PROLOOG
Mijnheer de Rector Magnificus, dames en heren Mijn leeropdracht luidt “erfelijke variëteit van het metabolisme”, waarom dan mijn oratie de titel “metabolisme: de kern” meegeven? De leeropdracht lijkt de celkern met daarin het erfelijke materiaal, DNA, de genetische code, centraal te stellen, alsof de genetische code het metabolisme stuurt en controleert. Ik wil u in mijn oratie overtuigen dat het metabolisme de kern is, waar alles om draait en waar alles begint en waar alles eindigt.
1
INLEIDING
is er nog hoop voor het hoorcollege?
Een oratie is een openbaar hoorcollege. Is dit nog wel een geschikte vorm om kennis te overdragen? Is er nog hoop voor het hoorcollege? Velen van mijn collega’s beschouwen het als achterhaald. De Nijmeegse hoogleraar Derksen is er zelfs een landelijke campagne tegen begonnen. Maar de vraag rijst; is een hoorcollege wel bedoeld om alleen maar kennis over te dragen? Ik denk van niet. Ik denk dat het theater is! Tijdens mijn colleges over het energie metabolisme bij de mens, hoe vaag kun je het hebben, voor eerstejaars geneeskunde studenten heb ik gemerkt dat er veel meer speelt. Je probeert ook het plezier over te brengen; je probeert ook een gids te zijn voor studenten om te laten zien hoe gortdroge boekenkennis tot leven kan worden gebracht. Je hoopt dat op een moment het luikje open gaat en de student het gevoel krijgt: ik begrijp het. Dat betekent niet dat ik nu een demonstratie zal geven van het metabolisme, dat u mij hier zult zien slingeren. Maar …… met een toga aan, stil staan achter dit katheter, zonder interactie met de zaal, oplezen van papier …… het is wel heel erg het andere uiterste. Dus zet u schrap, het wordt helaas wat taai en saai.
2
METABOLISME: DE KERN Ik wil in mijn oratie de volgende vragen te beantwoorden: 1) Wat is het metabolisme 1. wat doet het? 2. hoe werkt het? 2) Wat zijn mijn plannen? Maar eerst een korte uitwijding over het woord “metabolisme”. Wat betekent dat woord eigenlijk. Het meest makkelijke is te rade gaan bij Wikipedia, de onvolprezen bron voor antwoorden op dit soort vragen. “Metabolisme” blijkt een duur woord te zijn voor “stofwisseling”. Het woord komt uit het Grieks en betekent “omzetting”. Dus wanneer ik zeg “metabolisme” bedoel ik “stofwisseling” en betekent het “omzetting”. Hoe moeilijk kun je eenvoudige dingen maken. WAT IS METABOLISME? wat doet het metabolisme?
Laat ik beginnen met een eenvoudige waarneming. Wij eten dagelijks en wij eten veel, soms teveel. Wij eten hamburgers, een patatje met, kroketten, aardappelen vlees en groenten en allerlei lekkere toetjes. Al dat heerlijke eten wordt verteerd in het maagdarm kanaal. Een stortvloed aan voedingstoffen komt op ons metabolisme af en dat moet er wat mee doen. Nadat de maaltijd verteerd is, na het “uitbuiken”, moet het metabolisme zich weer geheel omvormen om zich aan te passen, nu aan het gebrek aan voedingstoffen. Deze heftige wisselingen in aanbod eisen een grote mate van flexibiliteit. Zoals u daar zit en ik hier sta, gaat het meestal goed, maar soms gaat het niet goed of gaat het helemaal niet goed. Dames en heren, hier doemt er een probleem op! De voedingsstoffen in deze hamburger houden geen boordjes omhoog waarop te lezen staat hoe ze moeten
3
worden afgebroken en hoe ze moeten worden omgezet en welke enzymen daarvoor nodig zijn en welke genen actief moeten worden. Het metabolisme moet dat zelf uitmaken op basis van wat zij krijgt. Er is geen andere bron van informatie. Het metabolisme moet 3 taken optimaliseren. 1. Wij verbranden voedingstoffen, om er energie uit op te wekken. Dit is van groot belang omdat spierarbeid, onderhoud en alle biosynthetische reacties energie kosten. 2. Naast energie is biosynthese van celonderdelen essentieel. Voor onderhoud zijn bouwstoffen nodig om slijtage te herstellen. Deze bouwstoffen zijn ook nodig om te groeien. 3. Tenslotte moet het metabolisme ook voorraden aanleggen. Zolang er voeding is, kan er zonder problemen voldaan worden aan de eerste 2 eisen. Maar, wanneer alle voeding verteerd is dan zijn energie en bouwstoffen nog steeds noodzakelijk. Vandaar dat er ook voorraden moeten worden aangelegd. Dus het antwoord op onze vraag, wat doet het metabolisme, is: zorgen voor energie, biosynthese en opslag.
4
hoe werkt het metabolisme? Nu wij dit weten, kunnen wij onze tweede vraag gaan beantwoorden: hoe werkt het metabolisme?
Daarvoor beginnen wij met de metabole kaart, het overzicht van de chemische mallemolen in de cel. Elk streepje is een reactie en elk bolletje is een metaboliet, een tussenproduct.
Maar voor ik verder ga, wil ik u een idee geven wat een enzymreactie is. Ik zal dit proberen duidelijk te maken aan de hand van dit diagram. Alcohol, het blauwe tekentje, wordt in ons lichaam omgezet in aceetaldehyde het bruine tekentje, door het enzym alcohol dehydrogenase, het grijze vlakje met de letter “E” van enzym. Teveel aan aceetaldehyde geeft hoofdpijn en de volgende ochtend een kater. Alcohol, het substraat, hecht zich aan het enzym, dat daarop een beetje van vorm verandert. Dan volgt de omzetting tot aceetaldehyde, het hoofdpijn product. Tenslotte laat het product los om naar het volgende enzym te gaan, net zolang tot er water en CO2 overblijft. Zo ontstaat er een reactiepad voor de afbraak van alcohol. Uit dit diagram komt nog iets naar voren. Enzymen hebben geen vaste, starre vorm. Ze “ademen” als het ware. In de ene toestand binden ze het substraat, en na de omzetting laat het product los. Op vele manieren kan de vorm beïnvloed worden en ik
5
zal in de loop van mijn betoog daarop terugkomen. Vorm veranderingen zijn van groot belang voor de snelheid van enzymatische omzettingen.
Terug naar de kaart, de oude kaart. De nieuwe, met de naam “Recon 2”, is zo groot dat je een metabole TomTom nodig hebt om te navigeren. De laatste dagen was dit een “hot item”, overal werd “de kaart” besproken. In de Volkskrant, de NRC, bij Pauw en Witteman en bij De Wereld Draait Door, overal werd ruim aandacht besteed aan deze “grootse prestatie van de wetenschap”. Om enige getallen te noemen. In de nieuwe kaart zijn 7500 reacties opgenomen, de streepjes, met 3000 unieke metabolieten, tussenproducten, de bolletjes. Verder is voor de verschillende celonderdelen aangegeven welke enzymen en tussenproducten waar voorkomen. Maar …… wat geeft die kaart eigenlijk weer? Laten wij voor even de euforie aan ons voorbij gaan. De kaart geeft alle reactiepaden weer zonder dat duidelijk is hoe belangrijk deze paden zijn voor het metabolisme. Het is alsof wij een wegenkaart van Nederland hebben, maar de ANWB heeft nog niet aan kunnen geven of het een autoweg is of een modderig zandpad. Je kunt de metabole TomTom vragen wat de meest optimale manier is om energie, biosynthese en voorraad met elkaar te combineren, wanneer tijd geen rol speelt. Alsof wij oneindig lang kunnen wachten. Maar die tijd krijgt het metabolisme niet. Je kunt de metabole TomTom niet vragen om de SNELSTE route te geven om deze 3 taken te optimaliseren. Daarvoor ontbreekt informatie. Wat mist in deze kaart is de dynamica, de meet- en regeltechniek.
6
Ik heb de essentie van de kaart in 2 delen uit elkaar gehaald. In het hart van het diagram heb ik de metabole processen geplaatst, de streepjes in de kaart. Daaromheen een ring met de metabolieten, de bolletjes. Niet alleen voor het gemak heb ik deze scheiding aangebracht, het geeft mij de mogelijkheid de rol van metabolieten beter te belichten.
Allereerst voor het effect van voeding. De stortvloed van voedingsstoffen oefent als eerste zijn effect uit in de ring van metabolieten. Van links naar rechts heb ik de koolhydraten, vetten en eiwitten in onze voeding aangegeven. Deze worden in het maagdarm kanaal afgebroken tot hun samenstellende delen zoals bijvoorbeeld glucose bij koolhydraten, vetzuren bij vetten, en aminozuren bij eiwitten. Allemaal zijn dat metabolieten. Daar vinden dus ook de meest heftige schommelingen plaats. De metabole processen moeten zich nu gaan aanpassen. En nu gaat het mis met onze metabole TomTom, want wij missen dynamische informatie. De kaart is statisch. Hoe snel de reacties verlopen, welk mogelijkheden er zijn om de “turbo” aan of uit te zetten of zelfs extra capaciteit te krijgen, zoals in het verkeer wanneer een vluchtstrook als rijbaan wordt bij geschakeld, allemaal vragen waarop onze metabole TomTom geen antwoord geeft.
Waar zit die informatie? Om te meten en te regelen moeten er signalen zijn, die vertaald kunnen worden in acties. Essentieel voor dit onderdeel van het metabolisme is dat metabolieten niet alleen functioneren als tussenproducten, maar ook als
7
signalen over de toestand van het metabolisme. De veranderingen in de hoeveelheid tussenproduct is de informatie over hoe dit geproduceerd en geconsumeerd wordt. Er zijn in principe 3 niveaus van regulering: 1. via de enzymen zelf 2. via eiwit modificatie en 3. via transcriptie factoren.
Laten wij eerst onze aandacht richten op de metabolieten zelf. Ik heb u eerder gezegd dat enzymen “ademen”. En dat dit zeer belangrijk is om de reactiesnelheid te beïnvloeden. Deze kleine vorm veranderingen kunnen het gevolg zijn van binding van het substraat zoals wij dat gezien hebben bij alcohol dehydrogenase. Maar niet alleen het substraat, maar ook andere metabolieten die niet deelnemen aan de reactie kunnen effect hebben op de vorm van enzymen. Daarmee beïnvloeden zij de reactiesnelheid. Bijvoorbeeld, een eindproduct van een metabool reactiepad kan de beginreactie remmen. Waarom nog meer maken, wanneer er al teveel eindproduct gevormd is? Beschouw deze zeer directe regulering als een soort van “filemelding”. De metabole weg kan tijdelijk eindigen in een “flessenhals” door de voeding en het beginsubstraat moet een andere metabole route volgen. Dit mechanisme werd vooral bestudeerd in de jaren voor de opkomst van de moleculaire biologie. Daarna volgde er een ijstijd met vele “gure” jaren die nog steeds niet geheel ontdooid is. Het leek even vergeten, maar deze benadering is aan een tweede jeugd begonnen. Op het ogenblik is er zelfs sprake van een ware metabole “hype” vooral in het kanker onderzoek. Sterker nog, er zijn chronische afwijkingen in het metabolisme en erfelijke metabole ziekten die direct aanleiding zijn tot tumor vorming.
8
Laten wij nu onze aandacht richten op “eiwit modificatie”. Enzymen zijn eiwitten. Ik heb u al eerder verteld dat enzymen en dus eiwitten “ademen”. Vorm veranderingen kunnen niet alleen veroorzaakt worden, wanneer substraten of metabolieten zich hechten aan enzymen, maar kunnen ook beïnvloed worden door er groepen aan vast te binden. Deze groepen zijn afgeleid van metabolieten, daarom dat kleine rode pijltje naar het blok “eiwit modificatie”. Hiervoor wordt een heel scala aan speciale enzymen gebruikt, die helemaal geen rol hebben in de omzetting van metabolieten. Deze speciale enzymen zijn ook eiwitten en kunnen dus ook gemodificeerd worden, modificatie van de eiwit modificatie. Wat is het gevolg van dit proces? Eiwitmodificaties kunnen enzymen in de “turbo” stand zetten. Maar ze kunnen ook paden deels afsluiten om er voor te zorgen dat alleen die reactiepaden actief zijn die nodig zijn of om er voor te zorgen dat er een zekere mate van balans in het systeem aanwezig blijft.
Maar dat is niet genoeg. Wanneer we nog even aan de wegenkaart van Nederland denken, soms moet er een vluchtstrook als rijbaan bij geschakeld worden om extra capaciteit te krijgen. Voor het metabolisme betekent dit dat er meer enzym moet komen. Dit brengt mij tenslotte bij de “transcriptie factoren”. Het maken van extra enzym begint bij activatie van transcriptie factoren door specifieke metabolieten, vandaar dat het rode pijltje naar het desbetreffende blok. Na activatie, hechten ze aan het DNA precies op de plaats met het gen of de genen voor het specifieke enzym of enzymen en starten ze het aflezen van de genetische code, weergegeven met het
9
kleine rode pijltje naar de buitenste ring. Transcriptie factoren zijn ook eiwitten en kunnen in hun activiteit gemodificeerd worden, aangegeven door het rode pijltje tussen de 2 paarsblauwe blokken. Dit maakt ze gevoeliger of ongevoeliger voor hun specifieke metaboliet.
Het regulerend systeem is nog een paar stapjes ingewikkelder. Ik wil er nog 1 bespreken. Wij hebben eerder eiwit modificatie besproken. Nu blijkt dat het DNA in de celkern voorkomt als een eiwit-DNA complex. De eiwitten in dit complex, histonen geheten, zijn essentieel voor een dichte pakking van DNA in de celkern. Het nadeel is dat er niets meer kan worden afgelezen. Door nu deze histon-eiwitten te modificeren met tussenproducten van het metabolisme, ontvouwt het DNA en kan het worden afgelezen. Dit wordt ook wel epi-genetica genoemd. Transcriptie factoren en histon modificaties brengen als het ware de wens van het metabolisme over op de genetische code.
Hoe ziet nu de rol van de genetische code eruit, in het geheel van het metabolisme. Ik hoop dat het u duidelijk is dat het geactiveerd moet worden. Het is het passieve element in het verhaal. Dus de verhalen die beginnen bij de genetische code vergeten even de aanleiding waarom die actief wordt en actief blijft. Het is mijn overtuiging dat de schommelingen in de hoeveelheden van metabolieten via transcriptie factoren en eiwit modificatie het genoom aanzetten tot actie, of beter gezegd reactie.
10
En wat komt er dan uit? Dat moet het metabolisme maar afwachten. De celkern werkt eigenlijk als een soort wensput. Bijna altijd komen er een goed werkend eiwitten uit. Daarnaast kunnen ook extra transcriptie factoren of eiwit modificerende enzymen aangemaakt worden. Alles kan, maar de start ligt in het metabolisme.
Maar soms krijgt het metabolisme iets dat helemaal niet werkt. De wensput verandert in een beerput. Er is sprake van een erfelijke metabole ziekte. Soms is het product teleurstellend, het is, laat ik zeggen “gammel”, het werkt wel, maar niet goed. Dan is er sprake van erfelijke variëteit. Dit laatste komt vaker voor dan u zich realiseert. Wij denken dat de genetische code voor ons allemaal hetzelfde is. Maar …… tussen ieder van ons verschilt die op miljoenen plaatsen, een soort “rafelrand” van de natuur. En dat is niet zonder consequenties voor het metabolisme. Er is dus het een en ander aan erfelijke variëteit te verwachten. Het metabolisme moet het integreren. Toch gaat het bijna altijd goed. Het systeem blijkt dus zeer robuust te zijn. Laten wij het voorafgaande eens recapituleren!
Ik wilde voor u de vraag beantwoorden hoe het metabolisme werkt om uit voeding, … energie, biosynthese en voorraden te maken. Metabolieten staan centraal. Daar grijpen voedingsstoffen aan. Metabole processen passen zich aan. Dit is mogelijk, omdat metabolieten ook signalen zijn over de toestand van het metabolisme. Via transcriptie factoren geven ze signalen door aan het genoom. Wij hebben gezien dat het genoom daarop antwoordt. Bijna altijd gaat het goed, maar soms worden er
11
“gammele” producten afgegeven. Dat leidt tot veranderingen in metabole processen, die zich weerspiegelen in veranderingen in het patroon van metabolieten, die weer veranderingen geven in signalering, die weer……enzovoort, enzovoort. Zo komt de erfelijke variëteit van het metabolisme tot stand.
12
WAT GAAN WIJ DOEN? Wat gaan wij doen om die erfelijke variëteit te bestuderen? Wij zouden de veranderingen in het metabolietenpatroon kunnen gebruiken om na te gaan wat er misgaat in het metabolisme. Samen met de nieuwe kaart zou ons dat de mogelijkheid bieden om het effect van erfelijke variëteit te bestuderen.
Dat patroon kunnen wij meten. Deze benadering heet “metabolomics”. Deze tak van wetenschap probeert zoveel mogelijk metabolieten te meten onder verschillende omstandigheden om daaruit conclusies te trekken hoe processen verlopen. Deze benadering wil ik de komende jaren in ons laboratorium tot ontwikkeling brengen. Om het u iets duidelijker te maken wil ik weer mijn toevlucht nemen tot de wegenkaart van Nederland. Stel u zich eens voor: u overziet de wegenkaart van Nederland met alleen maar streepjes en bolletjes en u noteert waar, op een bepaald moment, alle auto’s zijn. U zoekt alle informatie op die u kunt krijgen over het aantal, de identiteit en de plaats van de auto’s. Dan gaat u rekenen, heel veel rekenen en uiteindelijk kunt u een inschatting maken hoe het wegennet van Nederland gebruikt wordt, welke van de streepjes zich lijken te gedragen als snelwegen en welke als modderige zandpaden. Twee problemen moeten dan opgelost worden. Er moet gemeten worden en er moet gerekend. Dit is een giga-klus. Het metabolisme bevat 3000 unieke metabolieten in 7500 reacties. Het succes van deze benadering hangt af van de mogelijkheid zoveel mogelijk metabolieten te meten. Massaspectrometrie samen met vloeistofchromatografie is op het ogenblik de meest krachtige en snelle benadering om de hoeveelheid en identiteit van metabolieten te bepalen. Maar …… duizenden metabolieten; zo krachtig is het huidig instrumentarium nog niet. Het wordt wel steeds beter en de mogelijkheden worden steeds uitgebreider. In ons laboratorium zal zeer spoedig zo’n high-end instrument geplaatst worden bestaande uit een quadrupool time-of-flight massaspectrometer met ion mobility gekoppeld aan vloeistofchromatografie om een zo hoog mogelijk oplossend vermogen te krijgen. Naast analytisch-chemische technieken zijn de complexe wiskundige bewerkingen van de analyse resultaten van even groot belang. De samenwerkingen met het Netherlands Metobolomic Center in Leiden en met de afdeling Analytische Biochemie
13
van onze universiteit zullen in deze benadering van het metabolisme een zeer belangrijke rol spelen.
“Metabolomics” gaan wij combineren met analyses van het genoom, “genomics”, zodat wij niet alleen de effecten meten maar ook de erfelijke variëteit. Naast de normale genetische code krijgen wij ook informatie over de delen die “gammele” producten afleveren. Samen hebben wij dus informatie over de kwaliteit van de enzymen, de metabolieten en de metabole kaart. Ik wil 1 project noemen, waarin wij deze combinatie van metabolomics, genomics en de metabole kaart zullen gebruiken. In de afdeling Metabole Ziekten van het Beatrix Kinderziekenhuis van het UMCG zien wij regelmatig kinderen die slecht zonder voeding kunnen, gedurende langere tijd. Die worden dan ziek door een te lage glucose concentratie in bloed. Wanneer dat niet bijtijds wordt onderkend, dan kan er een levensbedreigende situatie ontstaan. Wanneer wij proberen er achter te komen wat het kind heeft, met onze huidige laboratorium technieken, dan vinden wij zeer regelmatig geen oorzaak. Wij vinden geen aanwijzingen voor een erfelijke metabole ziekte bij deze kinderen; wij vinden geen hormonale aandoening. Maar wat is er dan wel aan de hand? Daar willen wij deze technieken inzetten. Een van de metabole kinderartsen zal leiding geven aan het project: Idiopathische Ketotische Hypoglycemie. De vraag is welke grote en kleine fouten in de genetische code van enzymen en regulerende eiwitten in het energie metabolisme deze aandoening teweegbrengen. In dit project werken wij nauw samen met de afdeling Medische Genetica.
14
Het nadeel van deze “-omics” methode is dat veranderde metaboliet patronen GEASSOCIEERD worden met genetische foutjes. Maar zijn dit dan de foutjes die van belang zijn. Wij hebben toch miljoenen foutjes in ons DNA. En we weten ook niet HOE die genetische foutjes het veranderde metabolietenpatroon teweeg brengen. Vandaar dat wij in het verlengde van “-omics” benadering het metabolisme GERICHT moeten bestuderen eigenlijk voor elk van de foutjes die geassocieerd is met de metaboliet afwijking. Dat is een majeure klus. Hier speelt de metabole kaart een grote rol om een intelligente keuze te maken welke van de foutjes als eerste en welke als laatste moet worden bestudeerd. Dit soort experimenten kunnen in muizen uitgevoerd worden maar soms ook in cellen waarin wij de foutjes op kunstmatige manier in het genoom inbrengen. In deze studies maken wij gebruik van metabolieten gemerkt met stabiele isotopen van waterstof, koolstof en stikstof. U kunt deze stabiele isotopen opvatten als vlaggetjes. Zij maken het metaboliet alleen maar zwaarder, zonder de chemische eigenschappen te veranderen. Zij nemen gewoon deel aan het metabolisme, zonder het te verstoren, precies wat we nodig hebben. We kunnen de isotopen volgen door de massa te meten van de metabolieten waarin ze worden ingebouwd. Dat doen wij met massaspectrometrie. De afgelopen jaren heb ik met mijn groep op deze manier uitgebreid onderzoek gedaan naar het glucose en vet metabolisme. Samen met de afdeling Metabole Ziekten van het Beatrix Kinderziekenhuis doen wij onderzoek naar defecten in vetzuuroxidatie en in de mobilisatie van glucose uit de voorraad glycogeen. Dat laatste doen wij in samenwerking met een Franse groep in Lyon. Net als bij “metabolomics” zijn ook hier wiskundige modellen van het metabolisme belangrijk. In ons laboratorium hebben wij de laatste jaren een krachtige onderzoeksgroep gekregen rond “systems biology”. De samenwerking is zeer stimulerend en met vertrouwen zie ik de toekomst tegemoet om met hen de isotoop data op de metabole kaart te projecteren. Deze combinatie van experiment en model zal duidelijk maken welke reactiepaden in het verstoorde metabolisme belangrijk zijn geworden, en hoe ze van elkaar afhankelijk zijn.
15
RESUME Ik kom aan het einde van mijn betoog.
Wat hebben we geleerd? Het metabolisme wordtaan heftige schommelingen blootgesteld. Soms is er iets, soms is er niets. Om dat in goede banen te leiden wordt er uitgebreid gemeten en geregeld. Metabolieten activeren dat netwerk. Meestal gaat het goed, maar soms gaat het mis. Er is sprake van erfelijke variëteit.
Wat gaan wij doen? Wij gaan het metabolisme bestuderen met een “-omics” benadering, met metabolomics en genomics.
16
Hieruit komen associaties, maar zijn dat ook causaties? Daarom de gerichte benadering met metabolieten gemerkt met stabiele isotopen. Dames en heren, op deze manier wil ik invulling geven aan mijn leeropdracht erfelijke variëteit van het metabolisme. Ik heb gezegd.
17
