Onderzoekers werpen nieuw licht op DNA-replicatie

Nieuws - 26 maart 2021 - Communication TNW

In voorbereiding op de celdeling moeten cellen hun DNA kopiëren (‘replicatie’). In samenwerking met onderzoekers van het Francis Crick Institute in Londen heeft een team van onderzoekers van de TU Delft nu aangetoond dat de eiwitbouwstenen die betrokken zijn bij de eerste stappen van DNA-replicatie beweeglijk zijn, maar dat ze bij specifieke DNA-sequenties op het genoom hun snelheid minderen. Hun bevindingen, die op 26 maart gepubliceerd zijn in het open access tijdschrift Nature Communications, waren te danken een integrale benadering van biofysica en biochemie die nieuwe ontdekkingen op dat gebied zal bevorderen.

DNA-replicatie is essentieel voor het bestaan; gedurende ons leven kopiëren we een lichtjaar aan DNA. Dit kopiëren moet zeer precies worden uitgevoerd door een moleculaire machine bestaande uit eiwitcomponenten en wordt zorgvuldig gereguleerd. Hoe eiwitcomponenten gereguleerd worden in de waterige omgeving van de cel is echter zeker niet altijd duidelijk.

Bottom-up benadering

Om de dynamiek van de eerste fase van DNA-replicatie te bestuderen werkte het team van de TU Delft onder leiding van Spinozalaureaat prof. dr. Nynke Dekker samen met groepsleider dr. John Diffley van het Francis Crick Institute om een bottom-up benadering toe te passen waarbij het eerste deel van het replicatiesysteem werd opgebouwd uit de individuele onderdelen op een enkel DNA-molecuul, dat op zijn plaats werd gehouden met een optisch pincet. Door fluorescerende labels te verbinden aan de eiwitten die van belang zijn, konden de onderzoekers hun bewegingen op het DNA zichtbaar maken.

Op deze manier stelden de onderzoekers voor de eerste keer vast dat het eiwit dat de bouw van het replicatiesysteem op gang brengt (het Origin Recognition Complex (ORC) – ontdekt door dr. Bruce Stillman, de winnaar van de Dr. H.P. Heinekenprijs voor Biochemie en Biofysica van 2020) een mobiel eiwit is dat langs het DNA diffundeert. Belangrijk is echter dat die beweging tot stilstand wordt gebracht bij specifieke DNA-sequenties waarvan eerder is vastgesteld dat ORC daar een grote affiniteit mee heeft. De reductie van ORC-mobiliteit bij deze sequenties faciliteert vervolgens de assemblage van aanvullende onderdelen van het replicatiesysteem op deze plaatsen op het DNA.

Fluorescentie-afbeeldingen tonen het gedrag van het Origin Recognition Complex (ORC)-eiwit dat groen gelabeld is wanneer het aan DNA gebonden is (niet fluorescerend). De stippellijnen tonen de baan van de eiwitten (blauw staat voor de begintijd, rood voor de latere tijd). In het bovenste vlak is het ORC-eiwit gedurende de gehele observatieperiode statisch en gebonden aan de oorsprong van de replicatie. In het onderste vlak diffundeert het ORC-eiwit willekeurig op het DNA tot het de oorsprong lokaliseert.

Nieuw licht

Met deze aanpak hebben de onderzoekers ook ontdekt dat het belangrijkste motoronderdeel van het replicatiesysteem (bekend als MCM) zich niet alleen in zijn klassieke dubbele hexameervorm stabiel met het DNA kan verbinden, maar ook in de tot nu toe onbekende enkele hexameervorm, losgekoppeld van ORC, die aanzienlijke mobiliteit laat zien. Deze uitbreiding van kennis over de vormen die MCM op DNA aanneemt zou kunnen betekenen dat de rol ervan binnen cellen groter is dan waar de huidige kennis in de handboeken op duidt.

Met dit werk werpen de onderzoekers van de TU Delft en het Francis Crick Institute nieuw licht op een fundamenteel biologisch proces dat ons dagelijks leven beïnvloedt door het verband met embryo-ontwikkeling, weefselregeneratie en kanker. Zoals dr. Humberto Sánchez, de eerste auteur van het werk, zegt: “We staan pas net aan het begin van een moleculaire reis vol verrassingen.”

Dr. Humberto Sanchez González

/* */