Cellen zitten vol met macromoleculen, die de diffusie van eiwitten beperkt, vooral in prokaryotische cellen zonder actief transport in het cytoplasma. Bij het onderzoeken van de relatie tussen crowding, ionsterkte en eiwitdiffusie, Biochemici van de Rijksuniversiteit Groningen deden een fascinerende ontdekking:positief geladen eiwitten kleven aan het oppervlak van ribosoomcomplexen. Dit verklaart waarom de meeste in water oplosbare eiwitten een algehele negatieve lading dragen. De ontdekking verschijnt binnenkort in het tijdschrift eLife .

De bewegingssnelheid van eiwitten in cellen is belangrijk:veel processen in biologische cellen zijn afhankelijk van interacties tussen macromoleculen (eiwitten en nucleïnezuren) en dus van hun vermogen om elkaar te vinden. 'Maar het celcytoplasma is een bruisende plek en dit zal invloed hebben op de eiwit- en RNA-diffusie', merkt Rijksuniversiteit Groningen hoogleraar biochemie Bert Poolman op.

Kosten

Zijn groep bestudeerde de effecten van crowding op diffusie, en vond een correlatie tussen eiwitgrootte en diffusiesnelheid. 'Maar voor sommige eiwitten vonden we deze correlatie niet, dus gingen we onderzoeken waarom.' Het team gebruikte drie verschillende prokaryoten met toenemende ionsterkte:de Gram-negatieve bacterie Escherichia coli, de Gram-positieve Lactococcus lactis en de extremofiele Haloferax volcanii, die bij zeer hoge zoutconcentraties leeft.

Voor deze studie is construeerden de onderzoekers verschillende varianten van Green Fluorescent Protein (GFP), met oppervlakteladingen variërend van -30 tot +25. Vervolgens bestudeerden ze de beweging van deze GFP-varianten in de drie celtypen. 'We zagen dat positief geladen eiwitten heel langzaam diffunderen. Ze kwamen vast te zitten in de cel', legt Poolman uit. Nadere analyse toonde aan dat de positieve eiwitten niet binden aan het DNA of het celmembraan maar aan het ribosoomcomplex.

Interessant

Een bioinformatica-analyse van de proteomen van micro-organismen en eukaryote cellen toonde aan dat in de meeste gevallen ongeveer 70 procent van de eiwitten negatief geladen is. 'Interessant, de overige 30 procent zijn membraaneiwitten of eiwitten die betrokken zijn bij het functioneren of vouwen van het ribosoom of mRNA.'

De membraaneiwitten worden tijdens de biogenese afgeschermd door chaperonnes, zodat ze niet aan de ribosomen blijven plakken. Er zijn dus geen 'vrije' cytoplasmatische eiwitten met een voldoende hoge positieve lading om ze op ribosomen te laten bezinken. De negatieve lading van het ribosoomcomplex en de omringende ionsterkte van het cytoplasma lijken de evolutie van ladingen in het cellulaire proteoom te hebben gevormd.

Niet verwacht

Het nieuwe en onverwachte inzicht dat eiwitmobiliteit een functie is van eiwitlading, kan verklaren waarom het moeilijk is om sommige eiwitten tot expressie te brengen in bacteriële systemen met een lage ionsterkte. 'We zagen dat een hogere ionsterkte de plakkerigheid van positief geladen eiwitten vermindert. Dat zou een waardevol inzicht kunnen zijn voor de constructie van eiwitexpressieplatforms.'

Een laatste observatie in de eLife-paper is dat de genomen van verschillende endosymbionten een overvloed aan positief geladen eiwitten vertonen. 'Deze bevinding verbijstert ons echt', geeft Poolman toe. 'Je zou verwachten dat al die eiwitten aangetrokken worden door de endosymbionten ribosomen. Tot dusver, we hebben geen verklaring hoe deze organismen kunnen omgaan met langzame diffusie en ribosomen die worden overspoeld met positieve eiwitten.'