211service.com
De celdetective
Je cellen zijn kleine kletskousen die niets voor zichzelf kunnen houden. Ze vertellen hun dagelijkse activiteiten zodat iedereen het kan horen - elke pijn en pijn of komen en gaan. Bij cellen is alles aan de oppervlakte.
Hidde Ploegh is biologieprofessor aan het MIT en lid van het Whitehead Institute for Biomedical Research. (Foto door Sam Ogden).
En het is ook maar goed, want het immuunsysteem moet, net als een overbezorgde ouder, precies horen wat er aan de hand is om ervoor te zorgen dat we veilig zijn. De geprefereerde communicatiemethode van cellen is om moleculaire vlaggen op hun membranen weer te geven. Dergelijke vlaggen laten het immuunsysteem weten of een cel is geïnfecteerd met een virus of kanker is geworden. Maar sommige virussen kunnen cellen kokhalzen, zodat het immuunsysteem geen idee heeft wat er aan de hand is.
Hidde Ploegh, biologieprofessor aan het MIT en lid van het Whitehead Institute for Biomedical Research, wil weten hoe ze dat doen. In zijn laboratorium richten onderzoekers zich op de tactieken die virussen en bacteriën gebruiken om cellen het zwijgen op te leggen. We denken dat we door deze virussen [en bacteriën] nauwkeurig te inspecteren, niet alleen een glimp kunnen opvangen van hun ontwijkende functies, maar ook van de werking van het gezonde immuunsysteem, zegt Ploegh.
De cellen van het immuunsysteem omvatten vele soorten killer-, geheugen- en chatterbox-cellen die via complexe communicatienetwerken zijn verbonden. De dodelijkste menselijke ziekten, waaronder tuberculose, hiv en kanker, zijn erg goed in het verbergen van hun aanwezigheid voor het immuunsysteem. Hoe ze dit precies doen, wordt niet goed begrepen: er zijn veel plaatsen in de netwerken waar een ziekte een signaal kan verstoren of vernietigen.
Ploegh is vooral geïnteresseerd in herpesvirussen - een grote, oude familie van virussen, waarvan er acht mensen infecteren - omdat veel van hen het communicatieproces kunnen stoppen voordat het begint door te voorkomen dat de vlaggen van praatgrage cellen omhoog gaan. Deze familie heeft een trukendoos ontwikkeld waarmee ze dit hele proces frustreren, zegt hij.
Wat Ploegh vooral fascinerend vindt aan herpesvirussen, is dat ze, in tegenstelling tot de meeste andere ziekteverwekkende microben, nooit meer weggaan als ze je eenmaal besmetten. Wat deze virussen hebben geleerd, zegt hij, is niet alleen hoe ze de gastheer kunnen infecteren en zich erin kunnen verbergen, maar ook hoe ze uit hun latente toestand kunnen reactiveren, wat soms jaren en jaren later koorts, zweren en andere symptomen veroorzaakt. Het virus komt uit zijn schuilplaats in het aangezicht van een immuunsysteem dat al weet van zijn aanwezigheid, en het kan er nog steeds bovenop komen en worden overgedragen aan de volgende gastheer. Dat is een behoorlijk opmerkelijke reeks strategieën.
Ploegh heeft zich in het bijzonder gericht op een herpesvirus genaamd humaan cytomegalovirus (HCMV), dat zo wijdverspreid is dat 50 tot 80 procent van de Amerikanen het tegen de leeftijd van 40 heeft. Geïnfecteerde mensen hebben meestal geen symptomen, maar het virus kan oogontsteking veroorzaken, leverfalen en overlijden bij mensen met een gecompromitteerd immuunsysteem, zoals AIDS-patiënten.
Het onderzoek van Ploegh heeft aangetoond dat HCMV een van de herpesvirussen is die zichzelf kan verhullen door te voorkomen dat de cellen die ze infecteren hun moleculaire vlaggen aan het immuunsysteem vertonen. Alle menselijke cellen, of ze nu geïnfecteerd zijn of niet, vertonen gewoonlijk op hun oppervlak constant roterende monsters van de eiwitten die erin worden gemaakt. Immuunsysteemcellen die bekend staan als killer T-lymfocyten circuleren door het bloed en het lymfestelsel om deze monsters te lezen. Als een cel een fragment van een eiwit vertoont dat normaal niet door gezonde cellen wordt gemaakt, zoals een kankereiwit of een viraal eiwit, zullen de dodelijke T-lymfocyten die voorbij dwalen het detecteren en de cel doden. Je zou dit kunnen beschouwen als het systeem voor vroegtijdige waarschuwing waarmee de T-lymfocyt weet wat er diep in een cel gebeurt, zegt Ploegh. Als het virus dat systeem voor vroegtijdige waarschuwing zou kunnen uitschakelen, zou het tijdelijk onzichtbaar zijn voor dodelijke T-cellen.
De groep van Ploegh ontdekte dat dit precies is hoe HCMV werkt: het richt zich op het eiwit dat fragmenten van andere eiwitten naar het celoppervlak transporteert voor weergave. Het dragereiwit, MHC klasse I genaamd, fungeert als de vaandeldrager van de cel. Het hangt rond de plek in de cel waar eiwitten worden gemaakt en vernietigd, grijpt naar alle fragmenten die het vindt en hijst ze naar het celoppervlak. Onderzoekers in het laboratorium van Ploegh hebben een cluster van HCMV-genen geïsoleerd die MHC vernietigen of vasthouden.
Dit werk geeft immunologen een kijkje in de trukendoos van herpesvirussen en verlicht de alledaagse activiteiten van normale menselijke cellen. Het virus heeft gekaapt wat volgens ons een essentieel pad is voor de kwaliteitscontrole van eiwitten, zegt Ploegh. Cellen zijn erg voorzichtig bij het kopiëren van hun DNA, omdat eventuele fouten worden doorgegeven aan toekomstige generaties. Maar de eiwitproductie is slordig, met een foutenpercentage van ongeveer 10 procent. Dat afval moet de cel uit, zegt Ploegh; inderdaad, een deel van het syntheseproces is ook de afbraak van buitenbeentjes. Biologen weten niet precies hoe misfit-eiwitten worden herkend, maar als ze dat eenmaal zijn, krijgen ze een pas waarmee ze in een proteasoom kunnen komen, wat Ploegh vergelijkt met een vleesmolen. Nadat ze een proteasoom hebben verlaten, gaan gehakte eiwitten, of ze nu viraal of van de cel zijn, het compartiment binnen waar MHC op de loer ligt, waarna het ze naar de oppervlakte snelt voor inspectie door T-cellen.
Ploegh en zijn studenten bestudeerden twee HCMV-genen in menselijke cellen en toonden aan dat beide het vlagdragende proces kunnen verstoren. In plaats van met geïnfecteerde cellen te werken, kun je eenvoudig dit ene gen in je cel installeren en het hele pad zien ontvouwen, zegt hij.
Joana Loureiro, een afgestudeerde studente van de Universiteit van Lissabon in Portugal die haar promotieonderzoek doet in het laboratorium van Ploegh, bestudeert een van deze genen, genaamd US2 (de andere, genaamd US11 , heeft vergelijkbare effecten). Met behulp van een techniek genaamd pulse-chase, kan Loureiro MHC volgen, US2 's slachtoffer. Ten eerste overspoelt of pulseert ze menselijke cellen met radioactief gelabelde eiwitbouwstenen - zo veel dat de MHC's die tijdens de pulsperiode worden gemaakt overwegend radioactief en traceerbaar zullen zijn. Daarna jaagt ze op de eerste set bouwstenen met een tweede set zonder label. Loureiro kan dus een groep eiwitten volgen die alleen gedurende een bepaalde periode zijn gemaakt. Hierdoor kan ze de timing van gebeurtenissen zien: in aanwezigheid van de virale US2 eiwit, steekt MHC uit zijn gebruikelijke compartiment en wordt vervolgens gekauwd door de vleesmolen van de cel.
HCMV heeft andere manieren om MHC uit te schakelen, bijvoorbeeld eiwitten die het gewoon als een anker naar beneden slepen, zodat het het celoppervlak niet kan bereiken. Maar Ploegh zegt dat het meest spectaculaire voorbeeld van de vindingrijkheid van het virus datgene is dat Loureiro bestudeert, waarin het virus de kwaliteitscontrolemechanismen van de cel tegen zichzelf keert. Het Ploegh-lab heeft aangetoond dat HCMV MHC in letterlijk minuten kan uitschakelen; de geïnfecteerde cel heeft simpelweg geen tijd om een waarschuwing naar het immuunsysteem te sturen.
HCMV bootst mogelijk een normaal eiwitverwerkingsmechanisme na in organismen van gist tot mensen. Gisten, de eenvoudigste schimmels waarvan de genetische werking heel erg lijkt op die van ons, bevatten genen die routes definiëren die vergelijkbaar zijn met die gebruikt door US2 en US11 in menselijke cellen. Deze overeenkomst, zegt Ploegh, suggereert een verband dat kan worden gelegd tussen ontsnapping aan de detectie van het immuunsysteem door virussen en zeer basale, normale routes. Hij voegt eraan toe: We denken dat de paden die worden gebruikt door US2 en US11 zijn symbolisch voor hoe uw typische zoogdiercel omgaat met eiwitafval. Door te bestuderen hoe inheemse menselijke eiwitten het virale eiwit helpen MHC te vernietigen, hoopt Loureiro te ontdekken hoe de normale route werkt.
Lisa Kattenhorn, een afgestudeerde student van de Harvard Medical School in het laboratorium van Ploegh, ontdekte een ander verhulmechanisme. Om door MHC aan het celoppervlak te worden weergegeven, moeten virale eiwitten eerst door de molens van een proteasoom gaan. Maar om in een proteasoom te komen, hebben de eiwitten een speciale pas nodig, ubiquitine genaamd; zonder deze controle zou elk eiwit in de molen kunnen gaan en zou de cel uiteindelijk sterven. Kattenhorn ontdekte dat een van de eerste eiwitten die een cel binnendringen tijdens infectie door een herpesvirus, een enzym is dat ubiquitine uit virale eiwitten kan verwijderen. Geen ubiquitine betekent dat MHC geen virale eiwitfragmenten kan vertonen, dus de infectie is waarschijnlijk onzichtbaar voor killer-T-cellen. Alle herpesvirussen hebben dit enzym, dus Kattenhorn hoopt dat haar werk kan leiden tot een breed toepasbare therapie.
Hoewel Kattenhorn een viroloog is, steunt haar werk op sondes die zijn gemaakt door chemici in het laboratorium van Ploegh. Howard Hang, een postdoc chemie die samenwerkt met Ploegh, beschrijft deze sondes als lokaas om eiwitten eruit te halen, zodat ze in detail kunnen worden onderzocht. Elke sonde heeft het equivalent van een visvlieg die eiwitten verleidt om te bijten, evenals een lijn die kan worden gebruikt om ze op te halen. De sondes van Kattenhorn gebruiken bijvoorbeeld ubiquitine als lokaas om de enzymen aan te trekken die het verwijderen.
Deze chemische sondes werken goed in studies van de delen van de cel die worden ondermijnd door herpesvirussen, maar ze kunnen niet worden gebruikt in levende cellen, zegt Hang. De sondes zijn te groot om intacte cellen in en uit te gaan, dus de cellen moeten worden verpulverd voordat ze worden onderzocht. Hang ontwerpt een kleinere, flexibelere sonde om live-beeldvormingsstudies te doen van Salmonella bacteriën in actie. In de cellen die het infecteert, Salmonella weert op de een of andere manier proteasen af, enzymen die, net als proteasomen, eiwitten afbreken. Het voorkomt dus dat zijn veelbetekenende eiwitten het celoppervlak bereiken en door T-cellen worden gezien. Maar Salmonella moet intact en levend zijn om deze prestatie te leveren.
Ploegh gebruikt andere soorten live-cell imaging-technieken om de onderlinge verbindingen tussen de verschillende takken van het immuunsysteem te bestuderen. Hij doet ook onderzoek naar cellen van het immuunsysteem die op een algemener niveau opereren dan killer-T-cellen. In plaats van te reageren op een bepaalde stam van E coli of voor herpes simplex-virus type 1, deze cellen herkennen bedreigingen in zeer algemene categorieën - bacteriën, virussen of schimmels - en handelen snel. Leerboeken maken een scherp onderscheid tussen deze twee takken van het immuunsysteem, maar in het echte leven zijn ze nauw met elkaar verbonden, zegt Ploegh. Ze functioneren op een continu spectrum.
Tijdens een infectie probeert een microbe zich te vermenigvuldigen en zijn gastheer probeert hem te vernietigen. Daar heb je het begin van een langdurige strijd, zegt Ploegh. Bij het bestuderen van de oorlogsplannen van herpesvirussen en andere microben, zegt Ploegh, is hij niet op zoek naar een manier om een specifieke ziekte te genezen, maar naar een beter begrip van hoe het immuunsysteem werkt. En dat begrip zal ons beter voorbereiden op de bestrijding van welke ziekte dan ook.