Overzicht

Ontdekking chromosoom-motortje steunt DNA-lussentrekkers

17 september 2017

Ontdekking chromosoom-motortje steunt DNA-lussentrekkers

Wetenschap en innovatie

Het is een van de mysteries van de biologie: hoe verdeelt een cel zijn DNA netjes over twee dochtercellen? Al meer dan 100 jaar is bekend dat DNA in de normale cel te vergelijken is met een bord spaghetti, een grote kluwen draadjes door elkaar heen. Als een menselijke cel wil delen moet de cel twee meter DNA opvouwen in nette pakketjes: chromosomen. Dat opvouwen gebeurt met eiwitten, condensin genaamd, maar hoe? Wetenschappers zijn over deze vraag in twee kampen verdeeld: een ervan stelt dat die eiwitten als een soort haakjes ergens in de kluwen DNA vastgrijpen en zo de boel bij elkaar binden. Het andere kamp denkt dat het ringvormige eiwit het DNA als een nanomotortje naar binnen trekt en zo een lus vormt. Met een publicatie in Science geven onderzoekers van de TU Delft, EMBL Heidelberg en Columbia University deze week het ‘lussentrekkers-kamp’ een krachtige impuls: ze laten zien dat condensin inderdaad het voorspelde ‘motorvermogen’ aan boord heeft.

Condensatie

Het was de beroemde bioloog Walter Flemming die al in 1882 het proces van ‘condensatie’ van DNA voor het eerst tekende. Hij zag door de microscoop hoe een cel de kluwen DNA keurig organiseert en daarna over twee nieuwe cellen verdeelt. Hoe dat proces precies verloopt is al ruim honderd jaar een raadsel.

DNA-lussentrekkers

“Er wordt daar verschillend over gedacht in de celbiologie”, vertelt nanobioloog en onderzoeksleider Cees Dekker van het Kavli Instituut van de TU Delft. “De laatste jaren wint de hypothese dat condensin ‘lussen trekt’ terrein, ondersteund door computersimulaties. Het idee is dat het ringvormige condensin het DNA beetpakt en het als een lus door de ring heen trekt. Dat kan alleen als dat het eiwit een ‘motortje’ heeft. Een probleem met dit ‘loop extrusion’ model was dat zo’n motorfunctie tot nu toe nooit was waargenomen. En ook zou er veel te veel energie nodig zijn om die lussen met kleine stapjes door de ring te trekken, veel meer dan het brandstofgebruik dat men in de praktijk waarneemt bij condensin”, stelt prof. Cees Dekker.

Motorfunctie

De onderzoekers laten nu in Science voor het eerst zien dat condensin inderdaad een motorfunctie heeft: ze legden strengen DNA in de lengte uitgestrekt naast elkaar en brachten daar condensin-eiwitten op aan, elk voorzien van een lichtgevende quantumdot om waarneming mogelijk te maken. “We zagen dat condensin zich inderdaad lineair verplaatst over het DNA. Dat gebeurde alleen als er brandstof aanwezig was in de vorm van het molecuul ATP, de ‘benzine’ voor alle motorische processen in een cel”, vertelt Jorine Eeftens, promovendus in Delft en een van de eerste auteurs. “Uit de resultaten volgt ook dat  condensin heel grote stappen maakt over het DNA en daardoor aanzienlijk minder ATP nodig heeft dan eerder verwacht.” Als tweede stap bevestigden de onderzoekers geen lichtgevende quantumdot aan het condensin, maar een strengetje lichtgevend DNA. Ook daarbij zagen ze dezelfde beweging van condensin. Condensin kan dus het ene stuk DNA verplaatsen ten opzichte van een ander stuk, passend bij het idee van het vormen van een lus.

“Het precieze onderliggende mechanisme, dus hoe de motor in detail werkt, dat blijft nog een open vraag, maar deze ontdekking geeft het kamp van de lussentrekkers wel een enorme boost. Daarnaast hebben we ook laten zien dat het energiegebruik veel lager kan zijn dan eerder voorspeld werd.”, aldus Cees Dekker.

Medische relevantie

Het onderzoek is een belangrijke stap in het fundamentele begrip van onze cellen, maar het is ook voor medisch onderzoek relevant. Problemen met de eiwitfamilie waar condensin toe behoort, de zogenaamde SMC eiwitten, worden gerelateerd aan bepaalde erfelijke aandoeningen zoals het Syndroom van Cornelia de Lange. Omdat condensin cruciaal is bij het organiseren van de chromosomen in de celdeling, kunnen fouten hierin ook leiden tot kanker. Beter begrip van dit soort processen is cruciaal voor het opsporen van de moleculaire oorsprong van ernstige ziektes.

Het onderzoek werd mede mogelijk gemaakt door het NWO Zwaartekrachtprogramma ‘Frontiers of Nanoscience’ (NanoFront).

Meer informatie?

Neem contact op met prof. Cees Dekker, c.dekker@tudelft.nl of kijk op http://ceesdekkerlab.tudelft.nl

Lees het artikel in Science: ‘The condensin complex is a mechanochemical motor that translocates along DNA’, 7 september 2017.

 

Bron: TU Delft

Toon alle referenties

Auteur