Microbuisjes in cellen

  De cellen van alle organismen met celkernen (gist, planten, dieren, mensen) bezitten een structuur die de cellen in hun vorm houdt: het cytoskelet. Dit bestaat uit microtubuli en andere filamenten, zoals actinedraden: lange ketens van eiwitmoleculen. Langs microtubuli worden bijvoorbeeld organellen (een soort mini-organen met specifieke functies) door de cel getransporteerd en een eiwit als kinesine wandelt er langs. Microtubuli bestaan gewoonlijk uit 13 of 14 filamenten van het eiwit tubuline, die samen een stevige holle buis vormen met een doorsnede van zo'n 25 nanometer. De buizen groeien en krimpen voortdurend door het aanhechten dan wel afstoten van tubuline-dimeren (een dimeer is een molecuul dat uit twee componenten bestaat). Uit waarnemingen met elektronenmicroscopen is de structuur van het uiteinde van microtubuli bekend. Daar gebeurt de groei en krimp. Ook is zo bekend dat het uiteinde van een microtubule bij groei gevormd wordt door een 'vel' naar buiten gekromde tubulinefilamenten en dat bij krimp het uiteinde bestaat uit nog sterker naar buiten gekromde afzonderlijke tubulinefilamenten. De plaatjes die met elektronenmicroscopen worden gemaakt, leveren echter alleen statische momentopnamen. Over het verloop van groei en krimp zelf bestaat alleen maar gemiddelde informatie over enige duizenden tubulinemoleculen tegelijk, verkregen met lichtmicroscopie. Omdat microtubuli in de cel zo'n belangrijke rol spelen, willen onderzoekers graag weten hoe hun dynamische gedrag precies verloopt.

Microtubuli in het lab laten groeien
Onderzoekers* van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) hebben een experimentele opstelling ontwikkeld waarin ze tot op het niveau van afzonderlijke tubuline-dimeren (die 8 nanometer lang zijn) kunnen volgen wat er aan het uiteinde van een groeiende of krimpende microtubule gebeurt. In eerder onderzoek heeft Marileen Dogterom van AMOLF met haar groep deze techniek ontwikkeld om de groeikracht van een microtubule te meten door zo'n buisje vast te zetten met een zogeheten optisch pincet en het vrije uiteinde van het groeiende buisje tegen een vast obstakel te laten aangroeien. Het buisje zal door de tegenkracht van het obstakel het pincet van zijn plaats gaan drukken en de kracht die ervoor nodig is om het pincet op zijn plek te houden, geeft dus de kracht aan die de groeiende microtubule uitoefent. Hieruit kan vervolgens heel precies de aangroei van de microtubule afgeleid worden. Het geheel zetten de onderzoekers in een cel waar ze een tubuline-oplossing door kunnen laten vloeien.

In deze opstelling hebben de onderzoekers nu gekeken naar het aangroeien en inkrimpen van een microtubule. Van het tubuline-dimeer is de lengte bekend (namelijk 8 nanometer) en een van de dingen die men kan verwachten is een aangroei of krimp in stapjes van 8 nanometer - per tubuline-dimeer erbij of eraf. Het blijkt dat een microtubule bij een voldoende tubulineconcentratie vrijwel ogenblikkelijk aangroeit, in stappen van soms wel 20 tot 30 nanometer. De onderzoekers hebben, in samenwerking met het Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik in Dresden, ook gekeken naar de invloed van het eiwit XMAP215. Hiervan is bekend dat het de groei van microtubuli stimuleert. Dat bleek in de experimenten ook duidelijk het geval. De microtubuli groeiden nu in stappen van 40 tot 60 nanometer. Ook verliep de groei in dit laatste geval veel sneller.

Oorzaak grote groeistappen
De vraag is nu waar deze grote stappen precies vandaan komen. Sluiten zich eerst losse tubuline-dimeren aan en wordt dan het gekromde vel van tubulinefragmenten aan het uiteinde van de microtubule ineens gerecht? Of vormen zich eerst (langere) losse tubuline-oligomeren (oligomeren bestaan uit een aantal dimeren) en hechten die zich aan het uiteinde van de microtubule? Dat laatste lijkt te gebeuren, zo schrijven de onderzoekers. Ook bij toevoeging van XMAP215 lijkt de tweede procesgang op te treden: XMAP215 zet vrije tubuline-dimeren aan tot samengroei, waarna het geheel van XMAP215 en tubuline-oligomeer zich in één keer aan de microtubule lijkt te hechten. Als de microtubule in dit geval krimpt, gaat dat weer in stapjes. Kennelijk moet eerst het XMAP215 wegvallen, voor de tubuline-dimeren kunnen afbrokkelen.

Hun meetmethode opent de weg, zo schrijven de onderzoekers, om ook na te gaan hoe de wisselwerking tussen microtubuli en andere eiwitten verloopt en tussen microtubuli en andere celdelen, zoals de kinetochoor (het bewegingslichaam dat tijdens celdeling microtubuli aan chromosomen hecht). Dat is essentieel om het gedrag van de microtubuli goed te kunnen doorgronden.

*Jacob Kerssemakers, Laura Munteanu, Liedewij Laan, Tim Noetzel (Dresden), Marcel Janson en Marileen Dogterom

Meer informatie bij prof.dr. Marileen Dogterom, telefoon (020) 608 12 49 of (020) 608 12 34.