Video player inladen...

Nobelprijslaureaten ontrafelden een fundamenteel aanpassingsmechanisme in onze cellen

De baanbrekende ontdekkingen van de laureaten van dit jaar hebben het mechanisme blootgelegd van een van de meest essentiële adaptieve processen - aanpassingsprocessen - van het leven, een proces dat ons bijvoorbeeld toelaat te sporten of te gaan leven op verschillende hoogtes op aarde - op grotere hoogtes zit er minder zuurstof in de lucht. Het gaat om het mechanisme waarmee cellen 'voelen' hoeveel zuurstof er in het bloed zit, en waarmee ze zich aanpassen aan variërende zuurstofniveaus. Maar aan hun ontdekkingen is een lange weg voorafgegaan. 

Zuurstof, met de formule O2, maakt zowat een vijfde uit van onze atmosfeer. Het is essentieel voor alle dierlijk leven: de mitochondriën die aanwezig zijn in zo goed als alle dierlijke cellen gebruiken zuurstof om voedsel om te zetten in bruikbare energie.  Mitochondriën zijn de 'energiefabriekjes' van de cellen. 

De centrale rol van zuurstof in de stofwisseling van dieren was al eeuwen bekend, maar de mechanismen die er aan te pas kwamen, bleven lang onbekend.

Otto Warburg lichtte een eerste tipje van de sluier op met zijn ontdekking dat de omzetting van voedsel met behulp van zuurstof een enzymatisch proces was, een proces waarbij enzymen een rol spelen. Een enzym is een soort van organische katalysator, het is een stof die bepaalde chemische reacties kan versnellen en meestal is het eiwit. Warburg kreeg in 1931 de Nobelprijs voor zijn ontdekking. 

Gedurende de evolutie zijn er mechanismen ontwikkeld die een voldoende toevoer van zuurstof naar de weefsels en cellen moeten verzekeren. Het glomus caroticum, dat naast grote aders ligt aan de beide kanten van de nek, bevat gespecialiseerde cellen die de zuurstofniveaus in het bloed kunnen waarnemen. In 1938 kreeg onze landgenoot Corneille Heymans de Nobelprijs voor Geneeskunde omdat hij aangetoond had hoe het waarnemen van de zuurstof in het bloed via het glomus caroticum, onze ademhaling controleert door direct te communiceren met de hersenen. 

Opname met een transmissie elektronenmicroscoop van mitochondriën uit dierlijk longweefsel. Louisa Howard/Public domain

EPO en HIF

Naast die aanpassing aan lage zuurstofniveaus - wat hypoxie genoemd wordt - via het glomus caroticum, zijn er nog andere fysiologische aanpassingen. Een fundamenteel fysiologisch antwoord op hypoxie is de toename van de niveaus van het hormoon erythropoietine, beter bekend bij sportliefhebbers als EPO, wat dan weer leidt tot een verhoogde productie van rode bloedcellen.

Het belang van de hormonale controle over die verhoging van de productie van bloedcellen was al bekend sinds het begin van de 20e eeuw, maar hoe dit proces zelf gecontroleerd werd door zuurstof bleef een mysterie. Tot de huidige Nobelprijswinnaars Gregg Semenza en Peter Ratcliffe zich ermee gingen bezighouden. 

Semenza bestudeerde het gen voor EPO en hoe het geregeld wordt voor variërende zuurstofniveaus. Door genetisch gemodificeerde muizen te gebruiken, kon hij aantonen dat specifieke DNA-segmenten die naast het EPO-gen lagen, een rol speelden bij het antwoord op hypoxie, lage zuurstofniveaus. 

Peter Ratcliffe bestudeerde ook de van zuurstof afhankelijk regeling van het EPO-gen, en de beide onderzoeksgroepen ontdekten dat het mechanisme om zuurstof waar te nemen, aanwezig was in bijna alle weefsels, niet enkel in de niercellen waar EPO normaal gezien aangemaakt wordt. Dit waren belangrijke ontdekkingen die aantoonden dat het mechanisme algemeen was en functioneerde in veel verschillende soorten cellen.

Semenza wilde de celonderdelen identificeren die dit antwoord - de toename van de EPO-niveaus bij hypoxie - mogelijk maakten. In gekweekte levercellen ontdekte hij een proteïnecomplex - een samengesteld geheel van eiwitten - dat zich bindt met het geïdentificeerde DNA-segment op een manier die afhankelijk is van zuurstof. 

Hij noemde dit complex de hypoxia-inducible factor (HIF, de door lage zuurstofniveaus opgewekte factor) en na de ontdekking begon men verwoede pogingen te doen om het HIF-complex in het labo te isoleren. In 1995 was Semenza in staat een aantal van zijn belangrijkste bevindingen te publiceren, waaronder de identificatie van de genen die coderen voor HIF. 

Het bleek dat HIF bestond uit twee verschillende proteïnen die zich binden aan DNA, zogenoemde transcriptiefactoren, en die werden HIF-1α en ARNT genoemd. 

De onderzoekers konden nu beginnen met het oplossen van de puzzel, wat hen zou toelaten te begrijpen welke bijkomende onderdelen betrokken waren bij het proces en hoe de 'machinerie' werkte. 

Het oppervlak van een ubiquitine-molecule. Public domain

VHL, de onverwachte partner

Als de zuurstofniveaus hoog zijn, bevatten cellen erg weinig HIF-1α. Als de zuurstofniveaus echter laag zijn, neemt de hoeveelheid HIF-1α toe, zodat het het zich kan binden aan het EPO-gen en het zo reguleren, en ook aan andere genen met DNA-segmenten waaraan HIF zich kan binden. 

Verschillende onderzoeksgroepen toonden aan dat HIF-1α, dat normaal snel wordt afgebroken, beschermd is tegen afbraak bij lage zuurstofniveaus. Bij normale zuurstofniveaus breekt een cellulaire machine, het proteasoom, HIF-1α af. Onder die omstandigheden voegt ubitiquine, een kleine peptide - een molecule die bestaat uit een klein aantal aminozuren verbonden door zogenoemde peptidebindingen -, zich toe aan de HIF-1α-proteïne. Ubiquitine dient als een label voor proteïnes die bestemd zijn om afgebroken te worden in het proteasoom. Hoe ubiquitine zich bindt aan HIF-1α  op een manier die van zuurstof afhankelijk is, bleef een belangrijke vraag. 

Het antwoord kwam uit een onverwachte richting. Terwijl Semenza en Ratcliffe de regulering van het EPO-gen trachtten te doorgronden, onderzocht kankeronderzoeker William Kaelin Jr. een erfelijk syndroom, de ziekte van Von Hippel-Lindau (VHL). Deze genetische aandoening leidt tot een sterk verhoogd risico op bepaalde kankers bij families met overgeërfde VHL-mutaties.

Kaelin toonde aan dat het VHL-gen codeert voor een proteïne - die instructies geeft voor de productie van het eiwit - die verhindert dat kanker zich vormt. Hij toonde ook dat kankercellen die geen functionerend VHL-gen hadden, abnormaal hoge niveaus aan door hypoxie gereguleerde genen tot uitdrukking brachten, maar dat als het VHL-gen opnieuw ingebracht werd in dergelijke kankercellen, de normale niveaus hersteld werden. Dit was een belangrijke aanwijzing dat VHL op een of andere manier betrokken was bij het controleren van de respons op hypoxie. 

Bijkomende aanwijzingen kwamen van verschillende onderzoeksgroepen die aantoonden dat VHL deel uitmaakt van een complex dat proteïnes labelt met ubiquitine, en ze zo markeert voor afbraak in het proteasoom. Ratcliff en zijn onderzoeksgroep deden een cruciale ontdekking: ze toonden aan dat VHL fysiek kan interageren met HIF-1α en nodig is voor de afbraak ervan bij normale zuurstofniveaus. Dat was doorslaggevend bewijs voor een link tussen VHL en HIF-1α. 

Bovenaanzicht van een proteasoom. In het blauwe gedeelte worden de proteïnen afgebroken, de rode kappen aan de buitenkanten regelen  wat er kan binnenkomen in het proteasoom. Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com)/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Twee gelijktijdige artikels

Veel puzzelstukjes waren intussen op hun juiste plaats beland, maar wat nog steeds niet geweten was, was hoe de zuurstofniveaus de interactie tussen VHL en HIF-1α regelden. De zoektocht concentreerde zich op een specifiek deel van de HIF-1α-proteïne, waarvan geweten was dat het belangrijk was voor de van VHL afhankelijke afbraak van HIF-1α. Zowel Kaelin als Ratcliffe vermoedden dat de sleutel tot het waarnemen van de zuurstofniveaus ergens in dit stuk van de proteïne lag. 

In 2001 toonden ze in twee gelijktijdig gepubliceerde artikels aan dat bij normale zuurstofniveaus, als er genoeg O2-moleculen in het bloed zitten, er hydroxylgroepen (OH, zuurstof en waterstof) worden toegevoegd aan twee welbepaalde posities in HIF-1α. 

Deze wijziging van de proteïne, die prolyl hydroxylatie of prolyl hydroxylase genoemd wordt, laat VHL toe HIF-1α te herkennen en er zich aan te binden. Dit verklaarde hoe normale zuurstofniveaus de snelle afbraak van HIF-1α controleren met behulp van zuurstofgevoelige enzymen, de zogenoemde prolyl hydroxylasen. 

Verder onderzoek door Ratcliffe en anderen kon de betrokken prolyl hydroxylasen identificeren en er werd ook aangetoond dat de gen-activerende functie van HIF-1α geregeld werd door van zuurstof afhankelijke hydroxylering. De Nobelprijslaureaten hadden nu het mechanisme om zuurstof waar te nemen opgehelderd en hadden aangetoond hoe het werkt.  

Als de zuurstofniveaus laag zijn (hypoxie), wordt HIF-1α beschermd tegen degradatie - het afbreken in componenten - en hoopt het zich op in de celkern, waar het samengaat met ARNT en zich bindt aan specifieke DNA-sequenties (HRE) in door hypoxie geregelde genen (1). Bij normale zuurstofniveaus wordt HIF-1α  snel afgebroken door het proteasoom (2). Zuurstof regelt het afbrekingsproces door het toevoegen van hydroxyl-groepen (OH) aan HIF-1α  (3). De VHL-proteïne kan dan HIF-1α herkennen en er een complex mee vormen - ermee samengaan -, wat leidt tot het afbreken ervan op een manier die afhankelijk is van zuurstof (4). © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén

Zuurstof is bepalend voor de fysiologie en de pathologie

Dankzij het baanbrekend werk van deze Nobelprijslaureaten weten we veel meer over hoe verschillende zuurstofniveaus fundamentele fysiologische processen reguleren. 

Het waarnemen van zuurstof laat cellen toe om hun stofwisseling aan te passen aan lage zuurstofniveaus, bijvoorbeeld in onze spieren tijdens intense lichaamsoefeningen. Andere voorbeelden van adaptieve processen die gecontroleerd worden door het waarnemen van de zuurstofniveaus, omvatten het aanmaken van nieuwe bloedvaten en de productie van rode bloedcellen. 

Ons immuunsysteem en vele andere fysiologische functies worden ook nauwkeurig afgesteld door de machinerie die zuurstof waarneemt, en het is ook aangetoond dat die ook essentieel is bij de ontwikkeling van de foetus, omdat ze de normale vorming van de bloedvaten en de ontwikkeling van de placenta controleert. 

Het waarnemen van zuurstof speelt ook een centrale rol bij een groot aantal ziektes. Zo lijden patiënten met chronisch nierfalen vaak aan ernstige bloedarmoede door een verminderde uitdrukking - het in actie komen van het gen - van EPO. EPO wordt geproduceerd door cellen in de nieren en het is essentieel voor de vorming van rode bloedcellen, zoals eerder vermeld. 

Bovendien speelt de door zuurstof geregelde machinerie ook een belangrijke rol bij kanker. In tumoren wordt die machinerie gebruikt om de vorming van bloedvaten te stimuleren en om de stofwisseling te veranderen om tot een doeltreffende woekering van kankercellen te komen. 

In academische laboratoria en bij farmaceutische bedrijven worden nu grote inspanningen geleverd om geneesmiddelen te ontwikkelen die in verschillende stadia van ziektes kunnen ingrijpen door de zuurstof waarnemende machinerie ofwel te blokkeren, ofwel door ze net te activeren.  

De laureaten zijn onderscheiden voor ontdekkingen in verband met het mechanisme voor het waarnemen van zuurstofniveaus. Het mechanisme is van doorslaggevend belang in de fysiologie, voor onze stofwisseling, ons vermogen om ons aan te passen aan zware lichamelijke inspanningen, de ontwikkeling van het embryo, ons immuunsysteem, de aanpassing van ons lichaam aan grote hoogten, en de ademhaling. Bij veel pathologische processen is het ook betrokken en er wordt nu gezocht naar geneesmiddelen gebaseerd op dit mechanisme tegen bloedarmoede, kanker, beroerte, infecties en  hartinfarcten, en voor het bevorderen van het genezen van wonden. © The Nobel Committee for Physiology or Medicine. Illustrator: Mattias Karlén

Bekijk hieronder het verslag van "Het Journaal":

Video player inladen...