24 september

Ontrafelen van DNA ‘knopen’

Terug naar nieuws

Onderzoekers uit de groep van Puck Knipscheer ontdekten een manier waarop cellen abnormale DNA-structuren die mutaties kunnen veroorzaken onderdrukken. Ze beschrijven een complex mechanisme dat zorgt voor een robuuste ontrafeling van zogenoemde G-quadruplex structuren. Twee eiwitten, FANCJ en DHX36, komen na elkaar in actie om dit mechanisme te laten werken, en zo het DNA stabiel te houden. De resultaten van deze studie zijn op 24 september gepubliceerd in Science Advances.

Het DNA in de kernen van onze cellen vormt normaal gesproken een dubbele helix, waarvan informatie wordt afgelezen tijdens transcriptie, en die wordt gekopieerd tijdens DNA-replicatie. Tijdens deze processen kunnen specifieke regio’s van het DNA, die rijk zijn aan een van de vier basen waaruit het DNA bestaat, guanine, opvouwen in abnormale structuren die G-quadruplexen, of G4 structuren, heten. Er zijn meer dan een half miljoen locaties in ons DNA waar deze structuren gevormd kunnen worden. G4 structuren lijken op ‘knopen’ in het DNA en moeten ontrafeld worden omdat ze anders problemen kunnen veroorzaken tijdens DNA-replicatie en -transcriptie. Als de structuren niet goed ontrafeld worden kan dat bijdragen aan versnelde veroudering en de ontwikkeling van kanker.

Onbekende mechanismen
Normale cellen moeten wel een heel efficiënt mechanisme hebben dat G4 structuren tegengaat, omdat G4-vormende sequenties tijdens de evolutie zijn blijven bestaan. In lijn hiermee zijn er meer dan tien eiwitten ontdekt die in staat zijn deze structuren in hun pure vorm te ontrafelen. Er is echter vrijwel niets bekend over de mechanismen die G4 structuren ontrafelen tijdens DNA-replicatie of transcriptie.

Boven: 3D structuur van een G-quadruplex bepaald met NMR (PDBID:2LK7, Do & Phan, Chemistry, 2012). Onder: Mechanisme voor het ontrafelen van G4 structuren tijdens DNA replicatie.

Ontrafelen tijdens DNA-replicatie
Onderzoekers uit de groep van Puck Knipscheer hebben bestudeerd hoe G4 structuren worden ontrafeld tijdens DNA-replicatie, het proces waarbij DNA gekopieerd wordt voordat een cel kan delen. Ze maken daarbij gebruik van eiwit extracten gemaakt van eitjes van de Afrikaanse klauwkikker (Xenopus laevis). Dit is een uniek modelsysteem waarin in het lab zowel DNA-replicatie als het ontrafelen van G-quadruplexen plaats kan vinden onder fysiologische condities. Dit maakt het voor de onderzoekers mogelijk om het moleculaire mechanisme te ontleden. Ze ontdekten daarbij dat het proces van DNA-replicatie het ontrafelen van G4 structuren initieert. FANCJ en DHX36, twee eiwitten die beiden het vermogen bezitten om G4 structuren te ontwinden, zijn hierbij betrokken. De eiwitten voeren hun acties daarbij na elkaar uit, waarbij alleen FANCJ de G4 structuren rechtstreeks ontrafelt, terwijl DHX36 ervoor zorgt dat delen van de DNA-replicatie machinerie verwijderd worden zodat FANCJ zijn werk kan doen. Dit koppelt het ontwinden van G4 structuren direct aan het proces van DNA-replicatie. Desondanks kunnen beide eiwitten de rol van de ander overnemen wanneer een van de eiwitten afwezig is, wat dit tot een erg robuust mechanisme maakt.

Hulp bij behandelingen
In deze studie laten de onderzoekers voor het eerst tot in detail zien hoe G4 structuren tijdens DNA-replicatie worden ontrafeld. Dit is een belangrijk mechanisme voor de bescherming van het DNA en vormt een aanvulling op de andere DNA-reparatie mechanismen die ons genetische materiaal beschermen tegen mutaties en daardoor kanker voorkomen. Echter, bij een overmaat aan stabiele G4 structuren, bijvoorbeeld na toevoeging van stoffen die G4s stabiliseren, kan veel DNA-schade ontstaan, wat celdood tot gevolg kan hebben. Het is gebleken dat G4 stabiliserende stoffen selectief borstkankercellen kunnen doden die een defect hebben in DNA reparatie. Een beter begrip van dit mechanisme zou kunnen helpen bij het ontwikkelen van kanker behandeling met G4 stabiliserende stoffen. 

~~~

Publicatie
Sato, N. Martin-Pintado, H. Post, M. Altelaar, en P. Knipscheer. Multistep mechanism of G-quadruplex resolution during DNA replication. Science Advances (2021).

Portretfoto Puck Knipscheer

 

 

Puck Knipscheer is groepsleider bij het Hubrecht Institute en Oncode Investigator.