Je leest:

De kwalijke gevolgen van echtbreuk

De kwalijke gevolgen van echtbreuk

Auteur: | 1 februari 2004

Als cellen worden blootgesteld aan chemische stoffen of radioactieve straling, kunnen er breuken optreden in de chromosomen. De gebroken exemplaren dwalen door de celkern, wachtend op een nieuwe verbintenis. Daarbij kunnen ze grote afstanden overbruggen. Deze mobiliteit verklaart waarom betrekkelijk geringe schade aan DNA zulke ernstige gevolgen kan hebben. Want zo’n dwalend segment wordt nog wel eens aan een verkeerd chromosoom gekoppeld, waardoor kanker kan ontstaan. Onderzoekers van het AMC en het Erasmus Medisch Centrum beschreven het proces vorige maand in Science.

Waar gehakt wordt, vallen spaanders. In het ingewikkelde proces van celdeling en verdubbeling van het chromosomaal dubbelstrengs DNA gaat er wel eens iets mis, en vinden er soms breuken plaats in de lange DNA-strengen. Geen man overboord, want een cel beschikt over een geraffineerd moleculair reparatiemechanisme dat de breuk in het chromosoom heelt. Maar soms gaat het fout. Dan wordt het afgebroken gedeelte van het chromosoom vastgezet aan een ander exemplaar waarin ook een breuk is opgetreden. Een dergelijke chromosoom-translocatie leidt er vaak toe dat cellen ongebreideld gaan delen: tumorvorming. Dit fenomeen werd onder meer gevonden bij kinderen die schildkliertumoren ontwikkelden na de ramp met de kerncentrale in Tsjernobyl.

Sinds het begin van de vorige eeuw woedt er een wetenschappelijke discussie over de vraag hoe chromosoom-translocatie ontstaat. Er zijn verschillende theorieën. De eerste gaat ervan uit dat twee stukken chromosomaal DNA in nauw contact met elkaar komen, waarbij vervolgens breuken optreden die verkeerd verlijmd worden. Al in 1929 publiceerde de Russische bioloog Alexandr Serebrovsky bevindingen die hierop duiden. Hij toonde in cellen van de fruitvlieg – Drosophila – de uitwisseling van chromosoommateriaal aan tussen twee exemplaren die dicht op elkaar lagen.

De door Serebrovsky aangehangen contact-first-hypothese staat lijnrecht tegenover de breakage-first-hypothese uit 1940, die ervan uitgaat dat op willekeurige plaatsen in de celkern breuken optreden die pas daarna naar elkaar toe trekken. Onderzoekers van de afdeling Celbiologie en histologie van het AMC en hun collega’s van de afdelingen Genetica en Radiotherapie van het Erasmus MC hebben nu bewijs gevonden voor de breakage-first-hypothese.

Chromosoom-translocatie Bron: http://library.thinkquest.org

Zwaan-kleef-aan

De onderzoekers ontwikkelden een opstelling waarbij cellen worden blootgesteld aan een lage dosis alfa-straling. De gebruikte dosis is zo laag dat cellen worden geraakt door één radioactief alfa-deeltje. Zo’n deeltje veroorzaakt een rechtlijnig spoor van DNA-breuken in de – verspreid in de celkern liggende – chromosomen. Deze breuken kunnen zichtbaar gemaakt worden met een fluorescerende kleurstof, zodat ze onder de fluorescentiemicroscoop oplichten als pareltjes aan een rijgdraad.

‘Binnen enkele minuten zie je dat de structuur gaat veranderen’, beschrijft Jacob Aten van de afdeling Celbiologie en histologie van het AMC. ‘Daarbij zie je soms een zwaan-kleef-aan effect, waarbij alle breuken in een bepaald gebied gaan clusteren. Sommige breukvlakken overbruggen soms wel twintig procent van de diameter van de celkern.’

Volgens Aten vormt dit clusteringsfenomeen de verklaring voor de desastreuze gevolgen van – op zich – geringe DNA-schade. ‘We zien dat blootstelling aan een paar stralingsdeeltjes al leidt tot chromosoom-translocatie. Ik heb het altijd onbegrijpelijk gevonden dat die paar deeltjes precíes twee DNA-breuken veroorzaakten in naast elkaar liggende DNA-strengen. Dat is vanuit het oogpunt van kansberekening niet te verklaren. Het naar elkaar toe bewegen van chromosomen nadát die breuken zijn ontstaan, levert statistisch een veel grotere kans op dat breuken verkeerd aan elkaar worden gezet.’

‘Die chromosoom-translocaties vormen een van de onderliggende oorzaken van kanker, vult de Rotterdamse geneticus prof.dr. Roland Kanaar aan. ’Het is dus belangrijk om te weten hoe ze ontstaan. Fundamenteel probleem daarbij was hoe te bewijzen dat stukken chromosoom over grotere afstanden kunnen migreren. Dat is nu gelukt. En dat terwijl het experiment eigenlijk heel eenvoudig van opzet was. Maar dat zijn de beste: eenduidige proeven waar je straightforward-conclusies uit kunt trekken.’

Parenclub

Het wetenschappelijk tijdschrift Science, waarin het onderzoek begin januari werd gepubliceerd, zocht het in de metafoor van de singles bar. ‘Eenzame’ chromosoombrokken treffen zich daar op zoek naar een partner. Wellicht is de vergelijking met een parenclub adequater. Zolang het afgebroken stuk DNA verenigd wordt met zijn oorspronkelijke wederhelft is er namelijk weinig aan de hand. Maar leidt de reparatie tot een onzalige verbintenis met ‘vreemd’ DNA, dan is het wachten op gedonder.

‘Bij onjuiste reparatie kun je een schakeling krijgen tussen inactieve en actievere delen van het chromosoom’, legt Jacob Aten uit. ‘Zo kan het gebeuren dat genen die nauwelijks activiteit vertonen ineens in een actiever gebied komen te liggen. Dat kan leiden tot een groeivoordeel van de cel ten opzichte van zijn soortgenoten. Daarin ligt de kiem van een tumor.’

Buitenechtelijke relaties

Ook voor het mechanisme van clustering vonden de onderzoekers een verklaring. In de clusters van DNA-breuken toonden zij de aanwezigheid aan van een eiwitcomplex – het Mre11-complex – dat betrokken is bij de reparatie van chromosoombreuken. Je zou het complex, de analogie volhoudend, kunnen betitelen als de koppelaarster, zowel verantwoordelijk voor het herstel van de oorspronkelijke breuk alsook voor de vorming van ‘buitenechtelijke’ verbintenissen tussen chromosoomdelen die niet bij elkaar horen. Dit eiwitcomplex, zo leerde eerder onderzoek, bindt op de plekken waar de DNA-breuken optreden.

‘Wij hebben aangetoond dat het complex werkt als een soort klittenband’, zegt Roland Kanaar. ‘Het is een eiwit met lange, plakkerige armen, die aan naburige complexen hechten, waardoor gebroken DNA-moleculen bijeen gehouden kunnen worden. Het lijkt erop dat dit eiwit zorgt voor de clustering van de DNA-breuken. Deze aanname wordt ondersteund door het verschijnsel dat in cellen van patiënten met de ziekte ataxia telangiectasia-like disorder de clustering van breuken niet plaatsvindt. En wat is er met die patiënten aan de hand? Zij hebben een defect in het Mre 11-eiwit.’

Dit onderzoek ten spijt, is de dynamiek van het clusteringsproces nog grotendeels onontgonnen terrein. Welke eiwitten spelen naast het Mre11-complex een rol, en wat is hun functie? Die vragen moeten beantwoord worden aan de hand van studies met levende cellen (de fluorescentie-microscopische observaties zoals die beschreven zijn in _Science_zijn gedaan met gefixeerde cellen). De onderzoekers hebben verschillende eiwitten op het oog. Door deze met fluorescentie-technieken in levende cellen zichtbaar te maken en real time te volgen, hopen ze een goed inzicht te krijgen. Niet alleen in het proces van clustering, maar ook in de relatie van die clustering met andere processen in de celkern die optreden als gevolg van DNA-breuken en de reparatie ervan.

Meer weten over biotechnologie?

Dit artikel is een publicatie van AMC Magazine.
© AMC Magazine, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 februari 2004
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.