Bliksemsnel risicobeheer in celpopulaties

Net zoals investeerders op de beurs, bereiden celpopulaties zich voor op veranderingen in hun omgeving door risico’s te spreiden. Hiervoor hebben ze de beschikking over een reeks receptoren op het celoppervlak. Door deze receptoren in individuele cellen aan te passen kan de populatie diversiteit creëren in de gevoeligheid voor signalen uit de omgeving. Tot nu toe werd verondersteld dat cellen deze aanpassing alleen relatief langzaam uitvoeren, door het produceren of afbouwen van nieuwe receptoreiwitten. Maar dit blijkt niet juist. Onderzoekers van instituut AMOLF en de universiteit Yale in de Verenigde Staten ontdekten een mechanisme dat celpopulaties in staat stelt om de diversiteit in de populatie heel snel te controleren, door middel van fysische en chemische aanpassingen van bestaande eiwitten. De resultaten werden op 13 november gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Diversiteit
Met behulp van nauwkeurige microscopie-experimenten laten de onderzoekers zien dat populaties van de E. coli bacterie zorgen voor een hoge mate van diversiteit in de celreceptoren als er geen prikkels in de omgeving zijn. Maar, de diversiteit neemt drastisch af (met een factor 10) als er zich nieuwe omgevingsprikkels voordoen. “Dat is eigenlijk heel logisch”, zegt Tom Shimizu, groepsleider bij AMOLF en laatste auteur van de publicatie. “Als er weinig prikkels zijn, dan is de onzekerheid over de toekomst maximaal, dus dan is het verstandig om de kansen maximaal te spreiden over de grootte van toekomstige signalen. Maar dat verandert zodra er zich prikkels aandienen. Het blijkt dat celpopulaties deze nieuwe informatie gebruiken om hun aandacht te richten op een bepaalde prikkel, zodat de hele populatie gezamenlijk kan reageren.”

Tot hun verbazing zagen de onderzoekers tijdens de experimenten dat de cellen uitzonderlijk snel omschakelen naar een nieuwe strategie. Ze dachten altijd dat biologische cellen de prestaties van hun receptoren aanpassen door middel van genexpressie: het tijdrovende proces van productie en afbouw van eiwitmoleculen. “Maar deze populaties konden de spreiding van de risico’s tussen prikkelarme en prikkelrijke omgevingen binnen enkele seconden wijzigen”, zegt Keita Kamino die het onderzoek initieerde bij AMOLF en afrondde bij Yale. “Het was direct duidelijk dat cellen deze aanpassingen niet uitvoerden door genexpressie, wat minuten of zelfs uren kan duren.”

Bliksemsnelle omschakeling
Om het mechanisme te onderzoeken maakte het team een wiskundig model van het waargenomen risicobeheer. Ze baseerden zich hierbij op wat er reeds bekend is over de interactie tussen receptoren en andere moleculen die signalen in de cel verwerken. Hoewel het model voor cellen geen genexpressiemogelijkheid bevat, bleek het zeer accuraat de bij de experimenten waargenomen wijzigingen in de mate van diversiteit van de cellen weer te geven.

Met behulp van het model kwamen de onderzoekers uit bij een relatief eenvoudige verklaring voor de snelle veranderingen in het risicobeheer. In plaats van het op- en afbouwen van eiwitmoleculen, gaat de populatie aan de slag met chemische aanpassingen van eiwitten en het fysische effect van de connecties tussen die eiwitten. Het gevolg is een bliksemsnelle omschakeling. Zulke eiwitaanpassingen worden veel gebruikt om signalen in afzonderlijke cellen te verwerken, maar het was niet bekend dat ze ook een rol spelen in de diversificatie van een hele celpopulatie. Juist omdat zulke aanpassingen zo veel voorkomen, denken de onderzoekers dat het mechanisme haar werk doet in een breed scala van celtypes in organismen.

Bijschrift
Illustratie van risicobeheer door een celpopulatie. Zodra de hoeveelheid prikkels (groene curve) boven een bepaalde grenswaarde komt dan neemt de onzekerheid over toekomstige signalen af (blauwe curve in het midden). Tijdens deze overgang verandert de populatie het gedrag van kansenspreiding in prikkelarme omgeving naar het volgen van het signaal in prikkelrijke omgeving. De cellen volgen het signaal door de gemiddelde gevoeligheid aan de signaalsterkte aan te passen (de piek van de rode curve) en verkleinen tegelijk de diversiteit van de gevoeligheid (de breedte van de rode curve).

Referentie
K. Kamino, J.M. Keegstra, J. Long, T. Emonet, T.S. Shimizu, Adaptive tuning of cell sensory diversity without changes in gene expression, Science Advances, 13 November (2020).