Sleutelen aan het genoom
Eencellige organismen hebben stijver DNA dan meercellige organismen, zoals de mens. Dat blijkt uit natuurkundige computermodellen van Marco Tompitak. Hij promoveert op 11 oktober op zijn proefschrift The Mechanical Genome.
DNA is een lang molecuul bestaande uit segmentjes van vier verschillende nucleotiden. De volgorde bepaalt de erfelijke eigenschappen van dieren, planten en andere organismen. De vier nucleotiden verschillen in chemische en natuurkundige eigenschappen. Marco Tompitak vertelt: ‘Door deze verschillen kunnen ook de elastische eigenschappen van het gehele DNA-molecuul significant verschillen, afhankelijk van de volgorde van de nucleotiden. Door deze volgorde aan te passen kun je DNA-moleculen elastisch maken, maar ook stijver.’
Van gist tot mens
Het genoom van organismen met een celkern, zoals de mens, bevat nucleosomen. Nucleosomen zijn complexen van DNA en eiwitten met als primaire functie het geordend compact maken van DNA-strengen.
De basis van Tompitaks onderzoek was het bouwen van natuurkundige computermodellen om DNA te beschrijven en het gedrag van de nucleosomen vast te stellen. Tompitak baseerde zijn computermodellen op kristallografische analyses van de structuur en elasticiteit van nucleosomen.
Vervolgens paste Tompitak zijn natuurkundige modellen toe op bestaande genomen, op zoek naar signalen van het DNA. ‘Dit was het hoogtepunt van mijn onderzoek. We hebben 50 verschillende natuurlijke genomen onderzocht, van gist tot mens en van alles daar tussenin. Door goed te zoeken hebben we mechanische signalen van het DNA gevonden die nucleosomen aantrekken of afstoten.’
Verschillende signalen
Tompitak keek binnen één genoom naar alle promotoren, de stukjes DNA die voor genen liggen en de werking ervan reguleren. Met behulp van de promotoren kon hij kijken in welke mate het DNA de vorming van nucleosomen stimuleert. Wanneer er geen nucleosoom wordt gevormd kan het DNA makkelijker worden afgelezen. Tompitak vond bij eencelligen, zoals gist, alleen afstotende signalen. Hierdoor blijft het DNA beschikbaar om te worden afgelezen.
In meercelligen vond hij het tegenovergestelde resultaat: ‘Hierin hebben we veel signalen gevonden die nucleosomen aantrekken. Meercellige organismen proberen in het algemeen het DNA aansluitend aan een promotor afgesloten te houden, waardoor dit niet kan worden afgelezen. Bij eencelligen zien we dit niet. We weten nog niet exact waarom.’
Een reden kan zijn dat in aparte weefsels specifieke genen pas later tot expressie moeten komen, aldus Tompitak. Eencellige organismen hebben namelijk geen weefsels. Zo worden in spiercellen genen afgelezen die coderen voor motoreiwitten, omdat spierweefsel een belangrijke rol speelt in de voortbeweging. Zenuwcellen hebben een andere functie en zullen daarom niet deze eiwitten maken.
Het onderzoek heeft niet alleen meer kennis opgeleverd, maar ook een andere kijk op DNA. Het heeft Tompitak verwonderd: ‘Het is interessant te zien dat je de natuurkundige eigenschappen van een systeem kunt beïnvloeden door de informatie die erin ligt opgeslagen aan te passen.’
De promotie van Marco Tompitak zal plaatsvinden op 11 oktober 2017 van 10:00 tot 10:45 uur in het Academiegebouw (Rapenburg 73, Leiden).