Het hoofddoel van ons onderzoek is om te begrijpen hoe het celdelingsproces twee genetisch identieke dochtercellen voortbrengt. We zijn vooral geïnteresseerd in de processen die correcte chromosoomverdeling tijdens mitose verzekeren. Dit is niet alleen fascinerend vanuit een moleculair perspectief (hoe doet een cel dat) en een evolutionair perspectief (hoe heeft dit ingewikkelde proces zich ontwikkeld en zijn er betekenisvolle verschillen tussen verschillende soorten), maar het heeft ook implicaties voor gezondheid en ziekte: fouten in chromosoomverdeling zijn een belangrijke oorzaak van geboorteafwijkingen en embryonale sterfte bij mensen, en de meest voorkomende genetische verandering in humane tumoren is afwijkende aantallen chromosomen, genaamd aneuploïdie. Tenslotte, zoals wij en anderen hebben aangetoond, hebben fouten in chromosoomverdeling tijdens mitose dramatische secundaire gevolgen voor genoomintegriteit, waaronder translocaties, deleties en chromosoomverpulvering (chromothripsis).

Enkele belangrijke feiten over mitose

Tijdens de mitotische fase van de celcyclus wordt het gedupliceerde genoom in de vorm van gecondenseerde chromosomen verdeeld over de dochtercellen. Vanaf de S-fase zijn de twee kopieën van elk chromosoom (zusterchromatiden genoemd) verbonden door moleculaire ringen en elk kopie probeert verbindingen aan te gaan met microtubuli-spoelen die ontstaan uit twee spoelpolen. Als één zuster zich heeft gebonden aan de ene pool moet de andere zich binden aan de andere pool. Aangezien de twee polen zich aan tegenovergestelde kanten van de cel bevinden, maakt deze ‘bipolaire’ verbinding van de zusters het mogelijk dat elk zusterchromatide naar tegenovergestelde kanten wordt getrokken zodra de ring-verbindingen verwijderd zijn. De cel initieert deze fase van zusterseparatie alleen wanneer alle chromosomen gebonden zijn op een bipolaire manier. Na chromosoomverdeling creëert de cel een splijtlocatie tussen de twee segregerende genomen, wat resulteert in twee verschillende, maar genetisch identieke dochtercellen.

Het proces van het genereren van een bipolaire verbinding staat bekend als bi-oriëntatie. Bi-oriëntatie is een heel dynamisch en relatief snel proces dat een wisselwerking is tussen het microtubuli-gebaseerde trekapparaat (de mitotische spoel), de verbindingsplaats van de spoel op elke zuster (de kinetochoor), en eiwitten die de interactie reguleren tussen kinetochoor en spoel. Om genetische onbalans na celdeling te voorkomen, moet de cel er zeker van zijn dat alle 46 gedupliceerde chromosomen (in het geval van een diploïde humane cel) gebi-oriënteerd zijn en klaar zijn om in tegenovergestelde richtingen getrokken te worden. Hiervoor heeft zich een surveillance mechanisme ontwikkeld (het spoel samenstelling checkpoint) dat de verbindingsstatus van elke individuele kinetochoor aan spoelmicrotubuli in de gaten houdt. De cel heeft geen toestemming om verder te gaan met chromosoomverdeling als ook maar één kinetochoor niet correct verbonden is aan de spoel (en dus als het chromosomenpaar niet goed gebioriënteerd is).

Projecten

Moleculaire mechanismen van chromosoomverdeling

Kinetochoren zijn extreem complexe samenstellingen van >100 eiwitten in honderden kopieën, gebonden aan centromerische DNA sequenties. Kinetochoren verzorgen binding van chromosome aan spoelmicrotubuli, chromosoom bi-oriëntatie en spoelcheckpoint signalering. Wij willen weten hoe kinetochoren deze processen regelen en integreren in ruimte en tijd. Daarom bestuderen we functies van kinetochooreiwitten en spatio-temporele regeling van kinase/fosfatase signaleringscomplexen, in het bijzonder degenen die betrokken zijn bij het corrigeren van verbindingsfouten en het spoel samenstelling checkpoint. Hiervoor gebruiken we gensubstitutie, imaging van levende en gefixeerde cellen, conditionele lokalisatie en (in)activatie benaderingen, proteomics, biochemie en structurele biologie.

Evolutionaire celbiologie van kinetochoren en het spoelcheckpoint

In samenwerking met de groep van Berend Snel van de afdeling Theoretische Biologie (Universiteit Utrecht), achterhalen we de herkomst en evolutie van de belangrijkste kinetochoor- en spoel-checkpoint-eiwitmodules, met als doel het definiëren van de oeroude mechanieken en het aanduiden van geconserveerde en verworven functionele domeinen en motieven. Voorspelde connecties in eitwitnetwerken en mogelijke nieuwe functionele motieven worden experimenteel getest. Verder richten we ons op het begrijpen van de herkomst en oorzaken van evolutionaire verscheidenheid in eiwitnetwerken bij chromosoomverdeling, gebruikmakend van verschillende modelorganismen zoals Tetrahymena thermophila en Toxoplasma gondii. 

Chromosomale instabiliteit, aneuploïdie en kanker

Aneuploïdie (een abnormale hoeveelheid chromosomen) is de meest voorkomende genetische verandering in humane tumoren en een belangrijke oorzaak van geboorteafwijkingen (afbeelding 4). Aneuploïdie is een manifestatie van een Chromosomale Instabiliteit (CIN) fenotype: de neiging van een cel om frequente fouten in chromosoomverdeling te maken. CIN heeft invloed op tumorformatie en ontwikkeling op verschillende manieren, bijvoorbeeld door het stimuleren van het verlies van tumorsuppressor-functie, of door het veroorzaken van uitgebreide genomische herrangschikkingen (video 1).

We gebruiken 3D stamcel (‘organoïde’) kweken van muizen en mensen om de aanwezigheid, het niveau en de moleculaire oorzaken van CIN in kanker te bestuderen (video 2). We bestuderen ook het erfelijke kanker predispositiesyndroom Mosaic Variegated Aneuploidy (OMIM 257300) dat wordt gekenmerkt door uitgebreide aneuploïdie en kinderkanker. Wij willen begrijpen welke mutaties ten grondslag liggen aan deze ziekte en hoe deze mutaties fouten veroorzaken in chromosoomverdeling.

Verschillende niveaus van fouten in chromosoomverdeling hebben verschillende consequenties voor weefsels en organismen, variërend van oncogeen tot tumor-onderdrukkend tot letaal. Het is echter onbekend welke niveaus welke consequenties hebben in welke weefsels. Wij hebben muismodellen gegenereerd waarin chromosomale instabiliteit geïnduceerd kan worden op verschillende niveaus. Door dit te combineren met een verscheidenheid aan kankermodellen zal bekend worden wanneer en waar bepaalde niveaus van fouten in chromosoomverdeling impact hebben op de gezondheid van het organisme en tumorontwikkeling.

CIN kan de achilleshiel van de kankercel zijn. Aan de ene kant draagt CIN bij aan oncogene transformatie en stuurt het tumorcel evolutie. Aan de andere kant leidt teveel CIN tot letaal verlies van genen en genoomschade. Het versterken van fouten in chromosoomverdeling veroorzaakt inderdaad efficiënte celdood in kankercellen. Deze aanpak is daarom een mogelijke nieuwe kankertherapie. Tumormuismodellen worden onderzocht op tumorceldood na conditionele en weefselspecifieke reductie in mitotische betrouwbaarheid en behandeling met therapeutisch relevante mitotische giffen zoals paclitaxel.