Nieuwe kennis over chromatinevorming dankzij ‘DNA-replicatie in een reageerbuis’

De cellen in ons lichaam delen zich regelmatig om nieuwe cellen te produceren. Voordat de celdeling plaatsvindt, moet eerst het DNA gekopieerd worden. Dit kopiëren, ook wel DNA-replicatie genoemd, zorgt ervoor dat de nieuwe cellen precies dezelfde genetische informatie bevatten als de oude cel. Daarnaast moet ook het verpakkingssysteem van het DNA gekopieerd worden: de chromatineEen naam voor de eiwitten en het DNA in een chromosoom.. Chromatine bestaat uit DNA dat wordt opgerold rond speciale eiwitten, de histonenEiwitten in de celkern waar het DNA omheen is gewonden. Op deze manier past al het DNA in de celkern. Door aanpassingen aan de histonen wordt het DNA strakker of losser gewonden, waardoor de genen op die plek wel of niet afgelezen kunnen worden.. Hierdoor kan twee meter aan DNA compact in de celkern worden opgeborgen. Daarnaast reguleert chromatine ook welke gedeelten van het DNA van een cel actief zijn, waardoor het mede bepaalt hoe de cel zich gedraagt. Tijdens de celdeling is het dus essentieel dat zowel de DNA-code als de informatie uit de chromatine precies wordt gekopieerd. Anders kunnen de nieuwe cellen zich afwijkend gaan gedragen, wat kan leiden tot ziektes zoals kanker.

Chromatinereplicatie buiten de cel

DNA-replicatie is in het verleden uitgebreid bestudeerd, maar over het kopiëren van chromatine is veel minder bekend. Dit komt doordat de structuur van chromatine erg complex is en het veel verschillende functies in de cel heeft, die allemaal met elkaar te maken hebben. Hierdoor is onderzoek naar chromatinereplicatie ingewikkeld. Om hier verandering in te brengen, gebruikten de onderzoekers verschillende biochemische systemen om de DNA-replicatie en chromatinevorming van gist in een reageerbuis na te bootsen. Gedeelde eerste auteur Clément Rouillon legt uit: “Cellen bevatten allerlei back-up mechanismen en controlepunten die ervoor zorgen dat essentiële processen, zoals de vorming van chromatine, goed zijn afgerond voordat de celdeling begint. Dit stelt de cel in staat om fouten te herstellen, maar het maskeert soms de functie van individuele moleculen. Daarom hebben we de chromatinevorming uit de complexe omgeving van de cel gehaald. Hiervoor hebben we nieuwe in vitroLetterlijk: in glas. In vitro onderzoek betekent dat een bepaald proces van het lichaam buiten het lichaam wordt onderzocht. Hiervoor kunnen bijvoorbeeld cellen worden gebruikt. assays gebruikt voor het bestuderen van chromatinevorming, in combinatie met krachtige technieken voor het bestuderen van DNA-replicatie, die eerder zijn ontwikkeld door de laboratoria van Diffley en Yeeles in het Verenigd Koninkrijk. Zo kunnen we op een zeer gecontroleerde manier de chromatinevorming bestuderen, en zijn link met de DNA-replicatie, waar meer dan 50 verschillende eiwitten bij betrokken zijn.”

Asymmetrische wisselwerking

Met behulp van deze systemen hebben de onderzoekers ontdekt dat er een verschil bestaat in de manier waarop chromatine wordt gevormd op de twee gekopieerde DNA-strengen. Gedeelde eerste auteur Bruna Eckhardt licht toe: “Tijdens de DNA-replicatie is er een verschil tussen de twee DNA-strengen. De ene streng, die we de leidende streng of leading strand noemen, wordt als één onafgebroken stuk gekopieerd. De volgende streng of lagging strand wordt daarentegen in kleine stukjes gemaakt, die na afloop met elkaar worden verbonden. We wisten al dat de leidende en volgende streng verschillende eiwitten bevatten. Wat wij nu ontdekt hebben, is dat dit effect heeft op hoe de chromatine-machinerie op de verschillende strengen de DNA-replicatie beïnvloedt.” Het team richtte zich hierbij vooral op het eiwit CAF-1. Deze zogenaamde ‘histon-chaperonne’ bindt aan histonen en begeleidt deze naar het zojuist gekopieerde DNA. Daarmee maakt CAF-1 dus het chromatine-verpakkingssysteem. Eckhardt: “In samenwerking met het laboratorium van Anja Groth aan de Universiteit van Kopenhagen, tonen we aan dat CAF-1 inderdaad chromatine vormt op beide DNA-strengen. De wisselwerking tussen CAF-1 en de enzymenEen eiwit dat een specifieke chemische reactie versnelt, bijvoorbeeld de afbraak van een molecuul. Tijdens deze reactie wordt het enzym zelf niet verbruikt, waardoor het zijn functie keer op keer kan uitoefenen. Enzymen bevinden zich zowel binnen als buiten de cel. van de DNA-replicatie blijkt echter te verschillen tussen de twee strengen.” Rouillon voegt hieraan toe: “Onze resultaten suggereren dat DNA-replicatie en chromatinevorming niet tegelijkertijd kunnen plaatsvinden op de leidende DNA-streng, terwijl deze twee processen gekoppeld zouden kunnen zijn op de volgende streng. Dit is in lijn met het feit dat DNA-replicatie van zichzelf een asymmetrisch proces is, met verschillen tussen de twee DNA-strengen.”

Medicatie gericht op chromatinevorming

De resultaten van het onderzoek zijn verrassend, omdat eerder altijd werd gedacht dat DNA-replicatie en chromatinevorming onafhankelijk van elkaar gebeurden. “Onze data laten zien dat er een functionele interactie tussen de twee is. Dit betekent dat als je één van de processen beïnvloedt, dat ook effect heeft op de andere,” vertelt groepsleider Francesca Mattiroli. De bevindingen van het team geven niet alleen nieuwe inzichten in DNA- en chromatinereplicatie, fundamentele processen waar we niet zonder kunnen leven, ze bieden ook mogelijkheden voor kankeronderzoek. Mattiroli: “Deze processen zijn vaak ontregeld in kankercellen en we weten ook dat CAF-1 betrokken is bij de progressie van verschillende typen kanker. Het beter begrijpen van de normale werking van CAF-1 is daarom essentieel om uiteindelijk nieuwe kankermedicatie te kunnen ontwikkelen die zich richt tegen dit eiwit.”

Publicatie

CAF-1 deposits newly synthesized histones during DNA replication using distinct mechanisms on the leading and lagging strands. Clément Rouillon*, Bruna V. Eckhardt*, Leonie Kollenstart*, Fabian Gruss, Alexander E.E. Verkennis, Inge Rondeel, Peter H.L. Krijger, Giulia Ricci, Alva Biran, Theo van Laar, Charlotte M. Delvaux de Fenffe, Georgiana Luppens, Pascal Albanese, Koichi Sato, Richard A. Scheltema, Wouter de Laat, Puck Knipscheer, Nynke H. Dekker, Anja Groth and Francesca Mattiroli. Nucleic Acids Research, 2023.

* Deze auteurs hebben evenveel bijgedragen.