Het kraken van de code van DNA-vouwmachines
Wanneer een cel zich deelt, moet hij zijn DNA dupliceren en organiseren, een enorme taak gezien de lengte en complexiteit van het genetische materiaal. Je kunt DNA zien als een lange draad die strak en precies in een kleine ruimte moet worden ingepakt zonder dat hij in de knoop raakt.
DNA vouwen en organiseren
Het CHROCODYLE(opens in new window) project, uitgevoerd met steun van de Europese Onderzoeksraad(opens in new window), had tot doel precies te begrijpen hoe deze verpakking tot stand komt. Om dit te doen, richtten projectcoördinator Stephan Gruber en zijn team van de Universiteit van Lausanne(opens in new window) in Zwitserland zich op SMC-complexen (structural maintenance of chromosomes), eiwitmachines die actief DNA vouwen en organiseren. Deze complexen zijn essentieel voor het intact houden van genetisch materiaal, wat essentieel is voor het overleven en functioneren van cellen. Een belangrijke speler hierbij is condensine, een van de SMC-complexen die DNA in lussen vormen. Deze lussen zijn cruciaal voor DNA-reparatie en voor een goede verdeling van chromosomen tijdens de celdeling. Het is echter onduidelijk hoe SMC-complexen precies langs DNA bewegen en lussen vormen. CHROCODYLE wilde daar verandering in brengen.
Genetische manipulatie met hoge doorvoer
Om deze uitdaging aan te gaan, wendde het team zich tot een eenvoudiger modelorganisme: de bacterie Bacillus subtilis, die een versie van het condensinecomplex bevat die eenvoudiger te bestuderen is dan zijn menselijke tegenhanger. Hierdoor konden de onderzoekers genetische manipulatie met hoge doorvoer uitvoeren en meer dan 1000 gemuteerde bacteriestammen genereren met specifieke veranderingen in de SMC-eiwitten. Deze mutanten werden vervolgens gebruikt in een techniek die chemische verknoping wordt genoemd om de moleculaire structuur van het SMC-complex met hoge precisie in kaart te brengen. “We waren in staat om een zeer gedetailleerd beeld te vormen van hoe de bacteriële SMC-machine eruitziet en hoe de verschillende onderdelen gerangschikt zijn,” zegt Gruber. Tegelijkertijd bestudeerden de onderzoekers hoe SMC-complexen interageren met DNA, zowel in vitro als in levende bacteriële cellen. Ze gebruikten geavanceerde hulpmiddelen zoals kristallografie, microscopie, ChIP-Seq en Hi-C om te observeren waar en hoe SMC zich bindt en inwerkt op chromosomen. Deze combinatie van structurele en functionele studies gaf hen een volledig beeld van hoe de SMC-machine werkt. Een van de belangrijkste resultaten van dit onderzoek was de ontwikkeling van een nieuw model voor de extrusie van DNA-lussen, d.w.z. hoe SMC’s langs DNA bewegen. “De SMC motor beweegt in grote stappen en kan zowel kleine als grote obstakels op DNA gemakkelijk omzeilen,” legt Gruber uit. “Dit is anders dan wat eerder is voorgesteld voor andere DNA-motoren.”
Van bacteriën tot doorbraken
De invloed van CHROCODYLE reikt verder dan de bacteriële biologie. Bij mensen zijn slecht functionerende SMC-eiwitten gekoppeld aan aangeboren aandoeningen en vaak gemuteerd bij kanker. De kennis die dit project oplevert, kan ons helpen om de specifieke moleculaire fouten te begrijpen die deze ziekten veroorzaken, wat mogelijk kan leiden tot ideeën voor toekomstige behandelingen. “Ons werk kan uiteindelijk helpen bij het onthullen van de moleculaire defecten die deze ziekten veroorzaken en inzicht geven in mogelijke behandelingen,” voegt Gruber toe. Daarnaast kan het begrijpen van de SMC-machine in bacteriën mogelijk bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe medicijnen om bacteriële infecties te bestrijden. Deze inzichten bieden een manier om antibioticaresistentie aan te pakken, een van de meest urgente uitdagingen in de wereldgezondheid van dit moment. Tot slot heeft het project ook de basis gelegd voor toekomstige doorbraken. Met nieuwe technieken zoals cryo-elektronenmicroscopie kunnen onderzoekers nu SMC-DNA-structuren met een bijna-atomaire resolutie oplossen, waardoor de bevindingen van CHROCODYLE worden bevestigd en uitgebreid. Deze vooruitgang betekent een belangrijke stap voorwaarts in de studie van de essentiële moleculaire machines van het leven.
