Archaeal histone-based chromatin forms extended polymeric structures in vivo

Diep binnenin elke levende cel moeten lange strengen genetisch materiaal, genaamd DNA, compact worden verpakt om te passen, maar tegelijkertijd toegankelijk blijven om afgelezen en gekopieerd te kunnen worden. In complexe levensvormen zoals mensen wordt deze verpakking beheerd door een geavanceerd systeem van eiwitten die het DNA om spoelen wikkelen, wat een structuur creëert die chromatine wordt genoemd. Dit systeem is zo ingewikkeld dat het speciale labels en hermodelleringsmachines bevat die de spoelen kunnen strakker of losser kunnen maken om te controleren welke genen actief zijn. De geschiedenis van hoe dit systeem begon, is echter veel eenvoudiger. Voordat complex leven evolueerde, waren er oeroude eencellige organismen genaamd archaea. Veel van deze wezens gebruiken ook eiwitten om hun DNA te wikkelen, maar hun gereedschapskist is veel basaler. Ze missen de complexe labels en machines die in mensen aanwezig zijn, en vertrouwen in plaats daarop op een minimale set eiwitten die op zichzelf aan DNA kunnen binden. Het begrijpen van hoe deze oeroude organismen hun genetische code organiseren, biedt een venster op de vroegste stappen in de evolutie van het leven, waarbij wordt onthuld hoe de eerste versies van onze eigen complexe DNA-verpakking mogelijk werkten.

Decennialang hebben wetenschappers deze oeroude eiwitten in reageerbuizen bestudeerd, waarbij ze ze met DNA mengden om te zien welke structuren ze vormen. In deze gecontroleerde omgevingen wikkelen de eiwitten en het DNA zich spontaan samen tot lange, herhalende ketens die lijken op een flexibele veer. Maar een cruciale vraag bleef bestaan: bestaat deze nette, veerachtige structuur werkelijk in een levende cel, of is het slechts een artefact van het laboratorium? Om dit te beantwoorden, richtten onderzoekers hun aandacht op Thermococcus kodakarensis, een hitte-minnende archae die enorme hoeveelheden van deze DNA-wikkelende eiwitten produceert. Door levende cellen in een fractie van een seconde te bevriezen om hun natuurlijke staat te behouden en vervolgens krachtige elektronenmicroscopen te gebruiken om in het binnenste van de cel te kijken, was het team in staat om het binnenste van de cel met ongekende helderheid te zien. Wat ze ontdekten, was dat het genetische materiaal van de cel niet in één vaste vorm blijft. In plaats daarvan verandert het drastisch afhankelijk van hoe de cel groeit. Wanneer de cellen jong zijn en snel vermenigvuldigen, is hun DNA ruim en losjes over de cel verspreid, kijkend als een diffuse wolk. Maar naarmate de cellen ouder worden en stoppen met groeien, transformeert deze wolk. Het DNA condenseert tot strakke, helicale filamenten die overeenkomen met de veerachtige structuren die in de reageerbuis werden gezien, wat bewijst dat deze oeroude organismen inderdaad complexe, geordende DNA-structuren kunnen bouwen zonder de hulp van de geavanceerde machinerie die in mensen wordt gevonden.

De onderzoekers observeerden deze veranderingen door de archae te kweken in een voedselrijke omgeving en hen door de microscoop te volgen terwijl ze van een snelgroeiende fase naar een stationaire fase gingen waarin de groei stopte. In de jonge, actieve cellen was het genetische materiaal gelijkmatig verdeeld, wat suggereert dat de DNA-wikkelende eiwitten aanwezig waren maar het DNA niet organiseerden in strakke bundels. Echter, naarmate de cultuur ouder werd en de voedingsstoffen schaarser werden, ondergingen de cellen een opvallende transformatie. In de oudere cellen zag het team duidelijke, draadvormige structuren die door het cytoplasma liepen. Dit waren geen willekeurige klonten, maar georganiseerde filamenten die in een regelmatige spiraal draaiden. Door deze structuren te meten, bevestigden de wetenschappers dat ze precies de juiste grootte en vorm hadden om de lange ketens van DNA te zijn die om de oeroude eiwitten gewikkeld zijn, net zoals eerder in laboratoriumexperimenten voorspeld. Deze filamenten verschenen zowel als enkelvoudige draden als bundels van draden die dicht tegen elkaar aan gepakt waren, wat suggereert dat de cel zijn gehele genoom in deze strakke, veerachtige coils kan organiseren wanneer dat nodig is.

Om er zeker van te zijn dat deze filamenten inderdaad gemaakt waren van de DNA-wikkelende eiwitten en niet van een andere cellulaire component, keek het team naar een speciale versie van de organisme die een mutatie in zijn eiwit-makende instructies had. Deze mutante stam kon nog steeds de eiwitten maken, maar een kleine verandering in hun vorm voorkwam dat ze zich aan elkaar koppelden tot lange ketens. Wanneer de onderzoekers deze mutante cellen onderzochten, waren de lange, veerachtige filamenten volledig afwezig. In plaats daarvan bleef het DNA in een gedesorganiseerde staat, zelfs wanneer de cellen oud en uitgehongerd waren. Dit cruciale experiment bewees dat het vermogen om deze lange, geordende structuren te vormen volledig afhangt van de specifieke manier waarop de eiwitten aan elkaar koppelen. Het bevestigde dat de filamenten die in de normale cellen werden gezien, geen accidentele formaties waren, maar het directe resultaat van de eiwitten die precies doen waar ze voor ontworpen zijn: het DNA wikkelen in lange, continue coils.

De studie onthulde ook een tweede, onverwachte verrassing. Naast de veerachtige filamenten in de oudere cellen vonden de onderzoekers grote, ronde, dichte bollen verspreid door de cel. Deze globulaire structuren waren dicht gepakt met genetisch materiaal en leken een totaal andere manier van het organiseren van het DNA te zijn. In tegen tegenstelling tot de lange, geordende veren, zagen deze bollen eruit als chaotische, gecondenseerde klonten. De onderzoekers gebruikten een techniek die lichtmicroscopie combineert met elektronenmicroscopie om te bevestigen dat deze bollen inderdaad rijk waren aan DNA. Ze verschenen alleen wanneer de cellen de laatste stadia van groei bereikten, wat suggereert dat de cel mogelijk overschakelt naar deze globulaire vorm als reactie op stress of uithongering. Hoewel de exacte functie van deze bollen nog steeds wordt onderzocht, suggereert hun aanwezigheid dat de oeroude cel meer dan één strategie heeft voor het beheren van zijn genetisch materiaal, in staat om te schakelen van een losse wolk naar een geordende veer, en uiteindelijk naar een dichte, globulaire massa, afhankelijk van zijn behoeften.

Een van de meest significante bevindingen van dit werk is dat deze dramatische veranderingen in DNA-organisatie plaatsvinden zonder complexe chemische schakelaars. In menselijke cellen vereist het veranderen van de vorm van chromatine meestal een reeks enzymen om chemische labels toe te voegen of te verwijderen van de eiwitten, of machines om het DNA fysiek te verplaatsen. De oeroude archae missen echter deze complexe instrumenten. De onderzoekers ontdekten dat de hoeveelheid DNA-wikkelende eiwitten in de cel relatief constant bleef gedurende de groeicyclus, zelfs terwijl de DNA-structuur volledig veranderde. Dit impliceert dat de cel geen extra eiwitten hoeft te produceren of ze chemisch hoeft te modificeren om tussen deze verschillende vormen te schakelen. In plaats daarvan lijkt de verandering te worden gedreven door de interne omgeving van de cel naarmate deze veroudert, waardoor de eiwitten spontaan het DNA kunnen reorganiseren in deze verschillende vormen. Deze ontdekking suggereert dat het vermogen om genetisch materiaal dynamisch te herstructureren een oeroud kenmerk is dat evolueerde lang voordat de complexe regulatoire systemen die in het moderne leven te zien zijn, ontstonden.

De implicaties van deze bevindingen reiken terug naar de zeer oorsprong van het complexe leven. Het vermogen van deze eenvoudige eiwitten om spontaan lange, geordende ketens van DNA te vormen, en om ze te reorganiseren in verschillende structuren zonder externe hulp, biedt een plausibel blauwdruk voor hoe de eerste stappen van de eukaryote evolutie mogelijk hebben plaatsgevonden. Het laat zien dat de basismechanismen voor het verpakken van DNA veelzijdig zijn en in staat zijn tot complex gedrag op zichzelf. De overgang van een losse wolk naar een strakke veer, en vervolgens naar een dichte globule, demonstreert dat zelfs de eenvoudigste levensvormen verfijnde manieren hebben om hun genetische informatie te beheren. Terwijl wetenschappers deze oeroude organismen blijven verkennen, in het bijzonder die uit groepen die nauw verwant zijn aan de voorouders van het complexe leven, kunnen zij meer van de sleuteltransities ontdekken die leidden van eenvoudige, eencellige organismen naar de diverse en complexe levensvormen die vandaag de dag bestaan. De studie bevestigt dat de geordende, helicale structuren van DNA-verpakking niet slechts een laboratoriumcuriositeit zijn, maar een echt, levend kenmerk van deze oeroude cellen, wat een inkijkje biedt in de fundamentele mechanica van het leven zelf.