Gist duizelig maken om meer te leren over onze eigen eigenschappen
Wat kan gist ons over onszelf leren? Heel veel, zegt Werner Daalman, een promovendus in de groep van Liedewij Laan die op woensdag 13 mei zijn proefschrift verdedigt. Daalman heeft bestudeerd hoe bakkersgist bepaalt in welke richting het groeit. Wat blijkt? Willekeurige verschillen in de kwantiteit van de eiwitten die betrokken zijn bij de celgroei spelen daarbij een belangrijke rol. Dergelijke willekeurige variaties in de eiwitkwantiteit zijn waarschijnlijk ook een belangrijke factor in andere cellulaire processen. Niet alleen in gist, maar ook in menselijke cellen.
Hoe eigenschappen van levende organismen hun oorsprong vinden in DNA is voor de samenleving een steeds relevantere vraag. Zo verhoogt de opwarming van de aarde de behoefte aan veerkrachtige gewassen, kunnen designer-micro-organismen de chemische industrie duurzamer maken en zullen medicijnen op maat steeds meer gemeengoed worden. Gezien de enorme complexiteit van levende wezens zou een logische weg naar het oplossen van de genenpuzzel zijn om eerst te proberen eenvoudigere systemen te begrijpen.
Polariteit
Een van die systemen is gist. Tijdens zijn promotieonderzoek bestudeerde Werner Daalman hoe een bakkersgistsoort bepaalt in welke richting hij groeit. Tijdens dit proces, dat 'polariteit' wordt genoemd, werken verschillende eiwitten die gecodeerd zijn in het DNA van de gist samen in de cel om de plaats te markeren waar een nieuwe cel zal verschijnen. Hoe snel cellen kunnen beslissen in welke richting ze groeien, heeft invloed op het welzijn van de hele populatie. De vraag is: hoe doen gistcellen dit precies?
Daalman beantwoordde deze vraag in samenwerking met de groep van prof. dr. Erwin Frey van de LMU München. Hij introduceerde subtiele genetische modificaties in de gistcellen die de keuze van de groeirichting bemoeilijkten, waardoor de gist in wezen 'duizelig' werd. "Door de groeiafwijkingen na deze modificaties te reverse-engineeren, waren we in staat om het ingewikkelde samenspel tussen de eiwitbouwstenen die tot polariteitssucces leiden, te reconstrueren", aldus Daalman.
Overvloed
Wat is het dan dat de gist in staat stelt om snel te beslissen in welke richting hij moet groeien? Daalman: "Er zijn meerdere factoren die een rol spelen, maar we ontdekten dat willekeurige verschillen in de hoeveelheid eiwitten tussen cellen en in de tijd een belangrijke rol spelen in dit proces. Het lot van individuele cellen kan heel divers zijn, ook al zijn ze genetisch identiek. Pas nadat ik in mijn computersimulaties rekening had gehouden met deze willekeurige verschillen in de kwantiteit van eiwitten, kon ik de groei-eigenschappen die we op de populatieschaal zien, nauwkeurig reconstrueren".
In de praktijk betekent dit dat gistcellen die toevallig op het juiste moment de juiste hoeveelheid 'celgroei-eiwitten' produceren, het meest efficiënt zullen groeien en delen, wat leidt tot een gezondere populatie. Dit is simpelweg 'survival of the fittest'. "Maar een belangrijk punt hierbij is dat het vermogen tot snelle aanpassingen die de gezondheid van de populatie ten goede komen niet gecodeerd is in de genen, omdat deze niet veranderen van cel tot cel", zegt Daalman. "De populatie maakt alleen gebruik van de willekeurige diversiteit aan eiwitten die bestaat, ondanks dat alle cellen identieke genen hebben." Deze vorm van epigenetische aanpassing is ongedocumenteerd en tamelijk opmerkelijk, omdat het niet afhankelijk is van iets dat specifiek is voor gist. Daalman: "Daarom geloof ik ook dat dezelfde willekeur in veel celtypes, van bacteriën tot mensen, voorkomt."