In de knoop: hoe cellen DNA-knopen ontwarren om het genoom te beschermen

DNA ziet er niet altijd uit als de bekende dubbele helix. Soms vouwt het zich in ongebruikelijke vormen. Een van die vormen is de G-quadruplex (G4), een soort knoop in het DNA. Deze knopen spelen een rol bij het aan- of uitzetten van genen. Maar als ze niet op tijd worden ontward, kunnen ze schade aan het genoom veroorzaken. Onderzoekers van de groep van Puck Knipscheer, in samenwerking met het Karolinska Institutet, hebben nu een verrassend mechanisme ontdekt dat deze knopen onder controle houdt. Hun bevindingen zijn op 12 juni gepubliceerd in Science en kunnen bijdragen aan nieuwe behandelstrategieën voor ziekten zoals kanker.

Normaal gesproken neemt ons DNA de vorm aan van een dubbele helix. Maar onder bepaalde omstandigheden kan een van de twee DNA-strengen zich opvouwen tot een G-quadruplex (G4) structuur, die eruitziet als een knoop. Deze knopen ontstaan vooral op plekken met veel guanine (G) basen. Ze spelen een rol bij transcriptie, het proces waarbij DNA wordt omgezet in RNA.

Toch zijn deze G4’s een tweesnijdend zwaard. Ze helpen bij genregulatie, maar als ze niet op tijd uit de knoop worden gehaald, kunnen ze mutatiesFouten in het DNA. Mutaties kunnen onder andere ontstaan als het DNA verkeerd gekopieerd wordt of door invloeden van buitenaf. Tumorcellen bevatten bijvoorbeeld vaak mutaties die voordelig zijn voor hun groei. veroorzaken, genexpressieDe activiteit van een gen of genen. De combinatie van actieve genen in een cel bepaalt onder andere de functie, vorm en grootte van de cel. verstoren en bijdragen aan ziekten zoals kanker of vroegtijdige veroudering. Cellen hebben daarom mechanismen nodig om deze knopen snel en effectief te ontwarren.

Cellen gebruiken een meerstapsproces om knopen (G4-structuren in DNA te ontwarren. Eerst herkent de cel de G4-structuur als een probleem. Speciale eiwitten die betrokken zijn bij de DNA-schade-respons worden geactiveerd en rekruteren DNA-hersteleiwitten. Deze helpen een lus te vormen samen met RNA, de zogeheten G-loop. Vervolgens ontwart het eiwit FANCJ de G4-knoop, en breken de eiwitten XPF-ERCC1 de G-loop open. Uiteindelijk wordt de normale dubbele helixstructuur van het DNA hersteld. Zo blijft het genoom beschermd en voorkomt de cel schade die haar gezondheid in gevaar zou kunnen brengen.Credit: Koichi Sato and Puck Knipscheer. Copyright: Hubrecht Institute

Kikkereicellen om DNA-knopen te onderzoeken

Om te bestuderen hoe cellen G4-structuren precies ontwarren, gebruikten de onderzoekers eiwitextracten uit kikkereieren (van Xenopus laevis). Deze extracten bevatten vrijwel alle onderdelen van een levende cel, inclusief de eiwitten die betrokken zijn bij DNA-replicatie en -herstel. Hierdoor konden de onderzoekers stap voor stap volgen hoe G4-structuren worden ontward én welke eiwitten daarbij betrokken zijn.

Een nieuwe rol voor RNA

Met behulp van dit systeem ontdekten de onderzoekers een onverwachte rol voor RNA-moleculen. “Met hulp van eiwitten die normaal betrokken zijn bij DNA-herstel, bindt RNA aan de DNA-streng tegenover de G4-structuur, waardoor een zogenaamde ‘G-loop’ ontstaat. Deze G-loop is een belangrijke tussenvorm in het ontwarproces en beschermt het genoomDe complete set DNA of genetisch materiaal in een cel.tegen schade,” legt eerste auteur Koichi Sato uit. Hoewel RNA vooral bekend staat om zijn rol in eiwitsynthese, blijkt het dus ook betrokken te zijn bij de bescherming van het genoom.

Cellen gezond houden

De G-loop fungeert als een soort landingsplatform voor andere eiwitten. Deze eiwitten ontwarren de G4-knoop, breken de G-loop af en herstellen de DNA-streng tot een normale dubbele helix. Dankzij samenwerking met Simon Elsässer en Jing Lyu van het Karolinska Institutet konden de onderzoekers aantonen dat dit mechanisme op veel plekken in het genoom actief is.

“Tot onze verbazing worden G4-structuren herkend als DNA-schade, ook al is het DNA feitelijk niet kapot,” zegt groepsleider Puck Knipscheer. De G-loop voert eiwitten aan die normaal gesproken DNA-schade herstellen. Doordat de DNA-schade-respons te activeren kan de cel snel reageren en ernstige problemen later voorkomen.

Dit proces leidt zelfs tot vernieuwing van het omliggende DNA en het verwijderen van schadelijke modificaties. Samen met Jeroen van den Berg uit de groep van Alexander van Oudenaarden toonden de onderzoekers aan dat dit mechanisme essentieel is voor gezonde celdeling. Als het faalt, hopen G4-structuren zich op en ontstaan er breuken in het DNA, wat de celdeling belemmert.

G4-knopen inzetten tegen kanker

De ontdekking van de G-loop geeft antwoord op fundamentele vragen over hoe cellen hun DNA beschermen, en opent tegelijkertijd de deur naar mogelijke nieuwe behandelmethoden. Veel vormen van kanker zijn het gevolg van problemen met DNA-herstel. In kankercellen komen G4-structuren veel vaker voor dan in gezonde cellen. Als deze knopen niet kunnen worden ontward, leidt dit tot DNA-schade en uiteindelijk tot celdood.

Door bewust meer G4-knopen te veroorzaken of het herstel ervan te blokkeren, zouden kankercellen mogelijk gericht kunnen worden uitgeschakeld. Meer onderzoek is echter nodig om te bepalen of dit daadwerkelijk een effectieve manier is om kankergroei te stoppen.

Publication

RNA transcripts regulate G-quadruplex landscapes through G-loop formation. Koichi Sato, Jing Lyu, Jeroen van den Berg, Diana Braat, Victoria M. Cruz, Carmen Navarro Luzón, Joost Schimmel, Clara Esteban-Jurado, Maëlys Alemany, Jan Dreyer, Aiko Hendrikx, Francesca Mattiroli, Alexander van Oudenaarden, Marcel Tijsterman, Simon J. Elsässer, and Puck Knipscheer. Science, 2025.

Over Puck Knipscheer

Puck Knipscheer is groepsleider bij het Hubrecht Institute, bijzonder hoogleraar Biochemie van Genoomonderhoud bij het Leids Universitair Medisch Centrum en Investigator bij Oncode Institute.