Hoe oerbacteriën hun DNA-structuur veranderen

27 december 2012

Onderzoekers van de Universiteit Leiden en de Vrije Universiteit Amsterdam hebben bepaald hoe erfelijke informatie is georganiseerd in archaea, eencellige organismen die onder extreme omstandigheden kunnen overleven. De resultaten van het onderzoek staan in Nature Communications (27 december 2012) en Nucleic Acids Research (15 november 2012 early online).

Afbeelding: DNA-moleculen bedekt met DNA-buigende eiwitten. Doordat het DNA is vastgeplakt aan een magnetisch bolletje is het mogelijk om met een magnetisch pincet aan het DNA-molecuul te trekken. Bron: Universiteit Leiden/The Incredible Machine

Lussen en bruggetjes

De onderzoekers bestudeerden de werking van vier van deze eiwitjes: Sul7, Cren7, Alba1 en Alba2. Uit hun waarnemingen concluderen ze dat Sul7 en Cren7 het DNA van archaea op een groot aantal plekken onder een hoek van zo’n 50 graden vouwen. Alba1 en Alba2 persen het DNA in lussen samen door ‘bruggetjes’ te maken tussen verscheidene plekken langs het DNA. Onderzoeker Remus Dame van de Universiteit Leiden: ‘We vermoeden dat variatie in de hoeveelheid van elk van deze eiwitten in de cel tot een dynamisch samenspel leidt. Dat zorgt voor aanpassing van de structuur van DNA als dat nodig is voor bepaalde processen, zoals transcriptie van genen. Op die manier kunnen archaea hun DNA-structuur snel aanpassen aan een gewijzigde situatie.’

Verrassend is dat deze eiwitten zich stabiel aan DNA binden. Dat heeft mogelijk te maken met de noodzaak de dubbele helix te stabiliseren bij de hoge temperaturen waaronder de onderzochte organismen leven. Bijzonder is ook dat Alba2, de ‘kreupele’ variant van Alba1, zelf geen directe functie in de organisatie van DNA lijkt te hebben, maar Alba1 helpt om de activiteit te variëren.

DNA past alleen in een cel als het sterk is samengeperst en opgevouwen. In menselijke en dierlijke cellen zorgen specifieke eiwitten voor de vormgeving van het DNA. Die zogenoemde histonen komen echter niet voor in archaea, organismen die het al 4 miljard jaar onder de meest barre omstandigheden uithouden. Deze oerbacteriën gebruiken een reeks verschillende kleine eiwitjes om de vouwing van hun DNA te veranderen. Dat kan nodig zijn als er een plotselinge verandering optreedt in bijvoorbeeld de temperatuur of de zuurgraad van hun leefomgeving.

Warm bad

De onderzochte eiwitten waren afkomstig uit Sulfolobus solfataricus. Dit organisme leeft in heetwaterbronnen nabij de Solfatara-vulkaan bij Napels, waar een lage zuurgraad (pH 2-3) en temperaturen rond de 100 graden Celsius heersen. De onderzoekers bestudeerden de eiwitten door individuele eiwit-DNA-complexen met een atoomkrachtmicroscoop in beeld te brengen en met magnetische en optische pincetten aan met eiwitten bedekte DNA-moleculen te trekken. Daarnaast simuleerden en modelleerden ze de structuur van de verschillende eiwit-DNA-complexen.

Artikelen

N. Laurens, R.P.C. Driessen, I. Heller, D. Vorselen, M.C. Noom, F.J.H. Hol, M.F. White, R.T. Dame & G.J.L. Wuite, Alba shapes the archaeal genome using a delicate balance of bridging and stiffening the DNA, Nature Communications. In press.
R.P.C. Driessen, H. Meng, G. Suresh, R. Shahapure, G. Lanzani, U.D. Priyakumar, M.F. White, H. Schiessel, J. van Noort & R.T. Dame , Crenarchaeal chromatin proteins Cren7 and Sul7 compact DNA by inducing rigid bends, Nucleic Acids Research. In press.