Onderzoekers van het Radboudumc brachten dat, samen met Amerikaanse collega’s, met een nieuwe techniek voor het eerst in beeld.

Een van de poorten in de niercel laat vrijwel uitsluitend calcium door. Maar hoe werkt dat calciumkanaal precies? Hoe zit de moleculaire machine in elkaar die ervoor zorgt dat het kanaal open- en dichtgaat? Onderzoekers van het Radboudumc brachten dat, samen met Amerikaanse collega’s, met een nieuwe techniek voor het eerst in beeld.

Een mens bestaat uit ongeveer 100.000 miljard cellen. Al die cellen zijn tamelijk zelfstandige eenheden, die binnen hun eigen grenzen (membranen) energie opwekken, eiwitten in elkaar zetten en talloze andere dingen doen. Daarvoor moeten stoffen de cel in en uit kunnen. Tegelijkertijd houden ze contact met hun buren en de buitenwereld. Om dat allemaal te kunnen, hebben cellen ‘poorten’ in hun membraan. “Dergelijke poorten zijn onmisbaar”, zegt Mark van Goor. “Sterker nog, zonder die celpoorten zou het leven zoals wij dat kennen onmogelijk zijn.”
 
Hete pepers
Een mooi voorbeeld van dergelijke poorten zijn de ionkanalen. Deze poorten laten ionen - elektrisch geladen stoffen – naar binnen of naar buiten. Van Goor: “Ze komen voor in de meest uiteenlopende vormen. Zo kennen we ionkanalen die de branderigheid van hete pepers in het eten oppikken of het vleugje kou van de menthol in je kauwgum signaleren. Er zijn ionkanalen die warmte registreren, of licht, of ontstekingsprocessen, enzovoort. We hebben nog altijd niet het volledige spectrum van de activiteiten van alle ionkanalen in beeld.”
 
Calciumkanaal
Van Goor en Jenny van der Wijst, beide verbonden aan de afdeling Fysiologie, hebben zich de afgelopen jaren intensief beziggehouden met één specifiek ionkanaal, namelijk het TRPV5 calcium kanaal. Calcium is een mineraal dat nodig is voor de opbouw en het onderhoud van de botten en het gebit. Het helpt tegen botontkalking op latere leeftijd en is nodig voor een goede werking van de zenuwen en spieren, de bloedstolling en het transport van andere mineralen in het lichaam. Van der Wijst: “De meeste ionkanalen laten meerdere ionen door, maar dit TRPV5 kanaal transporteert eigenlijk alleen maar calcium. Het speelt een poortwachtersrol bij het terughalen van calcium uit de urine. Op die manier voorkomen de nieren dat er teveel calcium weglekt bij het zuiveren van het bloed en wordt de calciumbalans in ons lichaam netjes gehandhaafd.”
 
Nijmeegse poortwachter
De afdeling Fysiologie heeft een speciale band met TRPV5, want het werd in 1999 ontdekt in het Radboudumc door Joost Hoenderop. Sindsdien is er veel meer bekend geworden over het functioneren van dit ‘Nijmeegse poortwachter’. Van Goor: “Zo weten we dat het hormoon vitamine D een belangrijke rol speelt in de regulering van het calcium. Dat het TRPV5 eigenlijk altijd open staat, totdat het door het eiwit calmoduline wordt afgesloten. En dat eigenlijk alle andere familieleden van het ionkanaal, zoals bijvoorbeeld TRPV1, TRPV2, TRPV3 en TRPV4, precies andersom functioneren: die zijn altijd gesloten totdat ze door een speciaal signaal worden geopend.
 
Samenwerking met VS
“Met ons onderzoek van de afgelopen jaren wilden we ook de structuur van de poort, de moleculaire machinerie achter het open en dicht gaan, in beeld krijgen”, zegt Van der Wijst. “Dat werd pas mogelijk door revolutionaire ontwikkelingen van een techniek waarvoor in 2017 de Nobelprijs werd toegekend: de cryogene elektronenmicroscopie, kortweg cryo-EM. Daarvoor zijn we gaan samenwerken met fysicus Yifan Cheng van de Universiteit van Californië, die het apparaat - dat al gauw zo’n 5 miljoen kost - in zijn lab had staan.”
 
Beeld in drie dimensies
Van Goor en Van der Wijst, die beide geruime tijd naar de VS gingen om het werk ter plekke uit te voeren, leggen uit hoe het apparaat werkt. “TRPV5 is een ionkanaal, een transmembraaneiwit dat als poort in de celmembraan fungeert. Deze eiwitten voeg je in grote hoeveelheden toe aan water, waar ze dan vrijelijk kunnen bewegen. Daarna bevriezen we het geheel ineens en maken dan vanuit allerlei verschillende hoeken 2D foto’s van de eiwitten. Uit de duizenden 2D plaatjes kunnen we dan een driedimensionaal beeld maken. Dat is een bijna filmachtige ervaring, geweldig om na bijna een jaar voorbereiding dit ionkanaal voor het eerst als moleculaire machinerie in beeld te krijgen!”
 
Op slot gooien
Niet alleen de structuur van het ionkanaal werd in beeld gebracht, maar ook de manier waarop het calmoduline eiwit het kanaal ‘op slot gooit’. Van der Wijst: “Dreigt de concentratie calcium te hoog te worden, dan bindt calmoduline aan het ionkanaal en sluit als een kurk in de wijnfles de doorgang af. Daalt daarna de calciumconcentratie in de cel, dan wordt het calmoduline weer losgekoppeld en kan het calcium weer vrijelijk naar binnen toe.”
 
Structuur en functie
Van Goor: “Uiteindelijk wil je het kanaal en de interactie met andere moleculen en eiwitten zó nauwkeurig in kaart brengen, dat je met de computer al stoffen kunt gaan identificeren die misschien als medicijn kunnen fungeren. Dat je op basis van de structuur de functie kunt berekenen. Intelligent drug design, zoals dat zo mooi heet. Dat zou een mooie volgende stap zijn.”