Niet inpakken, vouwen: Bacteriën organiseren hun DNA ook (maar iets anders)

Ik denk niet dat dat helemaal klopt, dacht professor Remus Dame toen hij de publicatie van een groep collega-onderzoekers las. ‘Ze hadden dezelfde eiwitstructuur gevonden als mijn collega’s Birte Hernandeze Alvarez en Vikram Alva van het Max Planck Instituut voor Biologie in Tübingen, Duitsland. Hij ontdekte het eiwit een paar jaar geleden. De manier waarop dit eiwit zich aan DNA bindt lijkt mij volgens hen heel onlogisch.’

Houd DNA veilig en netjes

Dame en zijn collega’s bestudeerden een speciaal type eiwit: histonen. Histonen spelen een belangrijke rol bij de organisatie van DNA in de cellen van eukaryoten (cellen met celkern) en archaea (eencellige organismen zonder celkern, zie kader). Dame: ‘DNA-moleculen zijn heel lang en bevatten cruciale informatie voor de cel. Om het DNA veilig en compact te houden, wikkelt een cel zich strak om de DNA-strengen. Dat gebeurt rond “bollen” die uit histonen bestaan.’ Door DNA op een specifieke manier rond deze histonkralen te draaien, kan de cel ook regelen welke genen wel of niet leesbaar zijn en dus tot expressie komen.

‘Precies het tegenovergestelde van wat je zou verwachten’

Voor het eerst hebben zowel de andere onderzoeksgroep als hun collega’s van het Max Planck Instituut ook een histoneiwit in een bacterie beschreven. ‘Dat is nog nooit eerder gedaan’, zei Dame. ‘De code en structuur van DNA leken op een simpele versie van ‘onze’ (menselijke) histonen. De vraag was alleen: hebben ze ook dezelfde functie? Nee, volgens de concurrerende groep beschreven ze een eiwit dat zich om bacterieel DNA wikkelt en het vervolgens uitrekt. Dame: ‘Precies het tegenovergestelde van wat je zou verwachten. Daarom heb ik contact opgenomen met onze collega’s in Duitsland. Yimin Hu, promovendus aan het Max Planck Instituut, loste de structuur van het eiwit-DNA-complex op en we konden de functie van het eiwit bepalen. En toen ging alles heel goed.’

‘Het maakt DNA juist compact’

Het team van Dame voerde uitgebreide biochemische analyses en experimenten met één molecuul uit. Je bestudeert individuele moleculen, in plaats van grote hoeveelheden tegelijk. Dame: “We konden laten zien dat dit eiwit precies doet wat je zou verwachten: het bindt zich op een heel andere manier aan bacterieel DNA en maakt het daadwerkelijk compact.”

Niet inpakken, vouwen

Maar dit gebeurt anders dan bij andere levensvormen. In eukaryoten vormen histonen structuren die uit acht eenheden bestaan. Samen vormen ze een bolletje eiwitten waar het DNA omheen gewikkeld is. Bij archaea komt dit ook voor, maar hier is het aantal eenheden oneindig groot. Hierdoor ontstaan ​​structuren in de vorm van staven. Bij bacteriën is dat heel anders: daar vormen de eiwitten twee eenheden die het DNA niet inpakken, maar compact vouwen.

Maak het onzichtbare zichtbaar

DNA is te klein om met het blote oog te zien. Hoe onderzoek je dan het effect van een eiwit op dat DNA? Om dit te doen, bedachten de onderzoekers een eenvoudige maar ingenieuze methode. Dit omvat het toevoegen van histoneiwitten aan individuele DNA-strengen en kijken wat er gebeurt. De opzet is vrij eenvoudig: de DNA-streng zit aan de ene kant vast aan een glasplaat, terwijl de andere kant los in het water hangt, als een omgekeerde slinger. Aan dit losse uiteinde zit een plastic balletje, dat je met een eenvoudige microscoop kunt zien.

Omdat de ballen aan de bodem zijn bevestigd, is de straal waarbinnen ze kunnen bewegen beperkt. Dan voeg je een eiwit toe. Promovendus Samuel Schwab legt uit: ‘De beweging van de kralen vertelt ons wat er naast het DNA gebeurt. Als we een eiwit toevoegen dat DNA compacter maakt, zoals ons histoneiwit, zien we dat de kralen minder bewegen. Naarmate het DNA langer wordt, zul je meer beweging zien. Zo kan indirect informatie worden verkregen over de functie van een eiwit.’

Het ontstond vroeg in de evolutie.

Het onderzoek leert ons meer over hoe histonen in bacteriën functioneren, maar werpt ook nieuw licht op de vroege evolutie van deze cruciale eiwitten. Het feit dat in sommige bacteriën al een eenvoudige vorm van histonen voorkomt, suggereert dat ze vroeg in de evolutie zijn ontstaan. “Het is moeilijk om dat precies vast te stellen”, zegt Dame. “Maar onze ontdekking laat zien dat bacteriële histonen een vroege, basale vorm kunnen zijn van de meer complexe eiwitbollen die voorkomen in eukaryoten en archaea. Zelfs de eenvoudigste levensvormen gebruikten blijkbaar al geavanceerde mechanismen om hun genen te beheren. Op deze manier krijgen we beetje bij beetje een dieper inzicht in de fundamentele overeenkomsten en verschillen tussen de organismen van onze evolutionaire stamboom.’

Wetenschappelijk artikel

Yimin Hu, Samuel Schwab, Silvia Deiss, Pedro Escudeiro, Thor van Heesch, Joe D Joiner, Jocelyne Vreede, Marcus D Hartmann, Andrei N Lupas, Birte Hernandez Alvarez, Vikram Alva, Remus T Dame, Bacteriële histon HBb de Bdellovibrio bacteriovorus compacteer het DNA door het te vouwen, Nucleïnezuuronderzoek2024;, gkae485, https://doi.org/10.1093/nar/gkae485

Hilde Pracht