* Nieuws
DNA zit in rekbare spiraal gevouwen
Stap verder op weg naar begrip van genexpressie
In een Advance Online Publication in Nature Structural &
Molecular Biology laten biofysicus John van Noort en anderen
met een magnetisch pincet zien dat DNA gevouwen zit in
flexibele spiralen van chromatine. Hierdoor kunnen enzymen bij
het DNA komen die nodig zijn voor genexpressie.
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.
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.
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 is
een dozijn 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.
-------
`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
Universiteit Leiden