ÀÖÓãºǫ́

Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben in samenwerking met dr. Krassimir Velikov van de ÀÖÓãºǫ́ en collega’s uit Mainz en Jena voor het eerst de structuur van de buitenkant van een eiwitophoping in beeld gebracht die ziektes zoals Alzheimer en diabetes type 2 veroorzaakt. Ze zagen dat de eiwitten aan de buitenzijde een ongeordende boel vormen. Dat staat in sterk contrast met de net geordende structuur aan de binnenkant van de ophoping. De onderzoekers hopen dat hun vondst zal leiden tot meer inzicht in de manier waarop de ophopingen cellen beschadigen. De resultaten zijn op 7 mei in het vakblad Small.

Een eiwitophoping bestaat uit lange, opgevouwen eiwitten. Wetenschappers waren al langere tijd bekend met de structuur van de eiwitten aan de binnenkant van de ophopingen. Met conventionele microscooptechnieken was het echter onmogelijk om ook de eiwitstructuur aan de buitenkant te zien. Het was alsof de onderzoekers jarenlang in een huis zaten opgesloten. Ze konden de binnenzijde van het huis grondig onderzoeken, maar zonder sleutel konden ze nooit naar buiten stappen om de buitenzijde van de muren te bekijken. Door twee verschillende technieken (microscopie en spectroscopie) te combineren, wisten de onderzoekers nu een 'sleutel' te maken waarmee ze wel naar buiten konden stappen. Zo konden ze het metselwerk aan de buitenzijde eindelijk onder de loep nemen.

Rommelig

Zodra ze de buitenkant van de eiwitophoping (in het vakgebied bekend als amyloïde fibril) in beeld kregen, waren de onderzoekers verrast. De eiwitten aan de binnenkant van een fibril zijn netjes geordend. Ze zitten in een zogeheten bètasheet-structuur: een plat, regelmatig motief. De buitenkant bleek echter een rommelige structuur te hebben. De eiwitten zitten hier onregelmatig door elkaar. Hier en daar volgen ze een bètasheet-structuur, maar even verderop is de regelmaat weer ver te zoeken. Op een en dezelfde opeenhoping kan de structuur zelfs per nanometer (een miljoenste millimeter) verschillen.

De onderzoekers zagen ook dat de structuur van de buitenzijde sterk verschilt bij verschillende amyloïden. Terwijl de buitenzijde van de een veel delen met bètasheet-structuur bevat, heeft een ander nauwelijks regelmatige stukken. Ook verschillen de animozuren die aan de buitenzijde zitten per fibril.

De rommelige buitenzijde van de ophoping staat direct in contact met de membranen van omliggende cellen. De structuur speelt hierdoor een essentiële rol in het beschadigen van deze cellen. Zulke beschadigingen komen voor bij patiënten met ziektes zoals diabetes type 2 en Alzheimer.

De sleutel om uit het gesloten huis te komen

Voor het in beeld brengen van de eiwitstructuur aan de buitenkant van de ophoping, moesten de onderzoekers een nieuwe meetmethode vinden. De sleutel bleek een combinatie te zijn van spectroscopie en atoomkrachtmicroscopie.

Bij atoomkrachtmicroscopie beweegt een naald over het oppervlak van een object om het op de atomaire schaal af te tasten. De microscoop maakt zo een hoogtekaart van de amyloïde fibrillen. Tegelijkertijd produceert de spectrometer op elke pixel van de hoogtekaart het zogeheten Raman-spectrum. Dit spectrum geeft informatie over de vouwingstoestand van de eiwitten, en over de aanwezigheid van specifieke aminozuren op het oppervlak. Deze signalen zijn normaal gesproken erg zwak, maar een metaallaagje op de naald van de atoomkrachtmicroscoop versterkt het signaal enorm.

Eerder was het al mogelijk een totaalplaatje van de buitenzijde te maken, maar het team wist nu dus ook de manier waarop de eiwitten zijn gevouwen in beeld te brengen. Eerste auteur Corianne van den Akker: "Door microscopie en spectroscopie te combineren, konden we de structuur aan de buitenkant van een amyloïde linken aan een locatie op de buitenkant: we konden zowel een plaatje met nanometer resolutie maken, als de structuur op elke locatie bepalen. Dat is de unieke eigenschap van de techniek die we gebruikt hebben."

De volgende stap

Met de verkregen kennis zal het nu ook mogelijk zijn de structuur van amyloïden te meten die zijn gevormd op de buitenkant van levende cellen. Daarnaast kan de techniek worden ingezet voor het testen van bepaalde geneesmiddelen die amyloïdevorming kunnen voorkomen of de ophopingen kunnen oplossen.

Publicatie

, Corianne C. van den Akker, Tanja Deckert-Gaudig, Michael Schleeger, Krassimir P. Velikov, Volker Deckert, Mischa Bonn, Gijsje H. Koenderink, Small, online gepubliceerd op 7 mei 2015

Meer informatie

Monica van der Garde, persvoorlichter faculteit Bètawetenschappen, m.vandergarde@uu.nl, 06 13 66 14 38.

Tekst: FOM

*Bijschrift afbeelding

Een afbeelding van een fibril met een diameter van enkele nanometers, gemaakt met een atoomkrachtmicroscoop (links). Rechts zijn twee spectra weergegeven, die de structuur aan de buitenzijde onthullen. Een piek in de rode band is gerelateerd aan een locatie waar een geordende bèta-sheet structuur zit, terwijl een piek in de blauwe band overeenkomt met een stuk ongeordende structuur.