Hoe onze eencellige verwanten hun DNA opwinden
Een groep eencellige organismen organiseert haar DNA op een soortgelijke manier als hogere organismen als planten, dieren en schimmels. Toch verschilt de manier waarop opgerold DNA van de twee verwante groepen wordt afgelezen, ontdekte Bram Henneman. Hij promoveert op 5 december.
De meest basale organismen op aarde zijn eencellig en hebben geen celkern. Pas rond 1970 werd ontdekt dat deze organismen twee verschillende groepen vormen, namelijk bacteriën en archaea. Oppervlakkig gezien lijken ze op elkaar, maar hun biochemie is fundamenteel anders, en daarom worden ze nu als twee domeinen van het leven beschouwd. Tot het derde domein behoren organismen met cellen die een kern hebben, de eukaryoten, waar de mens onder valt.
DNA veilig en netjes bewaren
Archaea, zo blijkt uit hun biochemie, staan dichter bij eukaryoten dan bij bacteriën. Daarop berust het idee dat eukaryoten van een archaea-voorouder afstammen. Dat idee wordt steeds sterker. Nu blijkt ook de organisatie van het DNA ermee in lijn te zijn.
Een DNA-molecuul is uiterst dun en lang. Om het veilig en netjes te bewaren, draaien cellen een DNA-draad strak in elkaar, zodat hij compact wordt. Tegelijkertijd moeten genen die op zo’n DNA-molecuul liggen toegankelijk zijn voor de celonderdelen die ze aflezen en overschrijven tot boodschapper-RNA op het moment dat ze tot expressie moeten komen. Voor de organisatie van het DNA (compact maken, expressie regelen) zorgen DNA-bindende eiwitten.
‘Er zijn verschillende typen van die eiwitten’, vertelt Henneman. ‘Ik heb me gewijd aan één type, de histonen. Die komen bij archaea en eukaryoten voor, maar niet bij bacteriën. Ze kunnen licht werpen op de evolutie van eukaryoten.’
Dynamisch geheel
Histonen blijken bij archaea iets anders te functioneren dan bij eukaryoten. Bij eukaryoten vormen acht histon-exemplaren een bolletje, waar een stukje DNA twee keer omheen gewikkeld wordt. Zo’n bolletje heet een nucleosoom; omwikkelde bolletjes liggen als een ketting naast elkaar.
Bij archaea zijn zulke bolletjes niet gevonden, maar organiseren de histonen het DNA op een andere manier. Sommige archaea-histonen vormen eenheden van twee stuks, waar een stukje DNA omheen buigt. Henneman: ‘Een onbepaald aantal van die eenheden wordt opgestapeld tot een hypernucleosoom, zoals wij het genoemd hebben. Dat is een staafvormige structuur waar een lang stuk DNA omheen gewikkeld is.’
Bij de nucleosomen van eukaryoten regelen chemische groepen aan de histonen of een stukje DNA al dan niet wordt afgelezen. De hypernucleosomen van archaea kunnen waarschijnlijk niet worden afgelezen, denkt Henneman. Toch zit het DNA niet permanent opgeborgen in hypernucleosomen, legt hij uit. ‘Omdat er eenheden aan zo’n hypernucleosoom gezet en ervan afgehaald kunnen worden, is het een dynamisch geheel van variabele lengte. Afhankelijk van de omstandigheden wordt zo meer of minder DNA tegen aflezing beschermd.’
Zoutkorst
‘Het leukste vond ik dat tijdens mijn onderzoek een nieuwe archaea-soort gevonden is die leeft op zoutkorsten in de woestijn, een Nanosalina-soort. Als eersten hebben wij de histonen van deze soort bestudeerd. De soort is niet te kweken, maar we konden het DNA dat codeert voor drie van zijn histonen sequensen, nabouwen en in een bacterie tot expressie brengen om te zien wat ze met DNA deden. Op grond van de DNA-sequentie en ons eerdere onderzoek verwachtten we dat één van de drie histonen die we bekeken een hypernucleosoom zou kunnen vormen. Dat lijkt te kloppen.’
Bram Henneman promoveert 5 december op het proefschrift Histone-DNA assemblies in archaea - shaping the genome on the edge of life. Zijn promotoren zijn Remus Dame en Marcellus Ubbink.
Tekst: Willy van Strien
Beeld: Grand Prismatic Spring bij Yellowstone National Park
Archaea staan erom bekend dat ze leven onder zeer extreme omstandigheden, zoals Nanosalina. Maar archaea komen overal voor, ook op vele plekken van ons lichaam. Ze maken onder meer deel uit van onze darmflora, waar ze mogelijk een bijdrage leveren aan onze gezondheid. Ook zijn archaea verantwoordelijk voor de opname en uitstoot van methaan en stikstofverbindingen, waarmee ze relevant zijn voor milieu en klimaat. Daarnaast worden componenten uit archaea in de voedingsmiddelenindustrie gebruikt, omdat ze vaak goed bestand zijn tegen extreme condities als hitte en zuur.