Lussen, lussen en nog eens lussen: zo wordt DNA georganiseerd

23 februari 2018

Het is indrukwekkend: een levende cel is in staat om een grote warboel aan DNA, meer dan twee meter lang, netjes te organiseren in kleine chromosomen. Het is al meer dan een eeuw duidelijk dat een cel dit doet ter voorbereiding op de celdeling, maar wetenschappers breken zich al decennia het hoofd over hoe het precies werkt. Wetenschappers van het Kavli Instituut van de TU Delft en EMBL Heidelberg hebben dit proces nu voor het eerst weten te isoleren én gefilmd. Ze zagen daarbij in real time hoe een enkel eiwitcomplex, condensin genaamd, een lus trekt in het DNA. Door vele lussen te trekken en die te bundelen kan een cel efficiënt en compact zijn genetisch materiaal opbergen, zodat het gelijkmatig kan worden verdeeld over twee dochtercellen.

Spaghetti

Dit onderzoek beslecht een belangrijk debat in het vakgebied. DNA in een cel in de normale toestand is vergelijkbaar met spaghetti: een grote wirwar van strengen. De cel moet dit organiseren in chromosomen, om het DNA netjes over de twee dochtercellen te kunnen verdelen. Al jaren is bekend dat een eiwitcomplex genaamd condensin daarbij een sleutelrol speelt, maar tot nu waren biologen verdeeld over de vraag hoe dat dan gebeurt. Eén theorie stelde dat condensin als een soort haak fungeert die zich ergens aan DNA kan vastgrijpen en her en der in de wirwar DNA vasthaakt en het zo structureert. De andere theorie stelt dat het ringvormige condensin het DNA naar binnentrekt en lussen maakt.

Motorfunctie

Afgelopen september lieten wetenschappers van de TU Delft, in samenwerking met andere laboratoria, al zien dat condensin inderdaad de motorfunctie bezit die nodig is om zo’n lus te kunnen maken. Dit was een belangrijk nieuw stukje in de puzzel. Toch tekende Kim Nasmyth van Oxford University, een van de topwetenschappers op het gebied van DNA-organisatie, er toen in Science bij aan: ‘Deze ontdekking is zeker consistent met het idee dat condensin functioneert als lussentrekker, maar bewijst dit geenszins. De uitdaging is om zowel het lussentrekken als de translocatie waar te nemen, en zo vast te stellen of dit een eigenschap is van individuele of meerdere complexen, en wat het moleculaire mechanisme is.’

Het mysterie oplossen

En dit is precies wat nu is bereikt. De wetenschappers van het Kavli Instituut van de TU Delft zijn er, in samenwerking met de Haering Group van EMBL Heidelberg, in geslaagd om filmpjes te maken waarin ze het condensin-complex ‘op heterdaad’ betrappen bij het lussen maken van DNA. “We hebben het bewezen door het gewoon te filmen”, zegt Mahipal Ganji, postdoc in de groep van Cees Dekker in Delft. “DNA is zo’n ingewikkelde wirwar dat het erg moeilijk is om dit proces te isoleren en te bestuderen in cellen. In ons onderzoek was de eerste stap om de twee uiteinden van het DNA-molecuul aan een oppervlak vast te maken en fluorescerende kleurenlabels aan het DNA en condensin te plakken. Door vervolgens een stroming in de vloeistof aan te brengen die haaks op het molecuul staat, konden we het DNA in een U-vorm leggen en het precies goed onder onze microscoop brengen. Verbazingwekkend genoeg konden we toen zien hoe een individueel condensin-complex zich bond en een lus begon te trekken in het DNA.”

Brandstof

Prof. Cees Dekker voegt toe: “Deze puzzel is hiermee opgelost. Deze data zijn overtuigend bewijs dat condensin inderdaad DNA binnenhaalt in lussen. Onze nieuwe aanpak maakt het tevens mogelijk om allerlei kwantitatieve data te verkrijgen, bijvoorbeeld over de symmetrie van het lussentrekken, de snelheid waarmee een lus wordt getrokken, en wat er gebeurt als je aan het DNA trekt. De snelheid van het lussen maken bleek opmerkelijk hoog: tot 1500 baseparen DNA kunnen worden binnengehaald door condensin. En dit gebeurt met behulp van slechts een bescheiden hoeveelheid aan ATP, de ‘brandstof’ van de condensin-motor, wat een indicatie is dat condensin niet base na base langs het DNA gaat, maar dit in grote stappen doet.“

Bij zacht trekken aan het DNA, verliep het proces van lussen maken minder snel. Blijkbaar heeft condensin onder spanning meer moeite om een lus te maken. En onverwachts bleek het lussen maken asymmetrisch te gebeuren. “We zagen dat condensin zich stevig verankert op het DNA en dan het DNA exclusief van één kant begint binnen te halen. Ook weer zo’n interessante ontdekking”, vult Dekker aan.

Medische relevantie

Het onderzoek is een belangrijke stap in het fundamentele begrip van DNA in onze cellen, maar het is ook relevant voor medisch onderzoek. Problemen met de eiwitfamilie waartoe condensin behoort, de SMC-eiwitten, zijn gerelateerd aan erfelijke aandoeningen, zoals het Syndroom van Cornelia de Lange. Condensin is ook cruciaal in de organisatie van de chromosomen tijdens de celdeling; fouten in dit proces kunnen leiden tot kanker. Een beter begrip van deze processen is van levensbelang voor het zoeken naar de moleculaire oorsprong van ernstige ziektes.

Het onderzoek werd ondersteund door het NWO Zwaartekracht-programma NanoFront.

Filmmateriaal

Een animatie, twee filmpjes van de experimenten en video’s met uitleg zijn te bekijken via de volgende links:

https://youtu.be/zd2I-Yq_35Y (animatie)

https://youtu.be/Ce7gMNAOI1A (video van het experiment onder de microscoop, zonder stroming)

https://youtu.be/3rB7RchZ2ew (video van het experiment onder de microscoop, met stroming)

https://youtu.be/1NLx4uY1E88 (uitleg twee theorieën DNA condensatie door Prof. Cees Dekker)

https://youtu.be/We_WV_NorPc (uitleg experiment, door Prof. Cees Dekker en Dr. Mahipal Ganji)

Bron: TU Delft