De eiwitinhoud van een cel vertelt veel over de functies van die cel en wat er eventueel mee mis zou zijn. Het lijkt er op dat die ’tak van sport’ steeds belangrijker wordt in de onderzoek maar ook in het klinisch (praktisch) gebruik. Het vakgebied ontwikkelt zci razendsnel.

Claudia Ctortecka was zowel skeptisch als geïnteresseerd toen haar promotieadviseur haar in 2018 vertelde dat het mogelijk was om met massaspectrometrie de eiwitinhoud van afzonderlijke cellen kon worden vastgesteld. Hij zocht iemand die hem bij die aanpak kon helpen in het BioCenter in Wenen. “Ik was altijd erg geïnteresseerd in massaspectrometrie”, zegt ze. “Dat is fundamenteel juist, waarom zou ik de uitdaging niet aangaan?”
Het was een sprong in het diepe en het bleek te werken. In april beschreven zij en collega’s een nieuwe monsterbereidingstechniek, proteoCHIP, dat tweeduizend eiwitten in kaart heeft gebracht van 158 (menselijke) cellen (twee celtypen). Dat is een van de zes artikelen in het afgelopen jaar over dit thema. In 2018 was Nikolai Slavov gastheer van het eerste congres over celproteomie. Daar waren 50 deelnemers. Dit jaar nemen meer dan 1300 onderzoekers (deels op afstand) deel aan de jaarvergadering.
Het meeste onderzoek bij afzonderlijke cellen is gericht op DNA, en dan nog vooral op het transcriptosoom (welke genen zijn actief), maar volgens biochemicus Neil Kelleher is het beter om de eiwitten zelf te bestuderen. Eiwitten worden na de productie in het ribosoom nog nabewerkt, dus bestudering daarvan ligt dichter bij wat er in het echt gebeurd.

De bestudering van eiwitten (proteomie) zoals ze in de cel voorkomen en functioneren is dus belangrijk, maar dat schijnt makkelijker gezegd te zijn dan gedaan (zoals bij de meeste dingen, overigens). De kernzuren (RNA en DNA) reageren vrij voorspelbaar, maar de eiwitinhoud (het proteoom) is wat dat betreft minder ‘bijbelvast’. Er is ook geen eiwitvariant van polymerasekettingreactie (PCR in Engelse afko), het vermenigvuldigen van DNA’s). De techniek dient dus veel gevoeliger te zijn dan bij genoomonderzoek.
Je kunt antilichamen gebruiken en met celmeetmethodes kun je tot vijftig eiwitten per cel ’tellen’. Bij het menselijke-eiwitatlasproject wordt geavanceerde microscopie gebruikt. Niet alle eiwitten hebben echter corresponderende antilichamen en soms binden antilichamen slecht aan eiwitten of zijn minder specifiek. Dan lijkt massaspectrometrie een vruchtbaar alternatief waarbij stoffen op massa worden gescheiden.

Die techniek is gevoelig genoeg. Sommige massaspectrometers kunnen uiterst lage concentraties detecteren (in de orde van 10^-18 mol). Dan praat je over een paar honderdduizend moleculen. Gemiddeld zouden er van elk eiwit zo’n 18 000 exemplaren in een zoogdiercel zitten, maar het is niet eenvoudig de inhoud van een cel netjes in een spectrometer te krijgen. Nog geen vijf jaar geleden dacht Matthias Mann, directeur van het Max Planckinstituut voor biochemie in München dat het niet tijdens zijn loopbaan zou gebeuren dat eiwitten per cel zouden kunnen worden gemeten.

Monsterbereiding

De snelheid waarmee het veld zich heeft ontwikkeld komt volgens Mann niet alleen van de ontwikkeling op het gebied van instrumentatie en analysehulpmiddelen maar vooral van de monsterbereiding. “Dat moet allemaal gebeuren in een klein volume zodat je geen eiwitten kwijtraakt en ze niet overal aan blijven plakken” zegt de Max Planckman. ProteoCHIP is zo’n systeem. Ryan Kelly en Ying Zhu ontwikkelden nanoPOTS. Daarmee zouden ruim duizend eiwitten in menselijke neuronen zijn geïdentificeerd en geteld.

Of dat veel is hangt ervan af hoe je telt. Sommige genen coderen voor verschillende eiwitvormen en lang niet alle eiwitten worden in alle cellen aangemaakt, maar voorlopig is het een ijkpunt voor de proteomie. Er zijn onderzoekers die zeggen er meer te hebben geteld, maar hun resultaten zijn (nog?) niet gepubliceerd. In februari is er een voordruk (nog niet beoordeeld) verschenen van een artikel over onderzoek van Mann c.s., waarbij de verandering van het proteoom (de eiwitinhoud) werd gevolgd gedurende de ontwikkeling van de cel. Mann: “Elke cel heeft een vrij stabiel proteoom, zo blijkt.”
Het kost nogal wat werk om die gegevens te produceren. In feite worden vaak stukken van eiwitten (peptiden) geteld en geen volledige eiwitten en dat gaat ook nog stuk voor stuk. Zo noteerde Erwin Schoof van de TU Lyngby in Denemarken elke halve seconde een peptide tijdens een massaspectrometer’run’ van 160 minuten. “Op een goede dag maten we 4500 peptiden per cel.” De onderzoekers in Lyngby doen acht monsters per dag (dat zijn dus echt afzonderlijke cellen)
In 2018 beschreven Slavov en collega’s een methode die ze SCoPE-MS noemden. Daar combineerden ze massaspectrometrie met een eiwitdrager die de hoeveelheid materiaal om te analyseren (eiwitten, peptiden) vergrootte. “Daardoor konden we makkelijker peptidesequenties (opeenvolging van samenstellende aminozuren; as) bepalen”, zegt Slavov. Dat alles gebeurt met waanzinnig kleine hoeveelheden. We hebben het over nanoliters (eenmiljardste liter).

Voortgang

Aan die ontwikkelingen en methoden wordt voortdurend gesleuteld en er ontstaan voortdurend nieuwe ideeën. Andere onderzoekers richten zich op de manier waarop gegevens worden verzameld. Schoof c.s. werkt met bedrijven samen om, onder meer met chromatografische scheidingsmethoden de meettijd te bekorten.

Verleden jaar publiceerden Kelly c.s. een strategie om nanoPOTS te combineren met microdissectietechnieken en massaspectrometrie om tweeduizend eiwitten te tellen. Mann kwam met nieuwe plannen. Kortom de ontwikkelingen zijn nog lang niet aan hun eind. Er zou, vinden sommige onderzoekers, in navolging van menselijk-genoomproject een menselijk-proteoomproject moeten komen om de eiwitinhoud van cellen tot op de laatste eiwit te kunnen vaststellen. Het zou ons weer een stukje verder helpen op de lange weg naar de doorgronding van het ingewikkelde proces dat leven is genoemd.

Bron: Nature