Je leest:

Hoe haal je de spanning uit DNA?

Hoe haal je de spanning uit DNA?

Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben voor het eerst op moleculair niveau het mechanisme ontrafeld waarmee de natuur torsie uit DNA-strengen haalt. Zij konden één enkel enzym topoisomerase IB in de tijd volgen, terwijl het op één enkel DNA-molecuul actief is. Met hun gevoelige meetapparatuur konden de onderzoekers onder andere de wrijving meten van het ronddraaiende DNA in een holte van het enzym.

Samen met collega’s van de Ecole Normale Supérieure in Parijs en het Sloan-Kettering Institute in New York publiceren de Delftse onderzoekers in het wetenschappelijke tijdschrift Nature van 31 maart hoe zij één enkel enzym topoisomerase IB in de tijd kunnen volgen terwijl het op één enkel DNA-molecuul actief is. Het topoisomerase omklemt het DNA, 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 zelfs de wrijving meten van het ronddraaiende DNA in een holte van het enzym. De redactie van Nature vond het onderzoek zo belangrijk dat het de voorpagina van het tijdschrift haalde. Een artistieke impressie van het enzym in actie staat op de omslag.

DNA is zonder twijfel het meest onderzochte molecuul ter wereld. Wie een beetje geïnteresseerd is in wetenschap weet hoe het er uitziet: een wenteltrap met specifieke basenparen als ‘traptreden’ waarvan de volgorde de genetische informatie bevat. We weten ook dat enzymen tijdens de celdeling die basensequentie ‘aflezen’ en het genetische materiaal kunnen kopiëren. Maar hoe dat precies gaat, daar zijn wereldwijd veel wetenschappers naar op zoek. De Delftse onderzoekers Daniel Koster, Cees Dekker en Nynke Dekker van de onderzoeksgroep voor Moleculaire Biofysica hebben nu een belangrijke bijdrage aan die detailkennis geleverd door uit te zoeken hoe het enzym topoisomerase IB tijdens het aflezen de torsiespanning uit de wenteltrap kan halen

Het is een beetje te vergelijken met het ‘rechtrekken’ van de spiraal van een telefoonsnoer: hoe meer krullen je eruit schuift, hoe lastiger het wordt het snoer in bedwang te houden. Er ontstaat torsiespanning; dat is de kracht die het snoer weer in zijn oude positie wil doen terugkeren. Zo ontstaat ook in de DNA wenteltrap torsiespanning als enzymen het DNA ontwinden om de volgorde van de basenparen te kunnen aflezen. Naarmate de celdeling voortschrijdt worden deze krachten steeds groter. Dat vertraagt het proces van celdeling en het zou zelfs volledig kunnen stoppen als het enzym topoisomerase IB niet in actie zou komen.

Een topoisomerase IB-enzym zit om een DNA-molecuul heen geklemd. Het enzym knipt één van de twee strengen open, waarna het DNA-molecuul rond kan tollen in een holte van het enzym. Illustratie: TUDelft/Tremani

Daniel Koster, Cees Dekker en Nynke Dekker hebben samen met Vincent Croquette van de Ecole Normale Supérieure in Parijs en Stewart Shuman van het Sloan-Kettering Institute in New York op een directe manier en met grote precisie het mechanisme weten te ontrafelen waarmee topoisomerase IB de torsie uit het DNA haalt. 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 om de niet-doorgeknipte streng heen gaan tollen. Na een aantal draaiingen ‘grijpt’ het topoisomerase het tollende DNA weer vast en ‘lijmt’ (ligeert) het de gebroken strengen weer netjes aan elkaar.

De gebruikte onderzoeksmethode is zo gevoelig dat zelfs de wrijving tussen enzym en DNA in kaart is te brengen. In het laboratorium bevestigen de onderzoekers daarvoor een stuk DNA tussen een glaspaatje 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.

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 30 maart 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.