Hoe ringen en lussen ons DNA organiseren

Genregulatie 

Genen moeten op het goede moment hun informatie doorgeven aan de cel. Dit bepaalt het gedrag van een cel in ons lichaam. Als dat niet goed gaat, worden mensen ziek. Genen staan aan of uit maar dat doen ze niet uit zichzelf.

Benjamin Rowland: 'Genen worden heel precies gestuurd door regel-elementjes die zelf ook op het DNA liggen. Maar die liggen vaak een heel eind van het gen vandaan. Hoe kunnen ze van zo'n afstand een gen reguleren? Dat is mogelijk doordat het DNA in lussen wordt opgevouwen, waardoor verafgelegen delen van het DNA toch vlak bij elkaar gebracht worden. Die lussen worden gemaakt door een ringvormig eiwitcomplex: cohesin.'

Hoe cohesin lussen maakt en met behulp van die lussen het DNA organiseert,  is een van de grote open vragen in de biologie. Met zijn ERC Consolidator Grant wil Rowland het de komende vijf jaar uitzoeken. Rowland start deze maand met zijn project.

Ringen

Cohesin werd ongeveer 20 jaar geleden ontdekt door Oxford-hoogleraar Kim Nasmyth, bij wie Rowland later postdoc zou worden. Cohesin en het eraan verwante condensin zijn ringvormige eiwitcomplexen die elk op hun eigen manier zorgen dat het DNA op orde is. In simpele organismen zoals gist, maar ook in ingewikkelde zoals de mens. Rowland heeft zich in zijn onderzoek toegelegd op deze ringen, die de laatste jaren stap voor stap hun geheimen prijsgeven. Omdat cohesin en condensin zo op elkaar lijken, kan nieuwe kennis over de ene ring ook worden gebruikt om te leren over de andere.

Inkorten van meters DNA

Meters aan DNA die passen in een celkern van zo'n 10 micrometer doorsnee, hoe kan dat? Rowland: 'Het DNA is weliswaar verdeeld over hapklare stukken die we chromosomen noemen. Maar elk chromosoom is nog steeds één lange draad van een paar centimeter: toch nog zo'n 10.000 keer te lang om er zomaar in te passen. Cohesin en condensin blijken beide een cruciale rol te spelen in het structureren van het DNA. Toen ze ontdekt werden, wisten we al dat ze belangrijk zijn voor het organisme, maar pas de laatste drie, vier jaar zijn we gaan snappen hoe belangrijk.'

Cohesin maakt een X van chromosoom 

Cohesin heeft een dubbelfunctie. Allereerst werd ontdekt dat de ring een belangrijke rol speelt bij de celdeling. De eerste stap daarin is dat alle 46 chromosomen worden verdubbeld tot twee identieke helften: voor elke dochtercel één. Cohesinringen houden de twee kopieën stevig bij elkaar totdat die uit elkaar worden getrokken worden en de cel kan gaan delen. De iconische X-vorm van een chromosoom komt tot stand doordat de cohesinringen in het midden het langst blijven zitten. Condensin is juist van belang om de chromosomen kort en compact te maken, wat eveneens essentieel is voor een goede celdeling. Functioneert cohesin of condensin niet goed, dan wordt het DNA niet netjes verdeeld over twee dochtercellen. Het gevolg: kanker of andere ziektes.

Lussen in het DNA

Maar cohesin doet dus nog iets anders: het maakt lussen in het DNA en die worden stapsgewijs groter zolang cohesin op het DNA zit. Dit toonde de groep van Benjamin Rowland in samenwerking met de groep van Elzo de Wit, ook in het Antoni van Leeuwenhoek, vorig jaar experimenteel aan. Ze hebben hiermee een hypothese bevestigd die al in 2001 was gelanceerd door de ontdekker van cohesin, maar nog nooit in een lab was aangetoond: het loop extrusion model. Ook lieten ze zien dat de cel constant lussen maakt die vervolgens weer verloren gaan. Dit allemaal om het DNA in beweging te houden zodat genen aan- en uitgezet kunnen worden. 

Mechanisme achterhalen

De onderzoekers weten wat de bestanddelen van cohesin zijn. Ze weten ook welk molecuul de ring open kan maken, al is het mechanisme daarvan nog onbekend. En ze kennen de - ernstige - gevolgen als cohesin niet goed functioneert. Maar hoe het allemaal werkt is nog een black box en daar moet de komende jaren verandering in komen.

Rowland: 'Wat is de drijvende kracht achter het vormen van de lussen?  Beweegt cohesin langs de DNA-draad en levert het daarvoor zelf de energie? Het is heel goed mogelijk, maar weten doen we het niet. Welke rol spelen de afzonderlijke onderdelen van het eiwitcomplex? En worden de lussen in het DNA groter doordat er meer cohesinringen worden ingezet, of doordat cohesin het tempo opvoert?'

Interdisciplinair

'Het bijzondere van dit onderzoek is dat het heel interdisciplinair is', zegt Rowland. 'We willen alles weten over hoe deze processen werken en gebruiken dus alle technieken die ons daar iets over kunnen vertellen. Omdat die vaak heel nieuw en specialistisch zijn, werken we samen met veel andere onderzoeksgroepen binnen en buiten het Antoni van Leeuwenhoek.'

Een greep uit de methoden en technieken: de onderzoekers kijken naar chromosomen met een super-resolutie microscoop, gebruiken een techniek die laat zien welke stukken DNA interacties hebben met andere stukken, en doen genetische screens die - zonder hypothese vooraf - laten zien welk gen waarvoor verantwoordelijk is. Vervolgens is de biochemie weer nodig om te zien hóe het gebeurt.

Rowland: 'Met de Consolidator Grant financiert de ERC onderzoekers die al een aantal jaren succesvol een eigen onderzoeksgroep aansturen. Je wordt beoordeeld door de wetenschappelijke gemeenschap. Ik vind het echt geweldig dat acht anonieme referenten hiermee hebben laten weten: die groep doet mooi werk.'
 

Links:

• Benjamin Rowland en zijn lab

Lees ook:

• NKI researchers unravel mechanism by which DNA forms loops
• In dit artikel in de Volkskrant reageert Benjamin Rowland op een recente ontdekking van de TU Delft over condensin, het broertje van cohesin. Dat maakt ook lussen in het DNA, maar weer op een ander moment en met een ander doel.