DNA zit in rekbare spiraal gevouwen
In een Advance Online Publication in Nature Structural & Molecular Biology laten biofysicus John van Noort en anderen zien dat DNA gevouwen zit in flexibele spiralen van chromatine. De onderzoeksgroep van Van Noort ontdekte dit in nauwe samenwerking met onderzoekers uit Cambridge. Het artikel met de resultaten staat vanaf zondag 19 april 19.00 uur op de website van het blad Nature Structural & Molecular Biology.
Een flexibele spiraal
DNA zit opeengepakt in een hechte kralenstructuur van onderling verbonden eiwitpakketjes. DNA en eiwitpakketjes samen vormen nucleosomen die op hun beurt weer vouwen in compacte chromatinedraden. De grote vraag is: als DNA zo compact opgevouwen zit, hoe kunnen er dan enzymen bij komen om de weg vrij te maken voor genexpressie? Leids biofysicus John van Noort heeft met behulp van een magnetisch pincet weer een deel van het raadsel opgelost: chromatine vormt een flexibele spiraal die door botsingen met watermoleculen al tot een derde opgerekt kan worden.
Eiwitpakketjes
Dertig jaar geleden al werd ontdekt dat DNA niet los in de celkern zit, maar gevouwen is om eiwitpakketjes: de histonen. Samen met het DNA vormt zo’n eiwitpakketje een nucleosoom. De afzonderlijke nucleosomen trekken elkaar aan en vormen structuren van 30 nanometer groot. Dat was al bekend. Maar wat nog onbekend was, is hoe die structuren gevouwen zijn, en daarmee hoe benaderbaar het DNA is voor enzymen.
Spiraal van nucleosomen
Tussen de nucleosomen zitten losse stukjes DNA, waarvan altijd is gedacht dat ze recht en onbuigzaam zijn. Van Noort: ‘Het traditionele antwoord op de vraag naar de structuur van chromatine is: als het DNA tussen de nucleosomen onbuigzaam en recht is kan chromatine niet anders dan een soort zigzagstructuur vormen van twee stapels. Maar wij weten nu: dat is niet het geval. De naburige nucleosomen zitten op elkaar, en vormen één stapel, die zich vervolgens weer in een spiraal vouwt. Maar om dat voor elkaar te krijgen moet het DNA tussen de nucleosomen sterk gebogen zijn.’
Magnetisch pincet
Met een elektronenmicroscoop is dat niet te zien; het materiaal zit zo dicht op elkaar, dat je er niet doorheen kunt kijken en alleen de buitenkant ziet. Van Noort: ‘Wat wij hebben gedaan is die spiraal uit elkaar trekken, met een magnetisch pincet. Aan de ene kant van een molecuul bevestigen we een bolletje met ijzer erin, dat 1000 maal groter is dan de twee nanometer van het DNA, en aan de andere kant een microscoopglaasje. DNA kun je niet zien met een optische microscoop, daar is het veel te klein voor, maar dat bolletje kun je wel zien. Door met een magneet aan het bolletje te trekken trek je het molecuul mee. Met een optische microscoop bepaal je vervolgens met een nauwkeurigheid van enkele nanometers de positie van het bolletje. Zo kun je de lengte van het molecuul bepalen.’
Genexpressie door slappe veer
Van Noort: ‘We wisten al dat DNA heel sterk opeengepakt zit. Hoe kan een enzym er dan toch bij om het DNA vrij te maken om uitgelezen te worden? Wat wij nu hebben ontdekt is dat het veertje zo slap is dat botsingen met watermoleculen voldoende zijn om het tot bijna een derde uit te rekken. Dat kan alleen doordat het als een spiraal opgevouwen zit.
Paradoxaal
‘Maar wat we uit dit experiment ook hebben geleerd is dat de nucleosomen veel steviger op elkaar plakken dan men dacht. En dat is weer van belang omdat we daardoor weten dat enzymen die het DNA vrij moeten maken veel meer kracht moeten zetten dan werd gedacht. Het klinkt paradoxaal: enerzijds vind je een slappe spiraal, anderzijds sterk plakkende nucleosomen. Maar toch klopt het wel: aan de ene kant moet DNA immers goed beschermd worden, maar aan de andere kant moet het wel kunnen worden uitgelezen. Wij hebben een flexibele structuur gevonden die beide eigenschappen combineert.’
Mechanica van het genoom
De biofysica is een relatief nieuw vakgebied. Van Noort, die in 2003 een Vidi-subsidie van NWO toegekend kreeg: ‘We willen de mechanica van het genoom begrijpen. Tien jaar geleden werden de eerste mechanische experimenten gedaan aan nucleosomen. Daar zijn een stuk of tien artikelen uitgekomen. Maar er werd met hoge krachten gewerkt, met het gevolg dat de structuur kapot werd getrokken, en je alleen de laatste stappen van het ontvouwen kon meten. Wij gaan veel voorzichtiger te werk, waardoor we de natuurlijke gang van zaken veel dichter benaderen.’
Chemische vlaggetjes
Onlangs hebben de onderzoeksgroepen uit Leiden en Cambridge samen een nieuwe subsidie gekregen van het Human Frontier Science Program om de volgende stap van het raadsel van de interactie tussen nucleosomen op te lossen: het feit dat die sterke interactie heel gemakkelijk kan worden gemoduleerd door kleine chemische ‘vlaggetjes’. Die veranderingen zijn sterk gecorreleerd aan de activiteit van genen.
Artikel
Single-molecule force spectroscopy reveals a highly compliant helical folding for the 30-nm chromatin fiber,
Auteurs: Maarten Kruithof, Fan-Tso Chien, Andrew Routh, Colin Logie, Daniela Rhodes en John van Noort.
Advance Online Publication (AOP) op de website van Nature Structural & Molecular Biology vanaf zondag 19 April 19.00 uur
http://www.nature.com/nsmb/index.html