28 mei 2019

Eiwitcomplex in celkern ontstond uit vele oer-eiwitten

Systeem dat cellen helpt delen, is als een mozaïek

Het eiwitcomplex dat cellen van dieren, planten en schimmels gebruiken om zich te delen, is lang geleden ontstaan uit tenminste 40 verschillende eiwitten. Dat kan het grote succes van alle cellen met een celkern verklaren, volgens onderzoekers van de Universiteit Utrecht en het Hubrecht Institute. Hun publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift PNAS is op 24 mei verschenen.

“Je zou misschien denken dat een schimmel meer lijkt op een bacterie dan op ons,” zegt Geert Kops, celbioloog aan het Hubrecht Institute. “Maar dat is niet het geval. In tegenstelling tot de prokaryote bacteriële cellen hebben eukaryote cellen van schimmels, planten en dieren een kern, waarin het DNA zit opgeslagen."

Celdeling bij cellen met een kern: microtubuli-draadjes (rood) trekken de chromosomen (blauw) naar twee zijden van de celkern. Op ieder chromosoom ligt een kinetochoor (lichte puntjes). Beeld: Banafseh Etemad

Hoewel beide soorten cellen hun DNA kunnen verdubbelen om dat vervolgens te verdelen over twee nieuwe dochtercellen, zijn de systemen waarmee prokaryoten en eukaryoten het DNA verdelen over de dochtercellen totaal verschillend. De eukaryoten maken daarbij gebruik van een zogenoemde kinetochoor, een eiwitcomplex dat wel eens cruciaal kan zijn geweest voor hun succes.

Kinetochoor geeft startsignaal metafase

Geert Kops is hoogleraar Moleculaire Tumorcelbiologie aan het Hubrecht Institute en gespecialiseerd in de eukaryote celdeling. “Het erfelijk materiaal ligt vast in het DNA van de chromosomen. Op beide chromatiden, de zusterstrengen van een chromosoom, zit tijdens de celdeling een eiwitcomplex in de vorm van een grijpertje zoals je die ziet op de kermis. Dit kinetochoor zorgt dat alle chromosomen eerst netjes op een rijtje in het midden van de kern komen te liggen. De cel deelt pas als alle kinetochoren afzonderlijk laten weten dat hun taak is volbracht. Dat is het startsignaal voor de metafase, waarin de chromatiden exact tegelijk uit elkaar worden getrokken.”

Hoogleraar Bioinformatica Berend Snel van de UU beschrijft hoe dat er live onder de microscoop uitziet: “Eerst ligt nog één chromosoom niet helemaal in het midden. En dan, zodra dat laatste chromosom erbij zit, is het ineens ‘bam’ en gaan alle chromatiden los en naar hun eigen helft.”

 

Geen tussenvorm, dus onmisbaar

In elke eukaryote cel die nu op aarde leeft, heeft dat kinetochoor een ingewikkelde bouw, terwijl prokaryote cellen juist helemaal geen kinetochoor bezitten. In de evolutieleer is de afwezigheid van simpele tussenvormen een aanwijzing voor het belang van het eiwit.

Berend Snel, theoretisch bioloog aan de Universiteit Utrecht (UU): “Dat maakt het voor ons des te relevanter om te achterhalen hoe het eiwitcomplex is ontstaan. Alle huidige kinetochoren moeten dezelfde afstamming hebben.”

De samenstelling van het kinetochoor in de laatste gezamenlijke voorouder (LECA) van alle huidige eukaryote cellen toont de diverse oorsprong van het eiwit. Klik op de afbeelding voor een groter formaat.

Data mining

Voormalige promovendi Eelco Tromer (Hubrecht Institute) en Jolien van Hooff (UU) konden die afstamming achterhalen door een verbeterde, meer gevoelige methode voor het zoeken naar vergelijkbare DNA-volgordes - en dus verwantschappen - te combineren met nieuwe inzichten in de samenstelling van het eiwitcomplex.

Berend Snel: “We maakten gebruik van door andere wetenschappers gepubliceerde 3D-structuren van subcomplexen van het kinetochoor. Via data mining in die informatie konden we achterhalen hoe het systeem is geëvolueerd. Het eiwitcomplex blijkt een waar mozaïek van tenminste 40 oer-eiwitten te zijn, die ook nog eens vele malen zijn gedupliceerd.”

Zwarte gat van de celdeling

De publicatie geeft inzicht in de ontwikkeling van het leven. Geert Kops van het Hubrecht Institute: “Een nauwkeurig gecoördineerde deling is essentieel voor het succes van een cel. Voor mij is het kinetochoor als het zwarte gat van de eukaryote celdeling. We willen graag weten hoe het systeem is ontstaan en hoe het functioneert in alle organismen op aarde. Dit werk draagt daaraan bij.”

Publicatie

Mosaic origin of the eukaryotic kinetochore
Eelco Tromer*^, Jolien J.E. van Hooff*^, Geert J.P.L. Kops^ en Berend Snel*
PNAS, 24 mei 2019
*  Verbonden aan de Universiteit Utrecht
^ Verbonden aan het Hubrecht Institute en Oncode Institute

 

Dit onderzoek maakt deel uit van Science for Life, één van de samenwerkingen binnen het Life Sciences onderzoek in Utrecht.