bedden, waardoor die andere chemicaliën niet nodig zijn, en toekomstige experimenten zullen deze kwesties waarschijnlijk aanpakken.

Het is ook de moeite waard om te onthouden dat het huntingtine in dit experiment was gezuiverd en in een reageerbuisje was gedaan, dus het bereik van vormen dat huntingtine kan aannemen is waarschijnlijk nog groter in de menselijke hersenen waar het interacteert met andere eiwitten.

Wat is de volgende stap?

Deze studie biedt een spannende blik op huntingtine, maar er is nog veel werk te doen. De structuur die Seong en collega’s hebben verkregen is zeker niet gedetailleerd genoeg om bruikbaar te zijn voor het ontwerpen van medicijnen tegen de ZvH. Moderne elektronenmicroscopen worden echter steeds beter in het vastleggen van de structuur van eiwitten, en toekomstige studies zullen precies dat proberen te doen met huntingtine. Een gedetailleerde kennis van de structuur van huntingtine zou cruciaal kunnen zijn voor het begrijpen van wat er misgaat bij de ZvH. Nu beginnen onderzoekers het gordijn voor huntingtine op te trekken.

Meer informatie

• De bolvormige solenoïdestructuur van huntingtine maakt polyglutamine-afhankelijke modulatie van zijn structuur en functie mogelijk (open access)