Je leest:

Hoe DNA de eindjes aan elkaar knoopt

Hoe DNA de eindjes aan elkaar knoopt

Auteur: | 14 september 2005

Biofysici van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft en moleculair-biologen van het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam zijn er in geslaagd DNA reparatie in beeld te brengen. Op filmpjes die ze hebben gemaakt van het DNA reparerend eiwitcomplex Mre11, is te zien hoe twee exemplaren zich aan verschillende stukken (gebroken) DNA hebben gehecht, elkaar opzoeken en een verbinding maken. Dit is een eerste noodzakelijke stap in het herstelproces van gebroken DNA. Een vormverandering van het Mre11-complex blijkt een sleutelrol te spelen. De onderzoekers publiceren hun bevindingen vandaag in Nature.

De erfelijke eigenschappen van levende organismen liggen vast op de chromosomen van die organismen. De chromosomen zijn opgebouwd uit lange ketens DNA die omgerold liggen rond chromatine-eiwitten. Bij het delen van cellen, iets wat in levende organismen voortdurend gaande is, verdubbelt het DNA zich. Daarbij kunnen allerlei dingen fout gaan.

Eén ervan is dat het DNA breekt, wat in werkelijkheid ook vaak gebeurt. Als die breuken niet hersteld worden, kan dat leiden tot het afsterven van cellen of tot fouten in het kopieren, met kanker als gevolg. Een van de ziekten die daar werkelijk door wordt veroorzaakt, staat bekend als het ‘Nijmeegse breuksyndroom’, een erfelijke aandoening waarbij het eiwit Nbs1 beschadigd is. In de natuur blijkt een complex van drie eiwitten (Rad50, Mre11 en Nbs1) te bestaan, samen aangeduid als het Mre11-complex, dat gebroken DNA helpt repareren.

Onderzoekers van het Kavli Institute of Nanoscience bij de Technische Universiteit Delft en het Erasmus Universitair Medisch Centrum Rotterdam hebben nu ‘live’ gedetailleerde waarnemingen aan de werking van dat Mre11-complex gedaan.

In deze artistieke impressie is het gedrag van het eiwitcomplex Mre11 schematisch weergegeven. Het complex bestaat uit een lichaam en twee armen. De armen zijn voortdurend in beweging, grijpen elkaar aan de uiteinden en laten ook weer los. Als het complex bindt aan een stuk DNA strekken de armen zich evenwijdig. Treffen ze een ander complex in dezelfde toestand, dan hechten de uiteinden van de armen zich aan elkaar. Zo worden twee stukken DNA met elkaar verbonden. Illustratie: TUDelft/Tremani, klik op de afbeelding voor een grotere versie

Kijken met een ‘tastmicroscoop’

De onderzoekers deden hun waarnemingen met een atomaire-krachtmicroscoop (AFM). Zo’n microscoop bestaat uit een minuscuul hefboompje met een scherp naaldje aan de onderkant dat het oppervlak van het te meten object aftast, waarbij het hefboompje meer of minder omhoog stoot. Deze verplaatsingen worden gemeten en vertaald in een afbeelding. Daarbij gaat het om afmetingen van nanometers ofwel objecten die zo’n 80.000 keer kleiner zijn dan de doorsnede van een menselijke haar.

Met een AFM-tastmicroscoop kan een nanomachine als een eiwit tot op het niveau van afzonderlijke moleculen worden afgebeeld. In de gebruikte opstelling kan de AFM metingen doen in vloeistof, de natuurlijke omgeving voor biologisch actieve eiwitten. De dynamiek van die eiwitten kon minuten tot uren lang worden gevolgd, zodat een eiwit ‘in actie’ kon worden gefilmd.

Het gedrag van het eiwitcomplex Mre11 direct waargenomen. Links is een los complex te zien. Het bestaat een lichaam en twee armen met in elkaar gegrepen uiteinden. Rechts zit een Mre11-complex gebonden aan een stuk DNA en zijn de armen evenwijdig aan elkaar gestrekt. Foto’s: Kavli Institute of Nanoscience/Erasmus MC

Eiwitcomplex slaat brug tussen stukken DNA

Bestudering van het Mre11-complex door de onderzoekers heeft op deze manier de werking ervan in detail zichtbaar gemaakt. Een Mre11-complex bestaat uit een lichaam en twee gebogen armen. De armen zijn constant in beweging, waarbij de uiteinden ervan elkaar voortdurend grijpen en weer loslaten, als handen die ineen slaan en weer loslaten. Wanneer een Mre11-complex aan een stuk DNA bindt, blijken de handen los te laten en de armen zich evenwijdig aan elkaar te strekken. Deze vormverandering reikt tot wel 50 nanometer ver. Ontmoeten ze een ander complex, dat hetzelfde doet, dan grijpen de handen elkaar en zo verbinden twee complexen twee gebroken stukken DNA.

Dat het Mre11-complex een brug slaat tussen stukken gebroken DNA was bekend uit eerdere studies van de onderzoekers, maar het is nu voor het eerst dat op de schaal van nanometers zichtbaar wordt gemaakt hoe dat precies gebeurt.

Het begrijpen van dit gedrag kan helpen het inzicht in de moleculaire basis van kanker te verdiepen en daardoor mogelijk nieuwe geneesmiddelen te ontwikkelen. Een beter begrip van de processen die eiwitten tot actie aanzetten is verder een voorwaarde voor het ontwerpen van goed functionerende biologische nanomachines.

Stilstaande beeldjes uit een filmpje van het gedrag van het Mre11-complex. Foto’s: Kavli Institute of Nanoscience/Erasmus MC, klik op de afbeelding voor een grotere versie

Referentie

Fernando Moreno Herrero, Nynke Dekker en Cees Dekker (Kavli Institute of NanoScience) en Martijn de Jager, Roland Kanaar en Claire Wyman (Erasmus Universitair Medisch Centrum Rotterdam), Mesoscale conformational changes in the DNA-repair complex Rad50/Mre11/Nbs1 upon DNA binding, Nature vol. 437 (2005)

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).
© Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 14 september 2005

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.