Onderzoekers TU Delft werpen nieuw licht op DNA-replicatie

DNA-replicatie is essentieel voor het bestaan: de getrouwe overdracht van genetische informatie tussen generaties cellen is cruciaal voor het voortbestaan en de gezondheid van alle levende organismen. Deze replicatie wordt uitgevoerd door een complexe moleculaire machine, het zogenaamde replisoom, dat bestaat uit verschillende eiwitbouwstenen. Een cruciaal onderdeel van deze machine is CMG, de moleculaire motor die het replisoom tijdens de DNA-replicatie aandrijft. 

CMG speelt een belangrijke rol bij het scheiden van de twee strengen DNA, dubbele helix, zodat de boodschap ervan kan worden gelezen en gekopieerd. “Begrijpen hoe CMG langs DNA beweegt is essentieel voor het begrijpen van DNA-replicatie”, aldus Daniel Ramírez Montero, onderzoeker en eerste auteur van de publicatie. Onderzoek naar DNA-replicatie is belangrijk, aangezien fouten in dit proces kunnen leiden tot genetische aandoeningen of kanker.

Beweging op film

In levende cellen wordt CMG gevormd en geactiveerd via een complexe cascade van biochemische reacties waarbij 36 verschillende eiwitten betrokken zijn. Een groep onderzoekers van de TU Delft onder leiding van Spinozalaureaat prof. dr. Nynke Dekker, in samenwerking met dr. John Diffley, groepsleider van het Francis Crick Institute, heeft een manier ontwikkeld om dit streng gecontroleerde proces buiten de cel te laten plaatsvinden en de beweging van individuele CMG moleculaire motoren te meten. De onderzoekers hebben alle 36 eiwitten uit cellen gehaald om CMG op DNA op te bouwen. Door fluorescerende labels aan enkele van de eiwitten te verbinden, konden zij de beweging van de CMG moleculaire motor op het DNA onder een fluorescentiemicroscoop bestuderen. 

“Met deze nieuwe benadering konden wij de beweging van individuele CMG's vanaf het eerste moment zichtbaar maken. Met behulp van optische pincetten konden wij het DNA met CMG stil houden om het beter zichtbaar te maken. Vervolgens hebben we films gemaakt van CMG dat langs het DNA beweegt. Zo konden wij deze bewegingen voor de allereerste keer op het niveau van een enkel molecuul ”, legt Ramirez Montero uit. 

Nieuwe inzichten

Met behulp van hun bottom-up benadering, een combinatie van geavanceerde biochemie en biofysica, kon de groep onderzoekers voor de eerste keer de beweging van individuele zelfgemaakte CMG-motoren zichtbaar maken en deze beweging met ongeëvenaarde resolutie meten. Daarnaast deden zij de onverwachte ontdekking dat CMG willekeurig langs het DNA kan bewegen wanneer een belangrijk molecuul genaamd ATP afwezig is. Verder laten zij zien dat CMG door het aansluitend opnieuw binden van ATP stevig vast blijft zitten aan het DNA waarbij de willekeurige beweging ervan wordt gepauzeerd. Dit pauzeren is belangrijk, aangezien dit waarschijnlijk de activatie van CMG mogelijk maakt, een cruciaal proces in de start van DNA-replicatie. 

Deze bevindingen maken de weg vrij voor toekomstige studies waarbij onbekende details van cruciale processen in DNA-replicatie kunnen worden ontdekt. Deze ontdekkingen kunnen er op hun beurt voor zorgen dat wij steeds beter begrijpen hoe cellen erin slagen hun genetische informatie bij elke celdeling accuraat door te geven en om beter te begrijpen hoe fouten in dit proces kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van erfelijke aandoeningen of kanker. Ramírez Montero: “Biologische systemen kunnen in eerste instantie zeer gecompliceerd en chaotisch lijken, maar door ze met deze resolutie te observeren, kunnen we de eenvoudige en elegantie natuurkunde erachter begrijpen.”