Tollen met DNA
31 maart 2005
Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben, in
samenwerking met collega's van de Ecole Normale Supérieure in Parijs
en het Sloan-Kettering Institute in New York en met financiële steun
van de Stichting FOM, voor het eerst op moleculair niveau het
mechanisme ontrafeld waarmee de natuur torsie uit DNA-strengen haalt.
Bij de mens doet het enzym topoisomerase IB dat. De onderzoekers
konden één enkel topoisomerase-enzym in de tijd volgen terwijl het
werkte op één enkel DNA-molecuul.
Het topoisomerase omklemt het DNA en knipt één van de twee
DNA-strengen door, laat het DNA vervolgens uittollen en plakt de
gebroken eindjes tenslotte weer aan elkaar. Met hun gevoelige
meetapparatuur konden de onderzoekers onder andere de wrijving meten
van het ronddraaiende DNA in een holte van het enzym. Het onderzoek
leidt tot nieuwe inzichten in de interacties tussen DNA en het enzym,
hetgeen van fundamenteel belang is voor het begrip van celdeling. De
onderzoekers publiceren hun bevindingen in de Nature van 31 maart
2005. Een artistieke impressie van het enzym aan het werk siert de
omslag van het blad.
DNA bestaat uit twee lange strengen die met basen steeds per paar in
elkaar grijpen. De beide strengen draaien als een wenteltrap om elkaar
heen, met de basenparen als 'traptreden'. De genetische informatie
ligt opgeslagen in de volgorde van de basenparen in het DNA. Tijdens
celdeling wordt genetische materiaal gekopieerd en de enzymen die
hiervoor verantwoordelijk zijn moeten de basensequentie kunnen
uitlezen. Hiertoe moet het DNA plaatselijk ontwonden worden. Door dit
ontwinden van het DNA ontstaan torsiekrachten in het DNA die groter
worden naarmate de celdeling voortschrijdt. Deze krachten kunnen het
proces van celdeling vertragen en onder bepaalde omstandigheden zelfs
stoppen. Het zijn deze torsiekrachten in het DNA die het enzym
topoisomerase IB, het onderwerp van de Delftse studie, kan verlichten.
Het mechanisme waarmee het enzym torsie uit het DNA haalt is als
volgt: het enzym omsluit de dubbele streng van het DNA als een soort
klem en knipt vervolgens tijdelijk één van de twee DNA-strengen door.
Door opgebouwde torsiespanning in het DNA zal het dan gaan tollen om
de niet-doorgeknipte streng. Na een aantal draaiingen 'grijpt' het
topoisomerase het tollende DNA weer vast en 'lijmt' (ligeert) het de
gebroken strengen weer netjes aan elkaar.
Daniel Koster, Vincent Croquette (Ecole Normale Supérieure in Parijs),
Cees Dekker, Stewart Shuman (Sloan-Kettering Institute in New York) en
Nynke Dekker hebben nu het mechanisme op een directe manier en met
veel meer precisie weten te ontrafelen. Nieuwe elementen zoals de
wrijving konden hierdoor in kaart worden gebracht. In het laboratorium
bevestigen ze een stuk DNA tussen een glasplaatje en een magnetisch
bolletje. Met behulp van twee roteerbare magneten kunnen ze zowel
trekken als draaien aan het DNA-molecuul. Het experiment lijkt op een
moleculaire variant van het draaien aan een schoenveter: na een aantal
draaiingen zullen er lussen ontstaan in de schoenveter, die in het
geval van DNA 'supercoils' heten. Hoe groter de verdraaiing, hoe meer
'supercoils' er ontstaan. Wanneer ze nu een topoisomerase (in het
bijzonder vaccinia TopIB) toevoegen aan een verdraaid stuk DNA, dan
zien ze de streng DNA stapsgewijs langer worden. Elke stap betekent
dat er 'supercoils' verwijderd zijn. In 'real-time' wordt zo de actie
van één enkel topoisomerase-enzym op één enkel DNA-molecuul bekeken.
De preciese werking van topoisomerase IB is ook van belang voor
kankeronderzoek. Medicijnen die de werking van topoisomerase IB
hinderen zijn al in gebruik in de kliniek, maar kunnen wellicht worden
verbeterd met kennis die het onderzoek oplevert.
Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek