Veroudering als sneeuwbaleffect

Wie op leeftijd raakt, kan de schade aan zijn cellulaire eiwitten steeds lastiger herstellen. Je cellen extra vouwhulpjes, de zogenoemde chaperonnes, laten aanmaken kan de problemen met verkeerd gevouwen eiwitten verminderen, denken sommige biochemici. Is er een pil tegen veroudering in de maak?

door Martine Segers, gepubliceerd in C2W life sciences 3, maart 2011

Eiwitvouwing gaat vaker fout dan goed. Slechts 30 procent van de aminozuurketens bereikt in onze overbevolkte cellen in één keer de goede 3D-structuur. Daarbij is de hulp van chaperonnes essentieel, vooral om samenklontering van hydrofobe delen van nog onvolwassen eiwitten tegen te gaan. Chaperonnes helpen ook een deel van de verkeerd gevouwen eiwitten te hervouwen. De rest van de mislukte eiwitten is voer voor de afbraakmachinerie van de cel. Die hakt ze in stukjes en voert ze af.

“Het risico op samenklontering van eiwitten is de prijs die we betalen om de 3D-structuur van een scala aan eiwitten mogelijk te maken”, vertelt de Vlaamse onderzoeker Frederic Rousseau. “Om die structuur goed op te kunnen bouwen, heb je aan de binnenkant hydrofobe delen nodig. En diezelfde hydrofobe delen kunnen gemakkelijk aggregeren als ze - in de waterige omgeving van de cel - aan de buitenkant van een eiwit terechtkomen. Dat maakt het onvermijdbaar dat een deel van je eiwitten verkeerd vouwt of samenklontert met andere eiwitten. In een cel vindt altijd een competitie plaats tussen eiwitvouwing en (zelf)aggregatie.”

Als we ouder worden, wint de cel die strijd tegen aggregatie steeds moeilijker, is de mening van steeds meer onderzoekers. Bij ziektes als Alzheimer, Parkinson en Huntington wordt al langer de beschuldigende vinger naar zogenoemde eiwitplaques gewezen. De laatste jaren komt er echter ook steeds meer aandacht voor samenklontering van eiwitten in cellen van gezonde ouderen.

“Een toename van het percentage geaggregeerde eiwitten in een cel is inherent aan veroudering”, stelt prof. Saskia van der Vies van het VUMC. “Dat is experimenteel het best onderzocht in C. elegans, maar lijkt ook bij mensen het geval te zijn.” Het achterliggende probleem: de in de cel aanwezige afbraakmachinerie en chaperonnes hebben niet voldoende capaciteit om de toenemende concentratie beschadigde eiwitten bij te kunnen benen. “Dat capaciteitsprobleem verergert bovendien doordat juist een van de hoofdschakelaars die nodig is voor de aanmaak van chaperonnes tijdens veroudering wordt uitgezet”, stelt de Utrechtse hoogleraar Ineke Braakman. Ook hierdoor neemt volgens haar de hoeveelheid verkeerd gevouwen eiwitten toe.

Andere onderzoekers denken dat juist mutaties in het DNA de belangrijkste oorzaak zijn voor extra eiwitvouwingsproblemen als je ouder wordt. “Door accumulerende foutjes in het DNA ontstaan er in een cel meer eiwitten die het moeilijk hebben om tot de goede actieve structuur te vouwen en een groter beroep gaan doen op de aanwezige chaperonnes”, stelt Michel Vos, die tot voor kort als postdoc in Groningen onderzoek deed naar chaperonnes bij fruitvliegen.

Het resultaat van de ophoping van verkeerd gevouwen eiwitten is dat een cel serieus kan verzwakken of zelfs afsterven, waardoor uiteindelijk organen verzwakken, denken biochemici.

Ontsporen
“De evolutie heeft simpelweg geen systeem bedacht om de hoeveelheid chaperonnes te verhogen bij ouderdom”, stelt Vos. “De maximale hoeveelheid chaperonnes is afgestemd op het halen van de reproductieve leeftijd en niet op de overload aan niet goed gevouwen eiwitten die op hogere leeftijd ontstaat.” Niet-delende neuronen in de hersenen zijn hier het meest gevoelig voor. Daar hopen de meeste verkeerd gevouwen cq beschadigde eiwitten op, omdat deze cellen simpelweg levenslang mee moeten.

“De vorming van eiwitklonten is eigenlijk een manier om de cel te beschermen tegen vouwingsintermediairen met hydrofobe plekken aan de buitenkant. Die zijn namelijk schadelijk voor de cel”, legt Van der Vies uit. “Dat beschermingsmechanisme creëert echter tegelijkertijd nieuwe problemen, omdat je daarmee ook voor de cel belangrijke eiwitten kunt wegvangen.” De chaperonnes zelf zijn er gevoelig voor om meegesleurd te worden in grote eiwitklompen, maar bijvoorbeeld ook kinases.

“Uiteindelijk krijg je een soort cascade waarin steeds meer eiwitten met een beetje neiging tot aggregatie betrokken raken, evenals de eiwitten die daar een interactie mee aan gaan”, vult Rousseau aan. Zo’n sneeuwbaleffect kan de hele cel ontregelen, meent ook Vos. “Bijvoorbeeld als die grote, slecht afbreekbare eiwitklonten ook transcriptiefactoren meesleuren.”

De natuur probeert de kans dat aggregatie plaatsvindt, wel te verkleinen, bijvoorbeeld door in sterk hydrofobe stukken veel geladen aminozuurresiduen te plaatsen die het risico op spontane samenklontering verminderen, ontdekte het lab van Rousseau, die zijn onderzoekgroep bij het Vlaams Instituut voor Biotechnologie (VIB) samen met Joost Schymkowitz leidt. “Bij belangrijke eiwitten, zoals de tumorsuppressor p53, zie je dat het sterkst.” (Zie voor nieuws hierover de C2W-website)

Aspirientje
Een pil slikken die de concentratie chaperonnes verhoogt, ziet Heinekenprijswinnaar Ulrich Hartl als serieuze optie om de levenskwaliteit van ouderen te verbeteren. Zo’n pil moet er voor zorgen dat verkeerd gevouwen eiwitten opnieuw worden gevouwen of afgevoerd voordat ze schade berokkenen. “In de toekomst kunnen ouderen misschien wekelijks zo’n pil slikken, net als een aspirientje”, opperde hij afgelopen najaar in een interview in de KNAW-uitgave Akademie Nieuws.

“Het principe erachter spreekt me aan”, reageert Van der Vies. “En theoretisch zou het kunnen dat een cel beter met aggregaten om kan gaan als je het chaperonnesysteem een boost geeft. Je ziet bijvoorbeeld bij hittestress dat gist veel hogere temperaturen kan overleven als je de temperatuur langzaam laat toenemen. Dan hebben de gistcellen de tijd gehad om een bepaald type chaperonnes, de zogenoemde heat shock-eiwitten, extra aan te maken. Maar we moeten wel eerst nog meer te weten komen over het verschil in het expressieniveau van chaperonnes in verschillende celtypes.”

Rousseau vindt dat onderzoekers ook eerst goed moeten uitzoeken welke specifieke chaperonnes op leeftijd minder goed tot expressie komen. “Het is een beetje naďef om te denken dat je door de masterschakelaar voor alle chaperonnes harder te laten werken, het hele systeem in balans houdt. In tumorcellen zie je namelijk dat er ook problemen kunnen ontstaan als chaperonnes té actief zijn. Maar als je een methode vindt om de productie van specifieke chaperonnes apart te stimuleren, dan zie ik daar zeker toekomst in als medicijn tegen veroudering.”

Link
“Kleine heat shock-eiwitten tot overexpressie brengen lijkt bij fruitvliegen veilig en zorgt voor een substantiële verlenging van de gemiddeld levensduur van zo’n 20 procent”, vertelt Vos. “Maar een vlieg is geen mens.” Hij ziet een pil tegen veroudering voorlopig nog niet zitten. “Tijdens de ontwikkeling van een embryo zie je ook hogere expressieniveau’s van chaperonnes, wat doet vermoeden dat deze vouwhulpjes ook andere functies hebben. Er is nog veel te weinig bekend over hun mogelijke rol als regulatoren in andere processen.”

Ook kritisch over het idee van Hartl is Braakman, die betrokken is bij het Nederlandse IOP-project Healthy Ageing. “Het zou mooi zijn als je de eiwitbalans in een cel terug kan brengen naar zijn jeugdige niveau. Maar als je permanent de expressie van chaperonnes verhoogt met een medicijn breng je de cel in een soort permanente stress-toestand. Mijn inschatting is dat dat juist ook weer kan leiden tot ziektes, omdat er een onbalans kan ontstaan. Als je te veel van bepaalde vouwhulpjes hebt, kunnen die bijvoorbeeld te lang aan een eiwit binden, waardoor het eiwit juist langzamer of niet goed vouwt.”

Braakman heeft zelf proeven gedaan met overexpressie van chaperonnes in verschillende type zoogdiercellen. “We zagen dat eiwitvouwing bijna altijd langzamer ging en/of het foutenpercentage omhoog schoot. De concentratie van alle transcriptiefactoren voor chaperonnes verhogen, zou ik dan ook heel link vinden. De cel kent daarvoor een te complex netwerk voor de regulatie van chaperonnes.”

Haar alternatief: op zoek gaan naar co-activatoren, stoffen die alleen als het nodig is het stresssysteem een extra duw geven. “In voedingsmiddelen en planten hebben collega’s binnen ons IOP-project al zulke stoffen gevonden. Die laten de cellen in onze assays beter reageren op stress. Maar hoe zulke stoffen precies werken weten we nog niet.”

“We zijn nog op zoek naar een farmaceut die een bibliotheek met kandidaatgeneesmiddelen ter beschikking wil stellen voor screens met onze cellijnen. Solvay was geďnteresseerd, maar de gesprekken hierover kwamen na de overname door Abbott helaas stil te liggen.”

De farmaceutische industrie kijkt nu nog van de zijlijn toe, is ook de ervaring van Rousseau. “Bedrijven richten zich nu eerst op het bestrijden van eiwitvouwingsproblemen als onderdeel van ziektes. Als dat blijkt te werken, is de volgende stap om een pil te ontwikkelen die veroudering in het algemeen kan vertragen. En daarmee misschien ook wel weer ziektes kan voorkomen. Want voor veel ziektes is leeftijd toch de belangrijkste risicofactor.”

Zuurstofradicalen
De Rotterdamse verouderingsdeskundige prof. Jan Hoeijmakers vraagt zich af of het zover zal komen. “Voor mij is het oorzakelijke verband tussen problemen met eiwitvouwing en veroudering nog niet aangetoond.” Als expert in DNA-reparatie denkt hij dat vooral beschadigingen in het erfelijk materiaal, bijvoorbeeld door reactieve zuurstofradicalen, aan de basis liggen van veroudering.

“Beschadigde eiwitten kun je altijd opnieuw maken, bij beschadiging van DNA rest alleen reparatie. Als dat niet lukt, delen cellen niet meer, maken ze fouten of gaan ze dood. Het lichaam wordt geleidelijk aan gammel doordat een deel van de beschadigde cellen toch in leven blijft. Evolutionair gezien is ons lichaam ook een wegwerpartikel.”

Een pil tegen problemen met eiwitvouwing, als het al lukt om dat goed te reguleren, zal dan ook maar een beperkt effect hebben, is de inschatting van Hoeijmakers. Wat hem vooral aan het twijfelen brengt over de belangrijke rol die eiwitdeskundigen toedichten aan een gebrek aan chaperonnes in het verouderingsproces, is het feit dat muizen zonder DNA-mis-match-repair-systeem zich normaal ontwikkelen. “Ze krijgen wel sneller kanker, maar verouderen niet sneller. Deze muizen hebben 100 tot 1000 keer zoveel mutaties in hun DNA, dus dan verwacht je een serieus effect op de eiwitvouwing en het functioneren van chaperonnes.”

“Echter jonge, gezonde cellen hebben juist een grote overcapaciteit qua chaperonne-niveau’s en afbraakmachinerie”, reageert Braakman. “En hebben dus waarschijnlijk helemaal geen last van het groter aantal fout-gevouwen eiwitten.” Volgens de Utrechtse biochemicus ontstaat hierdoor bij dit soort muizen ook pas bij veroudering een tekort aan vouwings- en/of degradatiecapaciteit. Hoeijmakers blijft zich echter afvragen waarom je dan ook bij oudere muizen geen versnelde veroudering ziet.

De discussies in dit veld zijn dus nog niet beslecht. Als een chaperonne-stimulerende pil veilig blijkt, zou criticus Hoeijmakers hem overigens wel gaan slikken. “Als je veroudering een klein beetje tegen kunt gaan, is dat natuurlijk nooit slecht.”