Een modulaire replica van chromatine – Promotie Bruna Eckhardt

Voordat een menselijke cel zich kan delen, moet die eerst zijn volledige genoom kopiëren: ongeveer 2 meter aan DNA, een enorme bibliotheek met biologische instructies. Om te passen in de celkern, het controlecentrum van de cel, is het DNA strak verpakt tot een structuur die chromatine wordt genoemd. Dit gebeurt door het DNA om zogenaamde histoneiwitten te wikkelen, zoals een draad om een ​​spoel wordt gewikkeld. De ‘spoelen’ worden nucleosomen genoemd. Deze compacte verpakking is essentieel voor het normaal functioneren van de cel, maar brengt ook een uitdaging met zich mee. Om het DNA te kopiëren, moet de replicatiemachine van de cel het DNA tijdelijk ‘uitpakken’, waardoor de chromatinestructuur wordt verstoord. Deze verstoring kan de identiteit van de cel bedreigen – het moleculaire geheugen dat een cel vertelt of het bijvoorbeeld een huidcel, een hartcel of een zenuwcel moet zijn.

Hoe dit geheugen behouden blijft tijdens celdeling is een centrale vraag in de epigenetica. Fouten in dit proces kunnen leiden tot instabiliteit van het genoom, verstoring van de genregulatie en ziekten zoals kanker. Voor haar proefschrift onderzocht Bruna hoe de chromatineorganisatie op een veilige manier wordt onderbroken en daarna weer wordt hersteld tijdens DNA-replicatie.

Cel-in-een-reageerbuis

Om te leren hoe cellen zowel hun DNA als de verpakking ervan kopiëren, bouwde Bruna de volledige DNA-replicatie na in een reageerbuis. Hiermee konden zij en haar collega’s de betrokken moleculaire ‘tandwielen’ bestuderen op een manier die in een levend organisme praktisch onmogelijk is. Voortbouwend op werk van andere groepen, verbeterde Bruna het systeem door processen van chromatinevorming toe te voegen, die nog niet eerder op deze manier waren nagebootst.

Dit was geen gemakkelijke opgave, aangezien het systeem afhankelijk was van veel gezuiverde eiwitten. Dit vereiste zorgvuldige planning en beheer van de eiwitvoorraad, waarbij Bruna enorm veel hulp kreeg van technicus Inge. Werken met zoveel componenten was een uitdaging: kleine veranderingen konden de uitkomst van een experiment sterk beïnvloeden. “Het oplossen van problemen met deze complexe systemen was vaak frustrerend en zowel mentaal als fysiek uitdagend,” zegt Bruna terugkijkend.

Een verhaal van twee strengen

Met behulp van het cel-in-een-reageerbuis-systeem bestudeerden Bruna en haar collega’s als eersten het chromatine op de twee gekopieerde DNA-strengen: de leidende en de volgende streng, die op verschillende manieren worden gekopieerd. De leidende streng wordt als één geheel gekopieerd, terwijl de volgende streng in kortere stukjes wordt gekopieerd die later aan elkaar worden gekoppeld. Het team ontdekte dat de chromatineorganisatie ook verschilt tussen de twee strengen. De leidende streng was georganiseerd en netjes, met gelijkmatig verdeelde nucleosomen. De volgende streng daarentegen was chaotischer, met onregelmatige tussenruimten en onvolledige structuren. Dit suggereert dat cellen extra processen nodig hebben om een ​​nette chromatinestructuur te herstellen voordat de celdeling plaatsvindt. Het laat ook zien dat DNA-replicatie en chromatinevorming nauwer met elkaar verbonden zijn dan voorheen werd gedacht.

Bruna werkte samen met het laboratorium van Vijay Ramani aan de Gladstone Institutes en de Universiteit van Californië, San Francisco. Het coördineren van een samenwerking aan de andere kant van de wereld bracht de nodige uitdagingen met zich mee. Verrassend genoeg was de grootste uitdaging het betrouwbaar verzenden van materialen: een pakket met daarin zes maanden werk van Bruna en Inge raakte twee weken zoek en toen het eenmaal was teruggevonden, kon het niet meer worden gebruikt.

CAF-1 als verkeersregelaar

CAF-1 is een belangrijk eiwitcomplex bij de chromatinevorming. Het transporteert histonen en helpt bij het terugplaatsen van nucleosomen op DNA-strengen die net zijn gekopieerd. Bruna en haar collega’s ontdekten dat CAF-1 weliswaar op beide strengen chromatine opbouwt, maar dat de interactie met de ‘DNA-kopieermachine’ verschilt tussen beide strengen. Op de leidende streng vinden DNA-replicatie en chromatinevorming niet tegelijk plaats. Op de volgende streng zijn de twee processen nauwer met elkaar verbonden. Ze ontdekten ook dat de chromatinevorming door CAF-1 kan beïnvloeden hoe snel het DNA wordt gekopieerd. Met andere woorden, het opnieuw opbouwen van chromatine kan werken als een ‘snelheidsregelaar’ voor DNA-replicatie.

Door nieuwe methoden te ontwikkelen om te bestuderen hoe chromatine wordt gevormd en overgeërfd tijdens celdeling, biedt Bruna’s werk nieuwe, gedetailleerde inzichten in een proces dat essentieel is voor het functioneren van onze cellen. Deze inzichten kunnen andere onderzoekers helpen om te onderzoeken hoe fouten in de chromatineorganisatie ontstaan, hoe ze de genregulatie en de stabiliteit van het genoom beïnvloeden, en waarom deze processen vaak verstoord zijn bij ziekten zoals kanker.

Bruna kijkt met veel plezier terug op haar PhD-traject: “Ik geloof dat een PhD meer is dan het behalen van een titel, het opdoen van kennis of zelfs het worden van een goede wetenschapper: het vormt je karakter.” Ze is dankbaar voor alle steun die ze heeft ontvangen van collega’s, vrienden en familie, en in het bijzonder van haar begeleider Francesca Mattiroli. Haar advies voor toekomstige promovendi? “Vind de drijvende kracht die je naar de finish kan brengen, maar leer ook om jezelf niet volledig te laten definiëren door dat streven.”