Een naald in een hooiberg: hoe wordt een gebroken DNA-molecule hersteld?
07 mei 2012 door M&C TNW
Wetenschappers van het Kavli Institute of Nanoscience van de TU Delft hebben een sleutelonderdeel van het mechanisme voor DNA-herstel ontdekt. Als er een breuk in de dubbele helix van het DNA optreedt, gaat het losse uiteinde op zoek naar eenzelfde DNA sequentie en gebruikt deze als sjabloon voor de reparatie. Met behulp van een slimme nieuwe techniek om twee moleculen te manipuleren heeft de Delftse onderzoeksgroep ontdekt hoe het mogelijk is dat het DNA-molecule dit zoek- en herkenningsproces zo effectief kan uitvoeren. De onderzoekers doen vandaag verslag van hun resultaten in Molecular Cell.
Een schijnbaar onoverkomelijk probleem
Soms treedt er een breuk op in de dubbele helix van het DNA: beide strengen worden dan per ongeluk doorgesneden. Dit levert een groot probleem om omdat cellen dergelijk beschadigd DNA niet kunnen verdragen. Dergelijke instabiliteiten van het genoom zijn een bekende oorzaak van kanker.
Het goede nieuws is echter dat er een ingewikkeld reparatiesysteem voor DNA bestaat, dat verrassend feilloos en efficiënt is. Hoe werkt dit? Eerst wordt op de afgebroken DNA-streng door eiwitten een filamentstructuur gevormd. Dan onderzoekt dit filament onlangs gekopieerd DNA of het tweede DNA-chromosoom (we hebben immers twee kopieën van elk chromosoom), op zoek naar een DNA-sequentie die overeenkomt met die van het afgebroken uiteinde. Dit is natuurlijk een bijna onmogelijke klus: doordat ons menselijk genoom drie miljard basenparen bevat, om maar een voorbeeld te noemen, is het zoeken van de paar honderd basenparen die we nodig hebben als het zoeken van een naald in een hooiberg.
‘Toch vindt dit zoekproces in een paar minuten plaats, op zeer efficiënte wijze. Hoe dat kan is al tientallen jaren een mysterie. De nieuwe experimenten die door onze groep zijn gedaan, onthullen een belangrijke stap in het proces, de stap van de moleculaire herkenning’, zegt wetenschapper Iwijn de Vlaminck, de postdoc die de experimenten in de groep van prof. Cees Dekker in Delft uitvoerde.
Zoekoperatie
‘In bacteriën is het zogenaamde RecA-eiwit verantwoordelijk voor het uitvoeren van de zoekoperatie. In bacteriën van het type E. colizoekt een filament van het RecA-eiwit dat op het DNA is gevormd met opmerkelijke snelheid en betrouwbaarheid een sequentie binnen een tweede DNA-molecule. Daartoe komen afzonderlijke RecA-moleculen eerst samen om een filament op het afgebroken DNA te vormen. Het filament grijpt dan DNA-moleculen in de buurt vast en vergelijkt hun sequentie met die van het afgebroken DNA. Wanneer een passende sequentie wordt gevonden, verbinden beide moleculen zich hecht met elkaar, waarna herstel kan plaatsvinden’, aldus De Vlaminck (sinds kort verbonden aan Stanford University).
‘We ontdekten dat de secundaire bindingsplaats van het filament voor het DNA tijdens het zoeken naar homologie samenwerkt met één streng van het inkomende DNA. Herkenning wordt bereikt na het binden van beide strengen van het inkomende DNA aan elk van de twee DNA-bindende plekken in het filament.’
De gegevens laten zien dat de precisie van het zoekproces wordt bepaald door de afstand tussen de bindingsplaatsen van het DNA. De Delftse experimenten verhelderen wat er precies gebeurt bij het vergelijken van de sequenties van de twee moleculen. Het wordt duidelijk waarom een ‘foute’ sequentie tot een snelle scheiding van de moleculen leidt, terwijl een ‘juiste’ sequentie tot een sterke binding leidt, zodat het DNA kan worden hersteld. Dit zijn de twee elementen die zorgen voor de indrukwekkende snelheid en efficiëntie van het DNA-herstelproces.
Nieuw instrument
Het team van de TU Delft ontwikkelde een uniek nieuw instrument dat het mogelijk maakt om een afzonderlijk DNA-molecule en een afzonderlijk RecA-filament te manipuleren en om de sterkte van intermoleculaire interactie te meten. Dit instrument voor manipulatie van twee moleculen combineert een magnetisch pincet en manipulatie van DNA-moleculen via laser-gestuurde balletjes met een laminair luchtstroomsysteem. Deze opzet maakte het ook mogelijk dat de DNA-helix iets wordt ontrold, waardoor gebieden worden geopend waar de normale dubbele keten is gedestabiliseerd. Dit effect bleek cruciaal voor het moleculaire herkenningsproces. Zo kon het team de sterkte testen van de interactie tussen de twee bij het zoeken en herkennen betrokken moleculen, en hiervoor een nieuw model opstellen.
Meer informatie
Prof.dr. Cees Dekker
Kavli Instituut voor Nanoscience
Lorentzweg 1, 2628 CJ Delft
Nederland
E-mail: c.dekker@remove-this.tudelft.nl
Artikelinformatie
"Mechanism of homology recognition in DNA recombination from dual-molecule experiments"
door Iwijn De Vlaminck, Marijn van Loenhout, Ludovit Zweifel, Johan den Blanken, Koen Hooning, Susanne Hage, Jacob Kerssemakers en Cees Dekker
Verschijnt online op 3 mei in Molecular Cell.
Een pdf-bestand van het artikel kan op verzoek toegestuurd worden: c.dekker@remove-this.tudelft.nl
Afbeelding
Onderstaande afbeelding kan gratis worden gebruikt voor nieuwsartikelen, op voorwaarde dat de bron op de juiste wijze wordt vermeld: ‘Afbeelding Cees Dekker lab TU Delft / Tremani’
Via e-mail kan om een afbeelding met hoge resolutie worden gevraagd: c.dekker@remove-this.tudelft.nl
Onderschrift afbeelding:
Als er een breuk is opgetreden in een DNA-molecule, gaan de uiteinden ervan voor herstel op zoek naar een intacte DNA-regio met dezelfde DNA sequentie. Op de afbeelding is een tekening te zien van het contactpunt tussen een DNA-molecule met RecA-eiwit (het ‘afgebroken uiteinde’, horizontaal) en een DNA-molecule (verticaal), waar wordt onderzocht of beide moleculen dezelfde sequentie bevatten. Als dit niet het geval is, wordt het contact verbroken. Als echter dezelfde sequentie wordt gevonden, gaan de moleculen een stabiele verbinding aan en wordt het herstelproces gestart. In dit onderzoek werd het mechanisme van het herkenningsproces blootgelegd in experimenten met twee moleculen waarbij DNA-moleculen konden worden gemanipuleerd met micron-grote balletjes die fungeren als pincetten.
