Op dit ogenblik bestaat er voor onze veronderstelling geen enkel bewijs", zegt de jonge celbioloog Günter Blobel in 1971. Op een biologisch congres presenteert hij samen met een andere jonge onderzoeker een revolutionair model. Het toont hoe eiwitten op de juiste plaats in een cel terechtkomen of naar buiten worden gebracht.

Blobel vat zijn hypothese samen in een artikel van drie bladzijden. Al binnen enkele jaren komt hij met het bewijs op de proppen. De hypothese blijkt op te gaan voor een grote groep eiwitten en bovendien voor de cellen van alle levende wezens. Tegelijk wordt duidelijk hoe belangrijk een juiste verkeersgeleiding van de eiwitten voor de cel is. Andere onderzoeksgroepen buigen zich over het onderwerp. Blobel ontpopt zich tot een geweldige groepsleider die nauw met collega’s samenwerkt en ook in competitie gaat. Hij is ‘de spin in het web’. Het is grotendeels aan Blobel te danken dat het verdere onderzoek zo snel vooruitgaat. Amper dertig jaar later krijgt hij de Nobelprijs. Al zijn collega’s erkennen dat hij de prijs heeft verdiend. Tegenwoordig denken we dat elke cel minstens 100.000 verschillende typen eiwitten kan bevatten. Die eiwitten zijn nodig voor herstelwerkzaamheden in de cel, zorgen voor het verloop van levensnoodzakelijke chemische reacties in de cel of helpen op een andere manier mee aan het leven. De cel bevat genetische codes om haar eiwitten zelf te maken. Ze moet er ook voor zorgen dat de eiwitten op hun plaats van bestemming aankomen. Vaak is die bestemming een organel, het celequivalent van een orgaan. Organellen vervullen specifieke functies, zoals vertering of energievoorziening, en hebben behoefte aan specifieke eiwitten om hun taak naar behoren uit te voeren. De cel maakt ook eiwitten die voor de buitenwereld bestemd zijn. De verteringseiwitten die een cel in de alvleesklier maakt, bijvoorbeeld, moeten in de darm terechtkomen. Blobel ontdekte dat eiwitten bij hun productie in de cel een adreslabel meekrijgen. Dat label bestaat net als het eiwit zelf uit aminozuren. Voordien waren wetenschappers ervan overtuigd dat de informatie over functie en bestemming van eiwitten alleen te vinden was in de genetische code van cellen.

Vrije en gebonden bolletjes

We schrijven midden jaren zestig. De ontwikkeling van de elektronenmicroscoop brengt de studie van de celopbouw in een stroomversnelling. Celbiologen ontdekken nieuwe celorganellen. Aan de befaamde Rockefeller University in New York beschrijven Keith Porter en George Palade een nieuw organel. Zij vonden in de cel een sterk vertakte structuur met een vlies (de membraan) eromheen. Aan de buitenkant van de membraan vinden ze kleine bolletjes. Ze dopen het nieuwe organel het ruw endoplasmatisch reticulum (ER). Al snel blijkt dat de bolletjes aan de buitenkant ervan oude bekenden zijn. Wetenschappers kennen ze als ribosomen, structuren die vrij in de celvloeistof rondzweven en eiwitten maken. Op de ribosomen wordt het stukje erfelijk materiaal dat de code voor een bepaald eiwit draagt, vertaald in het eiwit met de overeenkomstige aminozuurvolgorde. De nieuw gevormde eiwitketen komt dan uit het ribosoom tevoorschijn. Porter en Palade zien dat vooral alvleeskliercellen, die veel verteringsenzymen uitscheiden, grote hoeveelheden ruw ER bezitten. De link ligt voor de hand: waarschijnlijk verzorgen gebonden ribosomen de productie van secretie-eiwitten, eiwitten die de cel wil uitscheiden.

Wat het eventuele verschil is tussen vrije en gebonden ribosomen, weet niemand. Het wordt het promotieonderzoek van een jonge Duitse arts aan de Universiteit van Wisconsin. Tegen zijn promotie heeft Günter Blobel, want hij is het, het definitieve antwoord nog niet gevonden. Zijn promotor moedigt hem aan om het onderzoek voort te zetten in New York, bij de ontdekkers van het ER. Daar ontdekt Blobel samen met de jonge David Sabatini al snel dat er tussen vrije en membraangebonden ribosomen geen enkel biochemisch verschil bestaat. Daarnaast bewijzen ze dat de nieuw gevormde eiwitketens die uit een gebonden ribosoom tevoorschijn komen, door de membraan heen het ER binnengaan. Als de hechting van ribosoom aan ER niet aan het ribosoom zelf ligt, moet het aan de groeiende eiwitketen liggen, zo redeneren Blobel en Sabatini. De eiwitketen heeft een soort adreslabel waarop ‘ER’ staat. Blobel noemt het adreslabel de signaalsequentie en de hypothese de signaalhypothese. Hij gaat ervan uit dat de signaalsequentie wordt afgeknipt van het eiwit zodra het samen met het ribosoom aan het ER gebonden is. Het adreslabel van het eiwit is dan niet langer nodig.

Nog een Nobelprijswinnaar

Toeval of niet, maar de eerste belangrijke ondersteuning voor de signaalhypothese komt ook al van een toekomstige Nobelprijswinnaar. Cesar Milstein bestudeert aan de universiteit van Cambridge de afweerstoffen die het lichaam tegen indringers produceert. Jaren later ontwikkelt hij een nieuw soort antistoffen (de zogenaamde monoklonale antistoffen), die vandaag de dag voor moleculair-biologisch onderzoek en voor de geneeskunde zo belangrijk zijn. In de jaren zeventig isoleert Milstein, net als Blobel en veel andere celbiologen, onderdelen uit de cel en brengt ze vervolgens in een reageerbuis weer samen. In een bepaalde proef mengt Milstein celvloeistof met vrije ribosomen met het stukje erfelijk materiaal dat de code voor een afweerstof draagt. De ene keer voegt hij ook membranen toe, de andere keer niet. In beide gevallen wordt het stukje erfelijk materiaal in een eiwit vertaald. In de reageerbuis met membranen vindt Milstein echter een korter eiwit terug dan in de reageerbuis zonder membranen. Deze vondst is volkomen in overeenstemming met de signaalhypothese. Die veronderstelt immers dat de signaalsequentie van het eiwit wordt geknipt na binding aan de ER-membranen en opname in het ER. In de reageerbuis zonder (ER-)membranen is er geen binding en vinden we dus het ongeknipte – langere – eiwit.

Concurrenten

Günter Blobel zit ondertussen ook niet stil. Sinds de publicatie over de signaalhypothese werkt hij samen met collega’s aan de opheldering van het mechanisme waarmee een eiwit de ER-membraan van een cel kan doordringen. Sabatini en hij werken nog enkele jaren samen, maar worden daarna vooral elkaars concurrenten. Blobel probeert in een reageerbuis met celcomponenten de productie van verteringseiwitten in alvleeskliercellen na te bootsen. Zijn methode is nauwkeuriger dan die van Milstein en andere celbiologen. Waar zij lang niet alle celcomponenten apart opzuiverden en dus niet precies wisten wat ze aan hun reageerbuis toevoegden, doet Blobel dat wel. In 1975 publiceert hij samen met een andere celbioloog van de Rockefeller University twee artikelen waarin hij het bestaan van een signaalsequentie bij verteringseiwitten van alvleeskliercellen overtuigend bewijst. Ze tonen in één adem aan dat de signaalsequentie over de soortgrenzen heen reikt. Een verteringseiwit uit een muis hecht dankzij het adreslabel niet alleen aan het ER van een muis, maar ook aan dat van een hond.

In de daaropvolgende jaren ontrafelt de groep van Blobel het volledige mechanisme van het eiwittransport over de ER-membraan. Om te beginnen karakteriseren ze het enzym dat de signaalsequentie afknipt van de groeiende eiwitketen tijdens transport door de membraan. Ze dopen het signaalpeptidase. Vervolgens pluizen ze in nauwe samenwerking (of is het competitie?) met een onderzoeksteam uit het Duitse Heidelberg uit hoe ribosoom en groeiende eiwitketen aan de ER-membraan binden. Ze ontdekken dat een apart eiwit uit de celvloeistof hiervoor zorgt. Dit signaalherkenningseiwit hecht alleen aan ribosomen waarvan de groeiende eiwitketen het adreslabel ‘ER’ bevat. Eens gehecht aan ribosoom en eiwitketen, past dat signaalherkenningseiwit op de structuur ER-membraan. Het signaalherkenningseiwit is de sleutel, de ER-structuur het slot.

Verruimingen

Kort nadat hij zijn hypothese voor het eerst heeft bewezen, doet Blobel een andere belangrijke ontdekking. Ook het hormoon insuline, dat een ander type alvleeskliercellen afgeeft aan de bloedsomloop, blijkt een signaalsequentie te bevatten. Hetzelfde geldt voor andere secretie-eiwitten van nog andere cellen. De signaalhypothese blijft dus niet beperkt tot verteringseiwitten uit alvleeskliercellen, maar geldt voor alle secretie-eiwitten en heeft dus een veel ruimer belang. Er zijn nog talloze andere verruimingen van de signaalhypothese op til. Blobel richt zijn aandacht op eiwitten die niet worden uitgescheiden, maar verankerd blijven in de membraan van het ER. Hij bewijst dat dergelijke membraaneiwitten eveneens via de ER-signaalsequentie door de membraan geleid worden, maar onderweg blijven steken. Dat membraaneiwitten de membraan niet verlaten , ligt niet aan de signaalsequentie maar aan andere informatie in de groeiende eiwitketen.

Eind jaren zeventig blijkt dat er niet alleen adreslabels voor het ER bestaan, maar evengoed voor andere celorganellen zoals de lysosomen, de ‘maag’ van de cel. Er is bovendien een vermoeden dat adreslabels niet noodzakelijk uit aminozuren bestaan. Suikers zouden ook een mogelijkheid zijn. Dan doet de groep van Blobel een belangrijke vondst voor eiwitten die thuishoren in twee andere celorganellen, de chloroplasten, organellen die alleen voorkomen in plantencellen en waarin de fotosynthese plaatsvindt, en de mitochondriën, de energiecentrales van de cel. De eiwitten worden in een extra lange versie aangemaakt in de celvloeistof. Dit is essentieel voor transport van deze eiwitten naar beide organellen. Het eiwittransport naar chloroplasten en mitochondriën wijkt af van de oorspronkelijke signaalhypothese. Het transport gebeurt nadat het eiwit wordt gemaakt en niet tegelijkertijd. Toch is het concept vergelijkbaar met het eiwittransport over de ER-membraan.

Van één naar tien adreslabels

Blobel voegt de puzzel samen en breidt zijn oorspronkelijke model uit. Hij stelt nu dat er diverse signalen bestaan die elk hun eiwit naar een specifieke bestemming leiden. Ook gaat hij ervan uit dat er een hiërarchie van signalen bestaat: bepaalde informatie leidt een eiwit naar een eerste bestemming, waar in de tweede ronde van sortering een ander signaal het transport naar een volgende bestemming dicteert. Vandaag de dag weten we inderdaad dat lysosoomeiwitten en secretie-eiwitten dankzij een eerste adreslabel beide op de ribosomen van het ER worden gemaakt en het ER binnengaan. Wanneer het ER-label is afgeknipt, brengt een tweede label hen naar specifieke blaasjes die van het ER afknoppen en hen naar de zogenaamde vesiculo-tubulaire compartimenten voeren. Van daaruit gaan ze naar het zogenaamde Golgi-complex en het trans-Golgicomplex. Pas dan gaan lysosoomeiwitten naar de lysosomen en secretie-eiwitten naar de blaasjes die versmelten met de celmembraan en zo de eiwitten eindelijk aan de buitenwereld afgeven. De routes van lysosoomeiwitten en secretie-eiwitten worden in het trans-Golgicomplex gescheiden dankzij een bijzonder soort adreslabels van lysosoomeiwitten. Het zijn geen aminozuurlabels, maar suikerlabels.

Alleen eiwitten die bestemd zijn voor de kern, de mitochondriën of de celorganellen die peroxisomen heten, gaan rechtstreeks vanuit de celvloeistof naar de juiste plek. Blijkbaar is rechtstreeks transport naar lysosoom of secretieblaasjes niet mogelijk en zijn meerdere tussenstations vereist. De cel kent nog meer systemen die op het eerste zicht onlogisch zijn. Zo bestaan er signaalsequenties die eiwitten terugsturen naar een voorliggend station. Veel ER-eiwitten verlaten het ER, en keren daarna weer terug, bijvoorbeeld vanuit de vesiculo-tubulaire compartimenten of het Golgi-complex.

“Er zijn nog waanzinnig veel geheimen te ontrafelen”, zei Günter Blobel in oktober 1999 op een persconferentie ter gelegenheid van zijn Nobelprijs. Momenteel kennen wetenschappers een tiental signaalsequenties, maar er zijn er ongetwijfeld meer. Zelfs van de bekende signaalsequenties is lang niet altijd het precieze werkingsmechanisme duidelijk. Totale onwetendheid heerst er nog over eiwitten die niet worden uitgescheiden of in een celorganel nodig zijn, maar die hun functie in de celvloeistof uitoefenen. Dat zijn bijvoorbeeld de eiwitten die een soort skelet vormen dat de cel haar vorm laat behouden en waarlangs organellen bewegen. Ook deze eiwitten moeten op de juiste plaats terechtkomen, maar ze hebben geen signaalsequentie, zoveel is duidelijk. Omdat niets in de cel bij toeval gebeurt, zullen ook hierbij sturende mechanismen nodig zijn. We kennen ze alleen nog niet.

Pharmingkoeien en slimme medicijnen

Wellicht de grootste verdienste van Blobel is dat hij de celbiologie heeft voorzien van een koppeling naar de informatierijkdom van de moleculaire biologie. Dagelijks maakt ons lichaam immens veel nieuwe cellen aan en vormt het enorme hoeveelheden nieuwe organellen en eiwitten. Al die eiwitten moeten op hun functionele plaats van bestemming geraken, anders ontsporen fysiologisch belangrijke processen en ontstaan ziekten. Een voorbeeld is een zeldzame erfelijke aandoening waarbij patiënten al op jonge leeftijd nierstenen krijgen. Het probleem betreft een verkeerd geadresseerd enzym. Bij gezonde mensen gaat het enzym naar peroxisomen. In patiënten komt het terecht in het mitochondriën, waar het zijn normale functie niet kan vervullen.

De hoop is reëel dat we in de toekomst niet alleen het ontstaan van ziekten als vroegtijdige nierstenen begrijpen, maar dat we er daadwerkelijk iets aan kunnen verhelpen. De codes voor de signaalsequenties van eiwitten liggen in het genetisch materiaal. Als binnenkort het complete menselijke genoom bekend is, kunnen we uit de genetische code voor een eiwit afleiden welke adreslabels dat eiwit heeft. Zodra we het moleculaire mechanisme achter het eiwittransport beter kennen, openen zich diverse therapiemogelijkheden. Een eerste optie is om met gentherapie foutieve genetische codes voor signaalsequenties te verbeteren. Een tweede optie is medicijnen te ontwikkelen die ervoor zorgen dat eiwitten met een foutieve signaalsequentie toch op de juiste bestemming raken. Dat kan bijvoorbeeld door in te grijpen op de herkenningsstructuren voor die signaalsequentie. Een derde optie zijn ‘slimme’ geneesmiddelen die gericht hun weg vinden naar een bepaald celorganel om daar een specifiek defect te herstellen.

Een andere toepassing van Blobels signaalhypothese is van belang voor de hedendaagse biotechnologie. Die laat celkweken met genetisch gewijzigde bacteriecellen, gistcellen of zoogdiercellen medisch interessante eiwitten produceren. Daarvoor bouwt ze in de cellen een menselijk gen voor dat eiwit in. Dankzij een extra toegevoegde code voor een signaalsequentie zorgt ze ervoor dat het eiwit in de kweekoplossing terechtkomt en dus gemakkelijk te zuiveren valt. Bedrijven als Pharming gebruiken hetzelfde principe bij hun pogingen om zoogdieren zoals koeien en konijnen in te zetten voor de productie van medisch interessante eiwitten. Zij willen dat het eiwit in de melk terechtkomt, waar het ook weer eenvoudig te zuiveren valt.

Gelauwerde celbioloog

Günter Blobel (63) studeerde geneeskunde in Duitsland maar werkte zijn hele verdere leven als celbioloog in de VS. Hij is professor aan de Rockefeller University in New York. Hij kreeg talloze prijzen, met als bekroning de Nobelprijs voor geneeskunde of fysiologie in 1999. Hij koestert een grote liefde voor architectuur en schonk een deel van de Nobelprijs voor de restauratie van de Frauenkirche en de Synagoge in het Duitse Dresden. Blobel is tevens werkzaam bij het Howard Hughes Medical Institute.