In 1982 lanceerde de biochemicus Stanley Prusiner de term ‘prion’, een samentrekking voor proteinaceous infectious particle, voor eiwitdeeltjes die zonder DNA of RNA besmettelijk kunnen zijn. De meeste bekende ziekteverwekkers zoals virussen en bacteriën bevatten immers wél DNA en RNA. In 1997 kreeg Prusiner de Nobelprijs voor de geneeskunde voor al zijn werk aan de prion-eiwitten die ziektes als gekkekoeienziekte bij runderen of Creutzfeld-Jakob Disease bij mensen kunnen veroorzaken.

Over de precieze werking van de prionen is nogal wat onduidelijk: bekend is dat het gaat om een eiwit wat zowel een normale, gezonde, vorm heeft als een ziekmakende, besmettelijke vorm. Die ziekmakende vorm is in staat de normale eiwitten om te vormen tot besmettelijke. Het spontaan ontstaan van de besmettelijke vorm komt echter ook voor, zo ontwikkelt ongeveer één op de miljoen mensen spontaan Creutzfeld-Jakob. Allerlei omgevingsfactoren, waaronder bijvoorbeeld ook RNA-moleculen zouden die omzetting kunnen beïnvloeden, maar in principe is de omzetting daar niet van afhankelijk. De ophoping van de besmettelijke prion-vorm leidt uiteindelijk tot het sterven van de cel. Een reden van de ontsporing van de prion-eiwitten bij zoogdieren is er zover we weten niet. Allerlei onderzoek aan prionziektes levert mogelijk op den duur wel medicijnen op. Recent onderzoek aan de schimmel Podospora anserina heeft aangetoond dat een prion-eiwit daar wél – zelfs een dubbele functie heeft!

Podospora anserina

Podospora anserina is een mestminnende of coprofiele schimmel, die voorkomt op de mest van herbivoren (zie voor de levenscyclus Afbeelding 1). Sporen van de schimmel worden door de graseter met het gras mee naar binnen gewerkt. Na de passage door het maag-darmstelsel worden de sporen met de poep mee naar buiten gewerkt en als deze mest niet té snel uitdroogt, kunnen de sporen uitgroeien tot een netwerk van schimmeldraden, het mycelium. Op dit mycelium kunnen na bevruchting met de zogenaamde microconidiën, de zaadcellen van de schimmel, door het ‘vrouwelijke’ mycelium minuscule flesvormige vruchtlichaampjes gevormd worden. In dit één tot twee millimeter grote vruchtlichaampje liggen kleine zakjes met sporen, die als het vruchtlichaampje rijp is worden afgeschoten om op de omliggende vegetatie te belanden, wachtend op de volgende langskomende herbivoor.

Nu is P. anserina in de natuur dus een weinig opvallende schimmel, maar in sommige laboratoria in Europa wordt zij met enthousiasme onderzocht omdat ze een aantal zeer interessante eigenschappen blijkt te vertonen. Ik zal het in dit stuk niet hebben over de verouderings- en verjongingsverschijnselen die de schimmel vertoont en waarnaar in het kader van het kankeronderzoek in Duitsland onderzoek wordt verricht. Maar wel over het verschijnsel van heterokaryon incompatibiliteit: een afstervingsreactie die op kan treden als twee verschillende schimmelnetwerken fuseren en het verschijnsel van spore-killing, waarbij een deel van de nakomelingen voordat zij tot sporen kunnen uitgroeien om zeep gebracht wordt. Deze twee verschijnselen blijken namelijk alles van doen te hebben met prionen.

Heterokaryon incompatibiliteit

De zogenaamde filamenteuze schimmels, waartoe P. anserina behoort zijn schimmels die een netwerk van schimmeldraden produceren. Deze netwerkvormende schimmels blijken meestal in staat te zijn binnen één netwerk verbindingen te maken tussen cellen in afzonderlijke draden of hyfen. Via zulke draden kunnen allerlei bouwstoffen worden uitgewisseld en door het hele netwerk van schimmeldraden of mycelium worden getransporteerd. Als twee genetisch verschillende individuen in staat zijn om hun hyfen te laten versmelten kunnen zij ook bouwstoffen uitwisselen. Dit wordt dan vegetatieve compatibiliteit genoemd omdat de twee schimmel’lichamen’ in staat zijn te versmelten. Als hierbij celkernen van de ene schimmel in het weefsel van de andere schimmel binnendringen kan er een weefsel gevormd worden met twee verschillende kernen, één kern of karyon met het erfelijke materiaal van het ene individu, de andere kern met het genetisch materiaal van het andere individu. Daarom wordt het verschijnsel ook wel heterokaryon (met verschillende kernen) compatibiliteit genoemd. Het gevaar aan het samen kunnen versmelten tot één mycelium, heterokaryon compatibiliteit, is dat er geen barrière is tegen infecties met bijvoorbeeld schimmelvirussen. Of dat een genetisch andere celkern de voedingsstoffen van een ander individu gaat gebruiken voor zijn eigen voortplanting. Om de eigen identiteit en gezondheid te beschermen lijkt de heterokaryon incompatibiliteit te zijn uitgevonden, het onvermogen om met een vreemd mycelium te versmelten.

Hoe heterokaryon incompatibiliteitsreacties precies in zijn werk gaan was tot voor kort totaal onduidelijk. Heterokaryon (in)compatibiliteit is in de natuur eigenlijk niet met het blote oog waar te nemen. In het laboratorium kunnen verschillende individuen bijvoorbeeld naast elkaar geënt worden op hetzelfde medium. Bij sommige schimmelsoorten lijkt het dan alsof hyfen elkaar negeren en gewoon langs elkaar heen groeien. Bij anderen lijken ze elkaar juist te ontwijken. In een enkel geval is er waar te nemen dat elkaar ontmoetende schimmeldraden wél versmelten en daarna razendsnel afsterven. Er kan dan tussen twee schimmels soms met het blote oog een echte afstervingszone worden waargenomen. Bij P. anserina kan de heterokaryon incompatibiliteitsreactie goed worden waargenomen zoals afbeelding 2 laat zien. Compatibele P. anserina stammen vormen kolonies die als ze naast elkaar groeien als het ware naadloos in elkaar overgaan. Bij incompatibele stammen worden de kolonies gescheiden door een zichtbare rand van afstervend mycelium. Op deze plaatsen wordt ook vaak een dun en luchtig mycelium gevormd wat daarom ook wel luchtmycelium wordt genoemd. Bij P. anserina zijn verschillende genen geïdentificeerd die verantwoordelijk zijn voor dergelijke incompatibiliteitsreacties. Het het-S gen –heterokaryon incompatibiliteitsgen S – blijkt te werken op basis van gevormde prioncomplexen: als de ene vorm van het gen, het andere ontmoet volgt er een prion-kettingreactie die het gefuseerde mycelium om zeep helpt. Over het precieze mechanisme verderop meer.

Spore-killing

Een ander fenomeen dat optreedt bij P. anserina is dat van spore-killing. Normaal vormt P. anserina bij een kruising in de vruchtlichaampjes zakjes met steeds vier sporen erin. Waarvan er simpel gezegd twee sporen genetisch meer op de moeder lijken en twee meer op de vader. Als de vruchtlichaampjes onder de binoculair worden opengedrukt en vergroot bekeken worden dan kunnen deze zakjes met sporen in een roset worden waargenomen zoals in afbeelding 3A. Sommige kruisingen, zoals kruisingen tussen twee stammen die verschillen in hun het-S allel, leiden echter niet tot vier levensvatbare sporen, maar twee sporen worden vroegtijdig geaborteerd en slechts twee levensvatbare sporen worden gevormd. Een voorbeeld van deze spore-killing is te zien in afbeelding 3B en 3C in close-up. Evolutionair gezien is het “spore-killen” een interessant fenomeen. Volgens Mendel’s wetten worden er namelijk evenveel nakomelingen met de eigenschappen van de ene ouder als met eigenschappen van de andere ouder geproduceerd. Een nakomeling bijvoorbeeld bij de mens heeft zo de helft van de eigenschappen van de moeder en de andere helft van de vader en dat is bij een ‘gewone’ kruising bij P. anserina ook het geval. In het geval van spore-killing worden er echter alleen nakomelingen geproduceerd van het ene oudertype en niet van het andere oudertype. Een erg scheve verdeling en wel erg nadelig voor de ene ouder die zo geen nakomelingen produceert.

Het-S

Het het-S gen is dus een gen dat voor zowel het fenomeen van de heterokaryon incompatibiliteit als van spore-killing verantwoordelijk kan zijn. Maar ook andere genen waarvan de werking nog niet is opgehelderd kunnen binnen P. anserina deze verschijnselen geven. Mogelijk werken deze andere genen op een soortgelijke wijze. Van het het-S gen komen binnen de soort P. anserina twee verschillende allelen voor: het-s, met de kleine letter s, is de naam voor het allel dat codeert voor het prion-eiwit. Het het-S allel codeert voor de normale eiwitvorm. Het prion kan een kettingreactie veroorzaken waarbij de betrokken eiwitmoleculen samenklonteren en neerslaan in de cel. Komen de twee vormen met elkaar in aanraking zoals bij het versmelten van twee myceliumdraden met elk een ander allel, dan zorgt het gevormde complex ervoor dat het gemengde mycelium afsterft en dit is dan duidelijk waarneembaar te zien (zie afbeelding 2). Dezelfde prionreactie zorgt ervoor dat het-S-sporen die in een vruchtlichaam van een het-s mycelium gevormd wordt afsterven. De vorming van een dergelijke dodelijke samenklontering van prion-eiwitten in jonge nog niet rijpe sporen is te zien in afbeelding 4. Hier zijn de prion-eiwitten zichtbaar door een eraan vastgekoppelde groene fluorescentie. De twee het-s sporen die geaborteerd worden lichten fel op. De twee het-S sporen zijn te zien als donkere en grotere bollen.

Ter afsluiting

Het het-S gen is het eerste prion-gen waarbij een duidelijke en zelfs dubbele functie is waargenomen. De al langer bekende fenomenen van heterokaryon inompatibiliteit en spore-killing tussen verschillende stammen van de schimmel P. anserina kunnen door het ophelderen van het prion-mechanisme van het het-S gen duidelijk worden verklaard. De reacties veroorzaakt door de het-S genen beschermen het mycelium positief tegen infecties vanuit een mycelium met een ander allel van het gen. In het geval van kruisingen wordt de ene ouder sterk benadeeld en ziet de andere ouder juist een nakomelingenschap gevormd worden die in ieder geval wat het het-s allel betreft sprekend op hem lijkt. In zoogdieren hebben de bekende prionen niet zulke effecten. De door prionen veroorzaakte sterfte in hersencellen is verre van positief en helaas vooralsnog ook nog niet behandelbaar.

Bronnen:

- Dalstra, H.J.P., K. Swart, A.J.M. Debets, S.J. Saupe en R.F. Hoekstra (2003) Sexual transmission of the [Het-s] prion leads to meiotic drive in Podospora anserina. PNAS 100:6616-6621. - Van der Gaag, M., A.J.M. Debets, J. Oosterhof, M.Slakhorst, J.A.G.M. Thijssen en R.F. Hoekstra (2000) Spore-Killing Meiotic Drive Factors in a Natural Population of the Fungus Podospora anserina. Genetics156: 593-605. - Van der Gaag, M., A.J.M. Debets en R.F. Hoekstra (2003) Spore killing in the fungus Podospora anserina: a connection between meiotic drive and vegetative incompatibility? Genetica 117:59-65.