Hoe moleculaire motoren chromosomen hun structuur geven
Zo’n 150 jaar geleden bestudeerde Walther Flemming chromosomale veranderingen tijdens de celdeling. Maar ondanks de vooruitgang in kennis hebben onderzoekers pas onlangs de sleutelelementen geïdentificeerd die de organisatie van chromosomen in de celkern bepalen. “Chromosomen zijn fundamenteel gestructureerd in DNA-lussen, waarbij ringvormige eiwitten, bekend als SMC-complexen (structural maintenance of chromosomes), betrokken zijn bij de vorming ervan,” zegt Cees Dekker(opens in new window), hoogleraar natuurkunde aan de Technische Universiteit Delft(opens in new window) in Nederland en hoofdonderzoeker van LoopingDNA. “De exacte mechanismen voor hoe deze lussen werden gevormd en gecontroleerd, zijn echter mysterieus gebleven.” In 2018 ontdekte Dekker’s lab dat een SMC genaamd ‘condensine’ werkt als een moleculaire motor(opens in new window) die lussen maakt in DNA, waardoor chromosomen hun structuur krijgen. Nu heeft het LoopingDNA-project met behulp van enkele-molecuultesten meer onthuld over de betrokken mechanismen en de invloed van chromosoomstructuur op de biologie onderzocht.
Een nieuwe klasse DNA-motoren
Het LoopingDNA-team werd gesteund door de Europese Onderzoeksraad(opens in new window) (ERC) en gebruikte enkele-molecuulbeeldvorming met tijdsverloop om het door condensine gedreven DNA-lusproces in actie te volgen. “We legden een stukje DNA op een glasplaatje, visualiseerden het en zagen de lus na verloop van tijd verschijnen doordat SMC’s zich aan het DNA hechtten,” legt Dekker uit. “Verdere experimenten stelden ons in staat om veel extra kenmerken waar te nemen, zoals asymmetrie van de lus en richtingsveranderingen.” Daarnaast ontdekte het team een nieuw lusmotief, z-loops(opens in new window) genaamd, dat wordt gevormd wanneer twee lusextruderende condensine-SMC’s elkaar tegenkomen en passeren, wat licht werpt op hoe DNA wordt georganiseerd in een strak samengepakte structuur. De lusextrusie bleek ook nauw samen te hangen met het ‘supercoilen’ van DNA, waardoor de hoeveelheid draaiing in een DNA-streng toeneemt. “We ontdekten dat SMC’s niet alleen DNA extruderen, maar ook een draai toevoegen bij elke extrusie, wat impliceert dat DNA-supercoiling wordt gereguleerd door het genoom,” voegt Dekker toe.
Mechanismen die ten grondslag liggen aan DNA-lussen
Het project heeft ook andere fascinerende inzichten opgeleverd. Cellulair DNA is bedekt met DNA-bindende eiwitten zoals nucleosomen of RNA-polymerase, die in theorie extrusie zouden kunnen verhinderen. Het team was verrast om te ontdekken dat dit niet het geval was – SMC’s zijn blijkbaar in staat om vrijwel alle objecten in hun DNA-lus op te nemen. Dit is veelzeggend, omdat eiwitten op DNA tot tientallen nanometers groot kunnen zijn en het ringvormige SMC ongeveer 30 nanometer in doorsnee is. Dekker ontdekte dat de ring zelfs plaats bood aan DNA-gebonden gouddeeltjes van 200 nanometer groot, groter dan de ring van het extruderende SMC zelf. “We concludeerden dat het DNA niet, zoals eerder werd verondersteld, topologisch binnen de SMC-complexring lag,” zegt Dekker. “We hebben nu een model uitgewerkt waarbij binding met adenosinetrifosfaat de vorm en grootte van het SMC verandert, wat ons dichter bij het begrip brengt van het motorische mechanisme dat ten grondslag ligt aan het lussen van DNA.”
Inzichten in genetische aandoeningen
De onderzoekers stelden zichzelf ook de ambitieuze taak om een chromosoom vanaf nul op te bouwen. Beginnend met een stuk kaal DNA (een Escherichia coli bacterieel genoom ontdaan van eiwitten), was het de bedoeling om eiwitcomplexen en andere DNA-verwerkende eiwitten toe te voegen om de effecten van DNA-organiserende elementen te bestuderen. Ze bereikten een basisversie, maar door de extreme kwetsbaarheid van DNA viel een volwaardige versie buiten de middelen van het project. “Als we deze technische hindernissen kunnen overwinnen, zou ons ‘genoom-in-a-box’ op een dag een gereedschapskist kunnen bieden voor experimenten die onthullen hoe chromosomale structuur genexpressie reguleert, wat inzicht geeft in genetische aandoeningen,” legt Dekker uit. Omdat bekend is dat condensine van vitaal belang is voor een gezonde embryonale ontwikkeling, zal Dekker’s nieuwe consortium, dat momenteel financiering zoekt via een ERC-synergiesubsidie, dit gebied verder onderzoeken. Van bijzonder belang is hoe het lussen van DNA zogenaamde ‘enhancers’ in staat kan stellen om dichter bij de promotors van belangrijke genen te komen, waardoor hun expressie wordt versterkt.
