Catenated DNA Enforces Sister Chromatid Cohesion

Elke keer dat een menselijke cel zich deelt om twee nieuwe cellen te creëren, moet zij een prestatie van extreme precisie leveren: zij moet haar genetisch materiaal, het DNA, splitsen in twee perfect identieke helften. Dit proces, bekend als mitose, is de motor van groei en herstel in het lichaam. Als de machinerie faalt, kunnen de resulterende cellen te veel of te weinig chromosomen ontvangen, een conditie die aneuploïdie wordt genoemd. Deze onbalans is een kenmerk van kanker en kan leiden tot ontwikkelingsstoornissen. Om deze chaos te voorkomen, vertrouwt de cel op een moleculaire lijm genaamd het cohesinecomplex. Dit ringvormige eiwit houdt de twee nieuw gekopieerde strengen DNA, de zusterchromatiden genoemd, stevig bij elkaar vanaf het moment dat ze worden gemaakt tot aan het allerlaatste moment van deling. Decennialang geloofden wetenschappers dat dit eiwitlijm de enige kracht was die de zusters bij elkaar hield, en dat op het moment dat de cel klaar was om te delen, een enzym simpelweg de lijm zou doorsnijden, waardoor de zusters door het interne skelet van de cel uit elkaar getrokken konden worden.

Een nieuwe studie van onderzoekers aan de Universiteit van Kopenhagen daagt echter dit langgehouden beeld uit. Zij ontdekten dat de eiwitlijm niet voldoende is om de zusters bij elkaar te houden tegen de krachtige trekkrachten van de cel. In plaats daarvan zijn de twee DNA-strengen ook fysiek met elkaar verstrengeld, zoals schakels in een ketting. Deze verstrengelingen, bekend als catenanen, fungeren als een secundair, fysiek slot dat samenwerkt met de eiwitlijm. De onderzoekers ontdekten dat zelfs als de eiwitlijm wordt doorgesneden, de zusters niet uit elkaar gaan als deze DNA-verstrengelingen intact blijven. Pas wanneer de celmachinerie deze DNA-schakels ontwarst, kunnen de zusters eindelijk uit elkaar gaan. Deze bevinding suggereelt dat de cel een dubbel slot systeem gebruikt om te garanderen dat genetisch materiaal nooit voortijdig wordt gesplitst, een ontdekking die ons begrip van hoe cellen hun genetische stabiliteit behouden, herschrijft.

Het verhaal van deze ontdekking begint met een puzzel die al enige tijd in de celbiologie voortleeft. Wanneer wetenschappers cellen onder een microscoop bekijken vlak voordat ze delen, zien ze vaak de twee zusterchromatiden heel dicht bij elkaar liggen, bijna aanrakend, in een configuratie die lijkt op een spoorweg. Zelfs wanneer de eiwitlijm die hen bij elkaar houdt in sommige experimentele omstandigheden is doorgeknipt, gaan de zusters niet zoals verwacht uiteen. Ze blijven koppig verbonden. Deze observatie leidde de onderzoekers tot de hypothese dat er iets anders moest zijn dat hen bij elkaar hield. Ze vermoedden dat de DNA-strengen zelf in elkaar verstrengeld waren. Stel je twee lange, flexibele touwen voor die vele malen om elkaar heen zijn gedraaid; zelfs als je het tape doorknipt dat ze naast elkaar houdt, zullen de draaiingen zelf hen verbonden houden totdat je ze actief ontdraait. In de cel zijn deze draaiingen de catenanen, en de onderzoekers zetten zich in om te bewijzen dat zij essentieel zijn om de zusters bij elkaar te houden.

Om dit idee te testen, hebben de onderzoekers menselijke cellen ontwikkeld die een speciale versie van het cohesine-eiwit dragen. Deze versie bevat een specifiek zwak punt dat door een op maat gemaakt enzym genaamd TEV-protease kan worden doorgesneden. De onderzoekers kweekten deze cellen en introduceerden vervolgens het enzym om de cohesine-lijm door te snijden terwijl de cellen zich in het midden van de deling bevonden. In cellen waar de DNA-verstrengelingen natuurlijk konden worden opgelost, scheidden de zusters onmiddellijk nadat de lijm werd doorgesneden, wat bevestigde dat het enzym werkte. De onderzoekers kozen echter een andere aanpak. Ze isoleerden de chromosomen uit deze cellen en sneden de lijm door in een reageerbuis, maar zonder de natuurlijke machinerie van de cel om het DNA te ontwarren. Zelfs nadat de lijm volledig was vernietigd, bleven de zusterchromatiden aan elkaar plakken. Ze scheidden pas toen de onderzoekers een mechanische kracht toevoegden, zoals krachtig schudden, of wanneer ze een enzym toevoegden dat het DNA zelf kon doorsnijden. Dit experiment leverde het eerste directe bewijs dat de eiwitlijm alleen onvoldoende is om de zusters bij elkaar te houden tegen fysieke stress; de DNA-verstrengelingen doen het zware werk.

De onderzoekers keken vervolgens nauwer naar deze verstrengelingen binnen levende cellen. Zij identificeerden structuren die zij zustercentromeerverbindingen noemden, wat de fysieke verbindingen zijn tussen de twee helften van het chromosoom op hun centrale punt. Met behulp van hoogwaardige beeldvorming zagen zij dat deze verbindingen bedekt waren met een specifiek eiwit genaamd PICH, dat bekend staat om het binden aan uitgerekte DNA. Ze vonden ook dat een enzym genaamd Topoisomerase II, dat verantwoordelijk is voor het ontwarren van DNA, aanwezig was op deze locaties. Cruciaal was dat zij observeerden dat deze verbindingen alleen verdwenen wanneer het interne skelet van de cel, de spoel, met kracht aan de chromosomen trok. Wanneer de onderzoekers de activiteit van het ontwarrende enzym blokkeerden met een medicijn genaamd ICRF-193, weigerden de zusters uit elkaar te gaan, zelfs nadat de eiwitlijm was doorgesneden. Het medicijn vergrendelde de DNA-verstrengelingen in essentie op hun plaats, waardoor de cel niet kon delen. In contrast hiermee zorgde een ander medicijn, dat het DNA tijdelijk breekt maar toestaat dat het weer wordt verbonden, er niet voor dat de scheiding werd gestopt. Dit bewees dat de fysieke integriteit van de DNA-verstrengelingen, en niet alleen de aanwezigheid van het enzym, de sleutelfactor was.

De studie onderzocht ook wat er gebeurt wanneer de cel wordt gedwongen te lang te wachten in het midden van de deling. Normaal gesproken, als een cel vastzit in deze fase, slijt de eiwitlijm uiteindelijk, een fenomeen dat cohesie-moeheid wordt genoemd, en scheiden de zusters voortijdig uit elkaar. De onderzoekers ontdekten dat wanneer zij het ontwarrende enzym blokkeerden, de cellen veel langer in deze wachtfase konden blijven zonder dat de zusters uit elkaar vielen. De DNA-verstrengelingen fungeerden als een back-upsysteem, die de zusters bij elkaar hielden lang nadat de eiwitlijm was gefaald. Omgekeerd, toen zij een medicijn gebruikten dat de DNA-verstrengelingen verzwakte, scheidden de zusters veel sneller dan normaal. Dit bevestigde dat de verstrengelingen niet slechts een passief bijproduct zijn van de DNA-replicatie, maar een actieve, krachtbestendige component van de delingsmachinerie van de cel.

Misschien kwam het meest opmerkelijke bewijs uit een experiment waarbij de onderzoekers een moleculair instrument genaamd CRISPR gebruikten om het DNA specifiek op de plaatsen door te snijden waar deze verstrengelingen bekend waren te vormen. Ze richtten zich op een specifieke DNA-sequentie die in het centrum van de chromosomen wordt gevonden. Wanneer zij dit DNA doorsneden in cellen waar de eiwitlijm al was verwijderd, scheidden de zusters onmiddellijk uit elkaar, zelfs toen het ontwarrende enzym geblokkeerd was. Dit toonde aan dat de fysieke verbinding van het DNA zelf de laatste barrière was die de zusters bij elkaar hield. Zodra die barrière werd doorbroken, konden de zusters de trekkrachten van de cel niet langer weerstaan.

De implicaties van dit werk zijn aanzienlijk voor ons begrip van hoe cellen functioneren. Het suggereert dat de cel een redundante, tweeledige beveiliging heeft geëvolueerd om te garanderen dat chromosomen niet te vroeg splitsen. De eiwitlijm biedt een gereguleerd, chemisch slot dat op het juiste moment kan worden uitgeschakeld, terwijl de DNA-verstrengelingen een fysiek slot bieden dat de enorme krachten tijdens de deling weerstaat. De cel laat dit tweede slot pas los wanneer zij er klaar voor is, door de trekkracht van de spoel te gebruiken om het ontwarrende enzym zijn werk te laten doen. Als dit systeem faalt, kan het resultaat een ongelijke verdeling van chromosomen zijn, wat een primaire drijfveer is van kanker. Door aan te tonen dat DNA-catenatie een cruciale, actieve speler is in dit proces, hebben de onderzoekers een langdurige aanname in het vakgebied gecorrigeerd. Zij hebben aangetoond dat de scheiding van zusterchromatiden niet louter een kwestie is van het doorsnijden van een eiwitring, maar een complexe mechanische gebeurtenis waarbij de fysieke staat van het DNA zelf een beslissende rol speelt. Dit nieuwe model helpt verklaren waarom sommige cellen niet correct delen en biedt een fris perspectief op de fundamentele mechanica van het leven.