Een vrij impressie van DNA-reparatie door S. Colmenares. Het heterochromatine wordt voorgesteld als de zon, met zonnevlammen waar de reparatie plaatsvindt door reparatie-enzymen (geel en blauw) (afb: Chiolo-lab)

Zo’n levende cel zit knap (en) ingewikkeld in elkaar. Ik word niet moe dat te zeggen. Een van de vele fraaie systemen in de cel is de DNA-reparatie om te voorkomen dat er gekke dingen gebeuren in die cel (en vervolgens mogelijk in het hele meercellige organisme). Dat gigantische molecuul, uitgerekt zo’n 2 meter (!), zit opgepropt in een kern met een membraan er omheen. Dat membraan blijkt niet alleen om het levensmolecuul te beschermen tegen ongewenste gasten, maar schijnt ook te helpen bij reparatie, zo ontdekten onderzoekers van de universiteit van Zuid-Californië. Onderzoekers van de Vanderbilt-universiteit in Nashville vonden dat het enzym glycosylase AlkD DNA repareert op een bijzondere manier. Het wordt allemaal knap ingewikkeld.

Tot nu toe werd altijd gedacht dat het kernmembraan louter bescherming is. Poriën in het membraan zorgen voor de moleculaire verbinding met de rest van de cel. De Californische onderzoekers, onder leiding van Irene Chiolo ontdekten echter dat kapotte stukken van een deel van DNA, het zogeheten heterochromatine, naar het membraan worden getrokken om er te worden gerepareerd.
DNA bestaat uit twee delen: euchromatine en heterochromatine. Het euchromatine bevat genen, die coderen voor eiwitten. het heterochromatine bestaat hoofdzakelijk uit dat stuk DNA dat nog niet zo lang geleden troep-DNA werd genoemd, maar waarvan men de laatste tijd ontdekt dat dat niet klopt. Chiolo: “Onderzoekers besteden steeds meer aandacht aan dat mysterieuze deel van het genoom. Het heterochromatine is niet alleen verantwoordelijk van de opdeling in chromosomen tijdens de celdeling, het is ook een grote bedreiging voor de genoomstabiliteit. Het is in potentie een van de grootste drijvende krachten bij het ontstaan van kanker, de ‘donkere materie’ van het genoom. We beginnen net te begrijpen hoe die reparatie werkt.”
Dat we niet dagelijks ‘kankerzaden’ in ons lijf hebben is te danken aan het zeer effeiciënte systeem van DNA-reparatie. De reparatie van heterochromatine schijnt heel bijzonder te zijn. “Sequentieherhalingen schijnen de neiging te hebben tijdens de reparatie te recombineren”, zegt medeonderzoeker Taehyun Ryu. “Dat zou leiden tot chromosoomafwijkingen, zoals die vaak in kankercellen worden aangetroffen. Wat dat voorkomt in normale cellen was niet duidelijk.” Het kernmembraan blijkt ook verstoord in kankercellen. Chiolo: “Ons onderzoek suggereert nu dat dat disfunctioneren effect kan hebben op de heterochromatinereparatie en de oorzaak kan zijn van kanker.”
Bij fruitvliegjes, Drosophila melanogaster, zagen de onderzoekers dat breuken in het heterochromatine worden gerepareerd aan de binnenkant van het membraan. Daar ver verwijderd van foute chromosomen, in die relatief veilige omgeving, werkten drie eiwitten aan de reparatie.
Het tweede onderzoek ging, zoals gezegd, over een reparatie-eiwit dat op een bijzonder manier zijn werk doet. Toen de structuur van DNA voor het eerst werd ontsluierd, dacht men dat DNA een uitzonderlijk stabiel molecuul was. Dat bleek gaandeweg veel onderzoek allesbehalve waar. De dubbele helix is in feite een erg reactief molecuul, dat constant beschadigd wordt en cellen zijn voortdurend bezig DNA te repareren. “Het is een dubbelsnijdend zwaard”, zegt onderzoeker Brandt Eichman van de Vanerbilt-universiteit. “Als DNA te reactief is, dan zou het geen genetische informatie kunnen opslaan, maar als het te stabiel zouden organismen zich niet kunnen ontwikkelen.” Mij, als ex-scheikundige, lijkt dat een vreemde redenering. Eichman stelt voor, lijkt het me althans, alsof de natuur een keus heeft tussen stabiel en reactief, maar ook de natuur is onderhevig aan scheikundige wetten die stellen dat koolstofverbindingen, dat is DNA in wezen, niet al te stabiel zijn.
Afijn, laten we verder gaan. DNA raakt op twee manieren beschadigd:
1. door omgevingsinvloeden, zoals ultraviolet licht, straling en dergelijke en
2. door inwendige schadeveroorzakers door stoffen die in de cel voorkomen zoals stofwisselingsproducten, reactieve zuurstofverbindingen en zelfs water.
Ik mis in dit verhaal de schade die ontstaat door celdeling (replicatie en duplicatie), maar het verhaal gaat verder. Elke dag zou DNA in elke cel zo’n 10 000 keer worden beschadigd. Het mechanisme van reparatie door eiwitten is al langer bekend, maar dit pas ontdekte enzym, glycosylase AlkD, houdt er een aparte herstelwijze op na. Dat enzym is er een uit de familie van glycosylases, die is ontdekt door Tomas Lindahl. Hij ontdekte dat die klasse enzymen via het uitsnijden van bases, een onderdeel van de bouwsteen van het DNA, de nucleotide, het DNA repareert. Hij kreeg daar dit jaar de Nobel-prijs voor. Inmiddels zijn er zo’n tien verschillende manieren bekend om DNA te repareren. Bij de reparatiewijze van glycosylases bindt het enzym aan het beschadigde stuk DNA en buigt de dubbele helix zodat de beschadigde base naar buiten klapt. Vervolgens wordt de base eruit geknipt. Andere enzymen herstellen de schade.
Bij de glycosylase AlkD gaat dat anders. Het enzym werd aangetroffen in de bodembacterie Bacillus cereus, een organisme dat voedselvergiftiging kan veroorzaken. AlkD klapt de base niet naar buiten. Zeven jaar geleden ontdekten de onderzoekers rond Eichman dat de structuur van AlkD niet erg leek op zijn familieleden. Ze zagen dat het enzym schade opspoorde aan de hand van, positieve, lading op het DNA. Dat wijst op alkylering, de toevoeging van koolwaterstoffengroepen zoals methyl- of ethylgroepen aan het DNA. Alkyleringsschade is een van de meeste voorkomende vormen van DNA-schade. Ze zijn erg instabiel, zodat ze lastig zijn te bestuderen. Nu zijn de onderzoekers er in geslaagd kristallografische kiekjes te maken van AlkD tijdens het uitsnijden van de alkylgroepen. Ze zagen dat dat niet gebeurde via ‘omklappen’. Het enzym wisselwerkt op verschillende manieren met de ‘ruggengraat’ van DNA (de fosfaat en suikergroepen van het nucleotide), terwijl de beschadigde plek nog in de dubbele helix is verborgen. Drie aminozuren in het enzym schijnen er dan in te slagen de beschadigde base te elimineren.
Het aardige of opmerkelijke, vinden de onderzoekers, is dat AlkD de schade indirect waarneemt, het schijnt veel schadevormen aan te kunnen, zolang die maar geassocieerd zijn met een positieve lading en AlkD is in staat veel grotere hompen weg te snijden dan andere gycosylases. Eichman: “Het is duidelijk dat we nog veel moeten leren van het reparatiesysteem van DNA en dat er ook nog andere reparatiewijzen zullen worden ontdekt. Dit onderzoek maakt in ieder geval duidelijk dat er een veel breder scala aan DNA-schade kan worden gerepareerd dan we tot nu toe dachten. Bacteriën gebruiken deze methode om zichzelf te beschermen tegen antibacteriële stoffen die ze produceren. Ook mensen zouden zulke enzymen kunnen hebben. Dat zou van betekenis kunnen zijn omdat deze enzymen, als ze bestaan, de effectiviteit teniet zou kunnen doen van kankermedicijnen die ontworpen zijn om replicatie te voorkomen.”

Bron: EurekaAlert & EurekAlert