Hoe DNA de eindjes aan elkaar knoopt
In delende cellen treden voortdurend breuken op in DNA-moleculen. Dit zijn ernstige fouten die kunnen leiden tot het afsterven van cellen of tot fouten in het kopiëren van DNA, met kanker als gevolg. Een eiwitcomplex, bestaande uit de combinatie van de eiwitten Rad50, Mre11 en Nbs1, houdt dit soort breuken bijeen totdat ze gerepareerd kunnen worden. Biofysici van het Kavli Institute of Nanoscience van de Technische Universiteit Delft, en moleculair-biologen van het Erasmus Medisch Centrum in Rotterdam, hebben nu directe waarnemingen gedaan van zo'n Mre11-complex aan het werk. Op filmpjes die de onderzoekers hebben gemaakt, is te zien hoe twee eiwitcomplexen die 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 in de Nature van 15 september 2005.
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. Een 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 kopiëren, met kanker als gevolg. Eén 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.
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.
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 hóe 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.
*) 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), September issue.
Het onderzoek maakt deel uit van het gezamenlijke onderzoekprogramma Fysische biologie II van de Stichting FOM en het Gebied Aard- en Levenswetenschappen van NWO en is mede gefinancierd uit een NWO-Pionierbeurs.
Meer informatie is te verkrijgen bij prof.dr. Cees Dekker, Kavli Institute of NanoScience, Technische Universiteit Delft, telefoon: (015) 278 60 94, of bij dr. C. Wyman, Erasmus MC, afdeling Celbiologie en Genetica en afdeling Radiotherapie, telefoon: (010) 408 83 37.
Deze filmpjes laten de dynamica van het Mre11 eiwitcomplex zien. Je ziet een DNA streng, met linksboven het eiwitcomplex waar de armpjes van heen en weer bewegen. Halverwege het filmpje bindt het eiwit aan het DNA en verandert het van vorm.
http://www.mb.tn.tudelft.nl/user/dekker/ftp_dir/rm-dna_interaction.gif