Verborgen DNA-code gekraakt
Biofysici van de Stichting FOM, de Universiteit Leiden en de Radboud Universiteit Nijmegen hebben achterhaald welke stukjes DNA-sequentie de instructies geven voor het inpakken van DNA rondom histoneiwitten. De posities van deze histonen in het DNA zijn cruciaal, want ze bepalen mede of een gen wel of niet uitgelezen kan worden. Met behulp van statistische mechanica maakten de onderzoekers een model waarmee ze aantoonden dat een eenvoudige twee-lettercode in het DNA deze histonposities bepaalt. De ontdekking stelt onderzoekers in staat om veel meer informatie te halen uit DNA-codes, niet alleen over de sequenties van de genen, maar ook of ze geprogrammeerd zijn om standaard 'aan' of 'uit' te staan. De resultaten verschijnen op 21 augustus in Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Genactiviteit
Het menselijk genoom bevat zes miljard baseparen waarin zo'n 25 duizend genen staan gecodeerd. Cellen reguleren de activiteit van al deze genen zeer nauwkeurig, bijvoorbeeld door de toegankelijkheid van het DNA te manipuleren. Dit kan een cel doen door een specifiek stuk DNA op te rollen rond histonen (weinig activiteit), of door het juist vrij te houden (veel activiteit). Rond een pakketje histoneiwitten passen 150 baseparen aan DNA, samen een nucleosoom. Met wat ruimte tussen de nucleosomen passen er dus zo'n 30 miljoen nucleosomen in het genoom. De positionering van elk nucleosoom komt nauw: een verschuiving van enkele baseparen kan een groot verschil maken voor de binding van een transcriptiefactor en daarmee de activiteit van een gen.
Binnen- of buitenbocht
De 150 baseparen in een nucleosoom vormen een keten van zo'n 50 nanometer lang en 2 nanometer dik. Om dit DNA op te rollen in een tonnetje met een straal van 5 nm moet het DNA sterk worden gebogen. Het blijkt dat sommige DNA-sequenties gemakkelijker buigen dan andere. DNA bestaat uit de basen A (adenine), T (thymine), C (cytosine) en G (guanine) en specifieke combinaties van twee letters bepalen de buigvoorkeur. Twee opeenvolgende T's hebben bijvoorbeeld de neiging om de binnenbocht te nemen en GC-basen positioneren zich liever in de buitenbocht van het nucleosoom. In de biofysicagroep in Leiden hebben John van Noort en Thijn van der Heijden deze kennis met behulp van statistische mechanica verwerkt in een model waarmee de buigvoorkeuren op basis van de DNA-sequentie exact kunnen worden berekend.
Twee-lettercode
Hoewel onderzoekers zowel de DNA-sequentie als de positie van nucleosomen genome-wide in kaart kunnen brengen, is er toch grote discussie over hoe en de mate waarin nucleosoomposities worden bepaald. In deze studie laten de onderzoekers zien dat de DNA-code de nucleosoomposities voor een groot deel bepaalt. Zo kan de twee-lettercode die naar voren is gekomen exact de positie en affiniteit van histonen verklaren als deze in een reageerbuis worden samengebracht, zelfs als het om niet-natuurlijke DNA-sequenties gaat. Belangrijker wellicht is dat de code ook zo'n 67 procent van de posities van nucleosomen in de cel verklaart. Hiermee is het duidelijk dat de verborgen code in het DNA in grote mate verantwoordelijk is voor de positionering van nucleosomen.
Model
Het model vormt de basis voor een veel uitgebreidere studie: de onderzoekers gaan zich nu verdiepen in de invloed van DNA-sequentie op de snelheid en het mechanisme van de nucleosoomverplaatsing. Ook zullen ze onderzoeken hoe DNA-sequentie de vorming van grotere structuren in de celkern beïnvloedt. Uiteindelijk moet dit leiden tot een veel beter gebruik van de informatie die voortkomt uit het sequencen van het genoom: het is niet alleen van belang wat er op het genetische menu staat, maar ook welke gerechten er daadwerkelijk worden opgediend.
Het onderzoek is uitgevoerd door Thijn van der Heijden (LEI), Joke J.F.A. van Vugt (LEI), Colin Logie (RU) en John van Noort (LEI), allen betrokken bij het FOM-programma 'Physics of the genome'.
Meer informatie
John van Noort (071) 527 59 80
Physics of Life Processes
Cell Observatory, room 05.25
BF / LION, Universiteit Leiden
Niels Bohrweg 2, 2333 CA Leiden
Referentie
Sequence-based prediction of single nucleosome positioning and genome-wide nucleosome occupancy.
Thijn van der Heijden, Joke J.F.A. van Vugt, Colin Logie en John van Noort
PNAS, 21 Augustus 2012; 109 (34)