Cohesin promotes genomic stability by suppressing unequal sister chromatid exchange

In elke levende cel wordt de genetische blauwdruk opgeslagen op lange, draadvormige structuren die chromosomen worden genoemd. Wanneer een cel zich voorbereidt op deling, maakt het een exacte kopie van elk chromosoom, wat resulteert in twee identieke strengen die zusterchromatiden worden genoemd. Om ervoor te zorgen dat deze kopieën correct worden verdeeld over de nieuwe dochtercellen, gebruikt de cel een moleculaire machine genaamd cohesine. Denk aan cohesine als een reeks kleine, flexibele ringen die de zusterchromatiden omringen en ze bij elkaar houden vanaf het moment dat ze zijn gemaakt tot het moment dat de cel klaar is om ze uit elkaar te trekken. Deze verankering is essentieel om fouten te voorkomen die kunnen leiden tot cellen met het verkeerde aantal chromosomen, een conditie die gelinkt is aan veel ziekten. De taak van cohesine gaat echter verder dan alleen het bij elkaar houden van de strengen; het fungeert ook als een bewaker van de genetische code, door ervoor te zorgen dat de cel bij het repareren van schade de juiste mal gebruikt en niet per ongeluk het DNA door elkaar husselt.

Wetenschappers weten al lang dat cohesine cellen helpt bij het kiezen van de juiste reparatiemal, maar een nieuwe studie door onderzoekers van de University of California, Berkeley, en de University of Massachusetts Medical School onthult een subtielere en meer cruciale rol. Het team onderzocht hoe cohesine een specifiek type genetische fout voorkomt, genaamd ongelijke zusterchromatide-uitwisseling. Deze fout treedt op wanneer repetitieve DNA-sequenties, die verspreid over het genoom liggen, per ongeluk van plaats wisselen met elkaar tijdens reparatie. Als de wissel plaatsvindt tussen herhalingen die dicht bij elkaar liggen, is de schade meestal beperkt. Maar als de herhalingen ver uit elkaar liggen, kan de uitwisseling leiden tot massale deleties of duplicaties van genetisch materiaal, wat potentieel genen kan vernietigen of schadelijke mutaties kan crekken. De onderzoekers wilden begrijpen hoe cohesine voorkomt dat deze verre herhalingen elkaar vinden en van plaats wisselen.

Om dit proces te observeren, hebben de onderzoekers gistcellen — een eenvoudige organisme die vaak wordt gebruikt om fundamentele biologie te bestuderen — geprogrammeerd met een specifieige genetische valstrik. Ze plaatsten twee gebroken stukken van een gen dat resistentie biedt tegen een antibioticum in hetzelfde chromosoomarm. Eén stuk werd vlak bij het andere geplaatst, op slechts 4.000 basenparen afstand, terwijl in andere cellen het tweede stuk veel verder weg werd geplaatst, op 68.000 basenparen afstand. Als de reparatiemachinerie van de cel per ongeluk het verre stuk zou gebruiken om het gebroken gen te herstellen, zou dit een functioneel antibioticumresistent gen creëren, waardoor de cel kan overleven op een plaat met de drug. Door te tellen hoeveel cellen overleefden, konden de onderzoekers meten hoe vaak deze ongelijke uitwisselingen plaatsvonden tussen de nabije respectievelijk de verre herhalingen.

In normale, gezonde gistcellen vonden de onderzoekers dat de nabije herhalingen ongeveer vijftien keer vaker van plaats wisselden dan de verre herhalingen. Dit suggereerde dat er iets in de cel was dat er van nature voor zorgde dat het voor DNA-sequenties die ver uit elkaar liggen moeilijk was om met elkaar te interageren. Het team testte vervolgens wat er gebeurde wanneer ze de functie van cohesine verstoorden. Ze gebruikten verschillende mutaties die het vermogen van het eiwit om de zusterchromatiden bij elkaar te houden verzwakten of de manier waarop het op het DNA werd geladen, veranderden. In deze mutantcellen sprong de snelheid van uitwisseling tussen de verre herhalingen dramatisch omhoog, met een toename van vier tot zeven keer vergeleken met normale cellen. Opmerkelijk genoeg bleef de snelheid van uitwisseling tussen de nabije herhalingen onveranderd. Dit gaf aan dat cohesine niet alle DNA-wissels stopt; het fungeert specifiek als een barrière die voorkomt dat verre sequenties met elkaar interageren, terwijl het nabije sequenties de vrijheid geeft om normaal te interageren.

De onderzoekers keken vervolgens dieper in de fysieke structuur van de chromosomen om te begrijpen waarom deze barrière bestond. Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken observeerden ze dat de zusterchromatiden in normale cellen zo strak bij elkaar worden gehouden dat ze als één enkele eenheid bewegen. De cohesineringen zijn verspreid langs de chromosoomarmen en creëren een dicht netwerk van verankeringen. Deze hoge dichtheid van verankeringen beperkt de beweging van het DNA, waardoor verre secties binnen hun lokale omgeving worden gehouden. Wanneer de onderzoekers de functie van cohesine verzwakten, nam de afstand tussen deze verankeringen toe en werden de zusterchromatiden beweeglijker. De DNA-strengen konden nu verder afdwalen, waardoor de verre herhalingen in dezelfde ruimte konden drijven en van plaats konden wisselen. De studie toonde een directe correlatie aan: hoe meer de functie van cohesine werd aangetast, hoe meer de zusterchromatiden uiteen gingen en hoe hoger de snelheid van de verre genetische fouten werd.

Misschien kwam de meest verrassende ontdekking pas toen het team mutaties onderzocht die effect hebben op eiwitten die samenwerken met cohesine bij de replicatievork, de plek waar DNA wordt gekopieerd. Twee van deze mutaties, die de functies van de eiwitten Ctf4 en Ctf18 verstoorden, veroorzaakten een catastrofale toename van verre uitw wisselingen. In deze specifieke mutanten was de snelheid van verre wisselingen niet alleen hoger, maar honderd keer hoger dan in normale cellen. Nog opmerkelijker was dat de verre herhalingen waarschijnlijker van plaats wisselden dan de nabije herhalingen, een omkering van het normale patroon. De onderzoekers ontdekten dat deze mutaties de hold van cohesine niet alleen verzwakten; ze leken het proces van DNA-replicatie te ontkoppelen van het proces van het bij elkaar houden van de zusters. Deze ontkoppeling creëerde een vreemde, afwijkende structuur waarbij de zusterchromatiden zodanig misalign waren dat de verre herhalingen in nauwe nabijheid tot elkaar kwamen, waardoor ze primaire doelwitten werden voor fouten.

De studie concludeert dat cohesine de genomische stabiliteit in stand houdt, niet alleen door chromosomen bij elkaar te houden voor deling, maar door de interne structuur van de zusterchromatiden te organiseren om de beweging van hun DNA te beperken. Door de strengen op frequente intervallen strak te verankeren, zorgt cohesine ervoor dat wanneer er DNA-schade optreedt, de reparatiemachinerie binnen de directe omgeving wordt gehouden, waardoor de juiste, overeenkomende sequentie direct naast de breuk wordt gevonden. Wanneer dit verankeringssysteem wordt aangetast, worden de DNA-strengen te beweeglijk, waardoor de verre, repetitieve sequenties kunnen botsen en genetisch materiaal kunnen uitwisselen, wat leidt tot grootschalige deleties en duplicaties. Dit werk suggereert dat de precieze koppeling van DNA-replicatie en cohesine-loading essentieel is om deze structurele fouten te voorkomen, en biedt een nieuwe verklaring voor hoe cellen de integriteit van hun genetische code beschermen tegen de chaos van repetitief DNA.