Zigzag DNA

DNA in een cel kun je normaliter vergelijken met spaghetti op je bord: een grote wirwar van strengen. Om bij celdeling het DNA netjes over de twee dochtercellen te kunnen verdelen, moet de cel dit organiseren in strak op elkaar gepakte chromosomen. Al jaren is bekend dat een eiwitcomplex genaamd condensine daarbij een sleutelrol speelt, maar biologen hadden geen idee hoe dat dan precies gebeurt. Tot februari 2018, toen wetenschappers van het Kavli Instituut van de TU Delft samen met collega’s van EMBL Heidelberg in real time lieten zien hoe een condensine een lus trekt in het DNA.  Maar nu blijkt uit vervolgonderzoek van dezelfde wetenschappers dat dit bepaald niet de enige manier is waarmee condensine het DNA opeen pakt. De wetenschappers ontdekten een volslagen nieuwe lusstructuur, die ze de ‘Z loop’ noemen. Op 4 maart publiceren zij dit nieuwe fenomeen in Nature, waar ze voor het eerst laten zien ze hoe condensine onderling samenwerkt en DNA opvouwt in een zigzag structuur.

Meer dan alleen lusjes

‘Het begon met de vraag of DNA opgevouwen kan worden tot een compact chromosoom door het bundelen van losse lusjes, of dat er nog meer speelt,’ zegt TU Delft postdoc Dr.  Eugene Kim. ‘Daarvoor wilden we graag meerdere condensines tegelijk aan het werk zien. Tijdens de experimenten zagen we een interessante nieuwe vorm van opgevouwen DNA, die duidelijk verschilt van een enkele lus, en die verrassend genoeg ook nog veel vaker voorkomt dan die lussen. Met onze experimenten konden we uitvogelen dat het DNA opgevouwen is in een soort zigzag structuur. We hebben het de naam Z-loop gegeven omdat het DNA opgevouwen wordt in de vorm van de letter Z.’

De onderzoekers hebben de structuur vooral uit nieuwsgierigheid onderzocht. ‘Dit was totaal niet voorspeld’, zegt Kim. ‘We vroegen ons af: hoe wordt zo'n structuur gemaakt door twee condensines, wat is het achterliggende moleculaire mechanisme?’

De condensines aan het werk zien

DNA is zo’n ingewikkelde wirwar dat het erg moeilijk is om dit proces te isoleren en te bestuderen in cellen. De onderzoekers pakten het daarom eenvoudiger aan, door de lusvorming in beeld te brengen in 1 DNA-molecuul op een glasplaatje. Hierbij maakten ze de twee uiteinden van het DNA-molecuul aan een oppervlak vast en plakten ze fluorescerende kleurenlabels aan het DNA en condensine. Door vervolgens een stroming in de vloeistof aan te brengen, haaks op het molecuul, konden de onderzoekers het DNA in een U-vorm leggen en het precies goed onder de microscoop in beeld brengen.

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 condensine behoort, de SMC-eiwitten, zijn gerelateerd aan erfelijke aandoeningen, zoals het Syndroom van Cornelia de Lange. Condensine 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 moleculaire processen is van levensbelang voor het zoeken naar de moleculaire oorsprong van ernstige ziektes.