Onderzoekers uit Kaiserslautern en Saarbrücken vinden verband tussen celmetabolisme en celdeling

Peroxiredoxine-waterstofperoxide (H2O2)-afhankelijk Thiol-Redox-Relay (Prx-Redox-cyclus) dockt aan de gist-stofwisselingscyclus (YMC) om de in-/uitgang in/uit de celdelingscyclus (CDC) te controleren. HOC = hoog, LOC = laag zuurstofverbruik. (Dr. Prince Saforo Amponsah)

Veel biologische processen ondergaan ritmische veranderingen. Bekende voorbeelden hiervan zijn onder andere de zogenaamde circadiale ritme, een 'innerlijke klok' met een periode van ongeveer 24 uur, of de iets kortere ultradiane ritme. Vaak is de celdeling gekoppeld aan dit ritme. Biologen uit Saarbrücken en Kaiserslautern hebben nu ontdekt dat dit ritme en de koppeling ervan aan de celdeling nauw verband houden met waterstofperoxide. De studie is gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Nature Chemical Biology.

De processen in levende wezens volgen, tot op moleculair niveau, een fijn afgestemde choreografie. Van groot belang voor deze processen in het lichaam zijn ook streng vastgestelde ritmes, die bepaalde cycli volgen. Zo speelt bijvoorbeeld de ongeveer 24 uur durende circadiale cyclus, een soort 'innerlijke klok', een belangrijke rol bij stofwisselings- en celdelingsmechanismen in de cellen.

Wetenschappers uit Saarbrücken en Kaiserslautern hebben nu een vergelijkbare cyclus, de iets kortere ultradiane cyclus van gist, nader onderzocht. "Nog lang niet alle details over de moleculaire mechanismen die de circadiale ritmes sturen, zijn onderzocht en opgehelderd," zegt Dr. Prince Saforo Amponsah, biochemicus in het moleculair genetisch laboratorium van de TUK en eerste auteur van het werk. "Ons onderzoek is echter een belangrijk onderdeel van het oplossen van deze puzzel."

Onder leiding van Bruce Morgan, hoogleraar biochemie aan de Universiteit van Saarland, hebben de experts onderzocht wat er gebeurt in het modelorganisme gist wanneer het metabolisme van de cellen doelgericht wordt veranderd. Tot nu toe was bekend dat de stofwisselingsprocessen en de celdelingscycli in gezonde cellen vaak synchroon verlopen volgens dergelijke ritmes. Nog onbeantwoord was de vraag of ritmische veranderingen in het metabolisme oorzaak of gevolg zijn van celdeling.

Met behulp van nieuwe fluorescerende sensoren konden de wetenschappers ritmische veranderingen in het waterstofperoxidespiegels waarnemen. Waterstofperoxide was lange tijd vooral bekend omdat het cellen stress en schade toebracht. "We hebben het eiwit Peroxiredoxine en zijn reactie daarop onderzocht, evenals de gevolgen voor de celdelingscyclus," legt Morgan uit. Want het eiwit Peroxiredoxine reageert zeer gevoelig op waterstofperoxide en is daarom bijzonder geschikt om het complexe mechanisme van de 'innerlijke klok' van de cellen verder te begrijpen.

De vraag of een verandering in dit ritme oorzaak of gevolg is van een verandering in het metabolisme, konden de wetenschappers nu blijkbaar beantwoorden: "We konden vaststellen dat de koppeling tussen stofwisseling en celdeling wordt verbroken wanneer we Peroxiredoxine in gist inactiveren," legt biochemicus Morgan uit, die als juniorprofessor aan de TUK werkte voordat hij recentelijk naar Saarland verhuisde. De celdeling verloopt dan losgekoppeld van het metabolisme van de cellen. Bovendien konden de onderzoekers precies regelen wanneer de cellen in- en uit het celdelingsproces treden door de stofwisselingscycli nauwkeurig te sturen.

"We kunnen nu voor het eerst aantonen dat Peroxiredoxines een cruciale rol spelen in de cellulaire tijdmeting door waterstofperoxide te gebruiken als brandstof om hun functie als tijdgevers te vervullen," zegt Amponsah, die het onderzoek voor zijn promotie aan de TUK heeft uitgevoerd. "Dit is de bekroning van ongeveer vier jaar hard werken en een jaar peer-review. Het heeft me echt plezier gedaan om aan dit project te werken, omdat het veel innovaties en nieuwe inzichten heeft opgeleverd."

Deze fundamentele bevindingen van de onderzoekers zouden belangrijk kunnen zijn om de oncontroleerbare celdeling in tumorcellen beter te begrijpen. Het is bekend dat de celdeling in kankercellen vaak losgekoppeld is van de circadiale klok. Het zal in de toekomst zeer interessant zijn om te onderzoeken of een verstoorde regulatie van waterstofperoxide daarbij betrokken is.

Ook betrokken bij het onderzoek waren Prof. Zuzana Storchová, die het moleculair genetisch laboratorium van de TUK leidt, en Dr. Galal Yahya Metwally, Humboldt-beursontvanger en gastwetenschapper in haar werkgroep. "Deze samenwerking toont aan hoe de combinatie van verschillende benaderingen nieuwe inzichten kan brengen in oude vragen," zegt Storchová. "We hopen dat ons modelssysteem in de toekomst verdere inzichten zal bieden over hoe de celcyclus gesynchroniseerd is met de ritme van de stofwisseling."