Samenvatting HCO5, gastcollege eiwitniveaus

HCO5, zichtbaar maken van eiwit synthese
Eiwitexpressie, de functie, identiteit en het gedrag van al onze cellen wordt
bepaald door eiwitexpressie. Dit is afhankelijk van verschillende processen,
waaronder transcriptie en translatie. Kleine veranderingen in eiwitniveaus
kunnen grote gevolgen hebben dus zowel transcriptie als translatie moet goed
gereguleerd worden. Wanneer het fout gaat kunnen tumoren ontstaan.
Eiwitexpressie meten, we zijn niet in staat om alle eiwitten in een cel te meten.
Vandaar dat nu vaak de genexpressie gemeten wordt aan de hand van RNA-
niveaus (RNA seq) om een voorspelling te maken over welke eiwitten tot
expressie komen en wat hun expressieniveaus zijn. Als transcriptie veel mRNA
oplevert, gaan we ervanuit dat er ook veel eiwit gevormd wordt en dat er dus
een 1:1 correlatie is. We weten echter uit recent onderzoek dat dit niet altijd
het geval is.
mRNA & eiwit niveau, rechts zie je het mRNA niveau van eiwitten uitgezet
tegen de hoeveelheid eiwitten die er gevormd wordt. Zo kunnen bij 100 mRNA
moleculen 100 eiwitten geproduceerd worden, maar zijn er ook mRNA
moleculen die 107 eiwitten opleveren als er 100 mRNA moleculen aanwezig
zijn. Je ziet dus duidelijk een RNA- en eiwit-niveau correlatie, maar deze is niet
heel sterk. Als gevolg kan je dus niet goed schatten hoeveel eiwitten er
geproduceerd zullen worden aan de hand van mRNA niveaus. Zo zie je met de
rode cirkels bv aangegeven dat je een mRNA kan hebben dat 100 eiwitten
oplevert als er 100 mRNA moleculen zijn, maar is het ook mogelijk dat 10
mRNA moleculen 1.000.000 eiwitten opleveren.
mRNA niveau & translatie efficiëntie, rechts zie je resultaten uit een
ander onderzoek waarin gekeken is naar de translatie efficiëntie en het
mRNA niveau. Hiervoor hebben ze stress geïnduceerd bij C. elegans
wormpjes en gekeken wat voor effect dat had op mRNA niveau en
translatie efficiëntie. Je ziet dat een toename in mRNA niveau vaak
gepaard gaat met een toename in translatie efficiëntie, maar dat een
toename in mRNA niveau soms ook gepaard kan gaan met een afname
in translatie efficiëntie.
Voorspeller eiwit niveaus, zaken die van
invloed zijn op de hoeveelheid eiwit zijn:
transcriptie (hoeveelheid mRNA), mRNA
afbraak, translatie (efficiëntie) en eiwit
afbraak. Links is te zien dat translatie
efficiëntie de beste schatter is voor
eiwitniveaus. Dit is dan waarschijnlijk ook het meest gereguleerde
onderdeel van de keten. Het is dus niet de hoeveelheid mRNA die je
maakt, maar hoe efficiënt je daarmee omgaat wat bepalend is voor de
eiwit hoeveelheid.
Ribosomen, gebeurt door ribosomen. mRNA wordt middels kernporiën naar het cytoplasma
getransporteerd waar heel veel ribosomen aanwezig zijn om translatie uit te kunnen voeren.
Ribosomen bestaan uit een kleine en grote subunit die opgebouwd zijn uit zowel eiwitten als RNA.
Translatie, ribosomen scannen een mRNA transcript
vanaf het 5’ einde totdat ze een startcodon
tegenkomen. Zodra dat gebeurt wordt een
functioneel ribosoom gevormd doordat de grote
subunit nu aan de klein koppelt. Vervolgens zal het
ribosoom over het transcript verplaatsen en een eiwit vormen totdat die een stopcodon tegenkomt.

, Hoe efficiënt de translatie verloopt is afhankelijk van het aantal ribosomen op een transcript en hoe
snel zij zich verplaatsen.
Translatie regulatie, het aantal ribosomen dat start
met transleren en de snelheid waarmee ze
transleren (translatie efficiëntie) is afhankelijk van
vele facotren:
- Structuur van het mRNA, mRNA is geen nette rechte lijn zoals het vaak gepresenteerd
wordt, maar is als het ware een bol opgehoopt wol. Hoe dichter alles op elkaar zit, hoe
moeilijker het is om af te lezen.
- Aanwezigheid van uORF, uORF staat voor upstream open reading frame. Dat is een open
frame binnen de 5’ UTR waar ribosomen al aan kunnen binden. Vaak zit er een obstakel in
het uORF waardoor ribosomen van het transcript afvallen en niet verder kunnen met de
translatie. Translatie van een uORF remt dus de expressie van het primaire ORF.
- microRNAs, kunnen aan het mRNA binden als het complementair is translatie beïnvloeden
door het transcript bijvoorbeeld te knippen.
- Aanwezigheid van RNA-bindende eiwitten
- Compositie van het ribosoom, niet alle ribosomen zijn hetzelfde. We zien steeds vaker dat er
ribosomen zijn die niet alle 80 eiwitten hebben en dat deze eiwitten ook nog eens
modificaties kunnen hebben. Sommige ribosomen zullen daardoor bijvoorbeeld beter in
staat zijn met een uORF te dealen dan anderen.
Polysome profiling, is een methode om translatie efficiëntie te kunnen meten. Hiermee kijk je welk
mRNA door veel ribosomen gemeten wordt en welk door weinig. Je breekt je cel open en dan heb je
mRNA met of zonder ribosomen en ook losse ribosomen. Deze run je op een sucrose gradiënt met
onderin een steeds dikkere massa, waardoor zware structuren onderin zullen eindigen. Hoe meer
ribosomen op mRNA zitten hoe lager die eindigt na lange tijd in de centrifuge. Vervolgens verzamel je
je verschillende fracties. In de 1e fractie vind je enkel mRNA, daarna de kleine subunit, vervolgens de
grote subunit, daarna monosomes (mRNA met 1 ribosoom) en tot slot polysomes (mRNA met
meerdere ribosomen). Als je nu geïnteresseerd bent in een bepaald eiwit kan je naar dit mRNA kijken
en in welke fractie het vooral voorkomt. Zo zie je in onderstaande afbeelding van 2 mRNAs
aangegeven in welke fractie ze met name voorkomen. De blauwe streng komt met name in de
zwaardere fractie voor en bevat dus meerdere ribosomen, waardoor je kan stellen dat dit transcript
erg efficiënt afgeschreven wordt. Het rode mRNA wordt daarentegen minder efficiënt getransleerd.
Meestal wordt bij polysoom profiling maar naar 1 mRNA tegelijkertijd gekeken.




Ribosome profiling, is een andere manier om translatie efficiëntie te meten. Opnieuw begin je met
het lyseren van cellen. Vervolgens voeg je RNAase toe zodat al het mRNA, dat niet aan ribosomen
gebonden is, uit elkaar gehaald zal worden. Je eindigt dan met kleine RNA fragmentjes die door