Herstel DNA-mantel gebeurt in één keer in plaats van stapsgewijs

Het repareren van chromatine, de inwendige mantel die DNA in de celkern beschermt, gebeurt in één keer door één hersteleiwit in plaats van door meerdere eiwitten tijdens een stapsgewijs proces. Het verantwoordelijke eiwit is flexibel en kan daardoor verschillende componenten tegelijk repareren. Dat ontdekten biochemici van de UU en drie andere Nederlandse onderzoeksinstellingen, die hun resultaten publiceren in het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances.

Chaos voorkomen en bescherming bieden

Bij dieren, planten en schimmels zit in de kern van elke lichaamscel lange strengen erfelijk materiaal in de vorm van DNA, bij mensen wel zo’n 2 meter. Dat past in de minuscule celkern, doordat het DNA zo sterk en in meerdere richtingen is opgerold, dat het niet langer is dan enkele micrometers – één micrometer is een duizendste millimeter. Daartoe zijn histon-eiwitten aan het DNA gekoppeld, waaromheen het DNA is gewonden. Samen vormen het DNA en deze histonen het zogeheten chromatine. Biomoleculair onderzoeker en expert op het gebied van opgelostestof-NMR-technologie Hugo van Ingen van de Universiteit Utrecht: “De inwendige chromatine-mantel is van cruciaal belang om te zorgen dat de genetische informatie op de juiste manier wordt beschermd.”

De histonen in chromatine geven aan of bepaalde eiwitten moeten worden afgeschreven. Histonmutaties spelen een rol in een aantal soorten kanker en immuunreacties.

Chromatine is bovendien verantwoordelijk voor het reguleren van alle activiteit op het DNA: de verschillende soorten histon-eiwitten bevatten belangrijke informatie die aangeeft of bepaalde genen moeten worden afgeschreven. “Mutaties in deze eiwitten spelen een rol in een aantal soorten kanker en immuunreacties”, zegt Van Ingen. “Daarmee hebben histonen een epigenetische functie: ze zijn niet zelf onderdeel van het DNA, maar bevatten wel belangrijke erfelijke informatie.”

Histonen verwijderen en terugplaatsen

Ondanks de beschermende rol van chromatine, wordt DNA regelmatig beschadigd, of kan het zelfs in stukken breken en dat levert grote risico’s op. Het is daarom van belang om in de celkern continu niet alleen DNA-schade te herstellen, maar ook de chromatinemantel. Wanneer DNA breekt, wordt chromatine lokaal tijdelijk afgebroken om de DNA-schade te herstellen. Van Ingen: “De vier verschillende kernhistonen worden opgevangen en na het herstel van het DNA weer teruggezet.” Dat weghalen en terugplaatsen gebeurt door weer een ander type eiwitten: chaperonne-eiwitten.

Dit chaperonne-eiwit is super flexibel. Het kan alle vier de kernhistonen perfect tegelijkertijd opvangen en op de juiste wijze in de mantel inbouwen.

Tot nu toe werd gedacht dat het terugplaatsen van de histonen een stapsgewijs proces is waarbij twee of zelfs meerdere chaperonne-eiwitten betrokken zijn. Maar nu heeft promovendus Ivan Corbeski uit de onderzoeksgroep van Van Ingen, onder andere met behulp van NMR-technologie, ontdekt dat een enkel chaperonne-eiwit het chromatine kan herstellen. Van Ingen: “We merkten al vroeg in ons onderzoek dat het verantwoordelijke chaperonne-eiwit, APLF genaamd, super flexibel is. Het heeft dan ook geen eenduidige structuur en daardoor kan het alle vier de kernhistonen perfect tegelijkertijd opvangen en op de juiste wijze in de mantel inbouwen.”

Paradigma-veranderend

Om de sterke aanwijzingen voor het eenstaps-chromatine-herstel te kunnen bewijzen, zetten de biochemici van de UU enkele samenwerkingsverbanden op. Het Hubrecht Instituut deed moleculair-biologische proeven, onderzoekers van het Nederlands Kanker Instituut ontrafelden de kristalstructuur van APLF, en celbiologen van het Leids Universitair Medisch Centrum onderzochten de functie van het chaperonne-eiwit in levende cellen. Van Ingen: “Daarmee hebben we vanuit meerdere moleculaire disciplines bewijs kunnen vergaren voor onze paradigma-veranderende hypothese dat DNA-herstel gebeurt via één stap in de celkern. Waaróm het proces hier zo anders gebeurt dan in de vele processen in het lichaam waar eigenlijk altijd meerdere chaperonne-eiwitten bij betrokken zijn, is voor ons een volgende vraag.”