Kleine veranderingen in de zuurgraad in onze cellen kunnen enorme gevolgen hebben voor hun gedrag. Deze invloed komt van iets dat protonconcentratie of pH wordt genoemd – een maatstaf voor hoe zuur of alkalisch een oplossing is. Eiwitten, de werkpaarden van onze cellen, zijn bijzonder gevoelig voor deze verschuivingen. Veranderingen in de pH-gevoeligheid kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van ziekten zoals kanker en neurodegeneratieve aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en Huntington.
Jarenlang hebben onderzoekers moeite gehad om precies vast te stellen hoe eiwitten reageren op veranderende pH-niveaus. Traditioneel was het identificeren van pH-gevoelige eiwitten een moeizaam proces: het minutieus testen van elk eiwit afzonderlijk binnen een signaalroute om te zien of het reageerde op pH-veranderingen. Deze nauwgezette aanpak heeft beperkte resultaten opgeleverd. Hoewel wetenschappers weten dat de pH een rol speelt bij cruciale cellulaire processen zoals celbeweging en celdeling, is van slechts ongeveer 70 cytoplasmatische eiwitten uit talloze mogelijkheden bevestigd dat ze pH-gevoelig zijn.
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Notre Dame een baanbrekend computerhulpmiddel ontwikkeld dat dit proces dramatisch versnelt. Deze pijplijn kan in slechts een paar dagen honderden eiwitten analyseren en efficiënt voorspellen welke eiwitten gevoelig zijn voor pH-veranderingen en mogelijk de ziekteprogressie aandrijven.
Het ontrafelen van de moleculaire code van pH-gevoeligheid
De nieuwe methode is gebaseerd op bestaande structurele gegevens van eiwitten die zijn ondergebracht in een mondiale opslagplaats genaamd de RCSB Protein Data Bank. Het programma integreert vervolgens experimentele gegevens die bekend staan als pKa-waarden, die de pH aangeven waarbij specifieke aminozuren (de bouwstenen van eiwitten) protonen winnen of verliezen. Met deze informatie kan het programma modelleren hoe elektrische ladingen in eiwitten verschuiven, afhankelijk van de pH-niveaus, en voorspelt het hoe deze ladingsveranderingen de eiwitstructuur kunnen veranderen.
De onderzoekers richtten hun aandacht op aminozuren die gemakkelijk hun lading omdraaien binnen het smalle pH-bereik dat typisch is voor gezonde cellen (rond 7,2 tot 7,6). Zelfs subtiele verschuivingen in deze cruciale aminozuurladingen kunnen een domino-effect veroorzaken, dat door de gehele eiwitstructuur loopt en de functie ervan beïnvloedt. Dit fenomeen staat bekend als allosterie – een indirect regulerend mechanisme dat de eiwitactiviteit beïnvloedt ver van de plaats waar pH-veranderingen optreden.
Kanker aanpakken via computationele ontdekking
De pijplijn voorspelde met succes de pH-gevoeligheid van een sleuteleiwit genaamd SHP2, dat betrokken is bij celsignalering, immuunrespons en ontwikkeling. Experimenten bevestigden dat het binden van protonen aan twee specifieke residuen in SHP2 ervoor zorgt dat de vorm dramatisch verandert, waardoor het van een inactieve “gesloten” toestand naar een actieve “open” toestand verandert. Deze ontdekking werpt licht op hoe de pH op subtiele wijze de SHP2-activiteit regelt.
Bovendien identificeerde de pijplijn een patroon van pH-gevoelige plaatsen in een breed scala aan SH2-domeinbevattende eiwitten, waaronder c-Src. C-Src is vaak overactief bij veel vormen van kanker, waardoor ongecontroleerde celgroei wordt veroorzaakt. Uit de analyse bleek dat normale c-Src zich anders gedraagt bij verschillende pH-niveaus: het is actief bij een lage pH en inactief bij een hoge pH. Kankergerelateerde mutaties op deze specifieke pH-gevoelige plaatsen verstoren echter deze delicate regulatie, waardoor c-Src ongevoelig wordt voor pH-veranderingen en bijdraagt aan de overactiviteit ervan in tumoren.
Deze ontdekking opent opwindende wegen voor gerichte kankertherapieën. Door precies te begrijpen hoe de pH de c-Src-activiteit reguleert, kunnen onderzoekers nu medicijnen ontwerpen die de natuurlijke regulerende mechanismen nabootsen, de normale pH-gevoeligheid herstellen en selectief de gemuteerde, ziekteverwekkende vorm van het eiwit remmen.
Dit baanbrekende computerhulpmiddel belooft een revolutie teweeg te brengen in ons begrip van de eiwitfunctie bij gezondheid en ziekte. Naast kanker biedt het richten op pH-gevoelige eiwitten een enorm potentieel voor de behandeling van een breed scala aan aandoeningen waarbij pH-onevenwichtigheden bijdragen aan disfunctie – van diabetes en auto-immuunziekten tot traumatisch hersenletsel. Terwijl onderzoekers deze nieuwe kracht benutten, ziet de toekomst er rooskleuriger uit voor het ontwikkelen van zeer gerichte en effectieve therapieën.
