Leidse chemici ontdekken nieuwe manieren waarop eencelligen hun DNA organiseren
We weten nog niet zo lang dat ook eencelligen (bacteriën en archaea) histonen hebben - eiwitten die het DNA structureren. Nu heeft de Leidse promovendus Samuel Schwab ontdekt dat de histonen in deze organismen diverser zijn dan ooit gedacht. Schwab en zijn collega’s beschrijven maar liefst zeventien verschillende groepen, elk met unieke structuren en functies. De ontdekking is gepubliceerd in Nature communications.
‘DNA is zo’n groot molecuul dat het eigenlijk niet in een cel past,’ legt Samuel Schwab uit. Hij is promovendus bij de Dame-groep van het Leiden Institute of Chemistry. ‘Daarom zijn er eiwitten die het DNA compact maken. De bekendste daarvan zijn histonen.’ Lange tijd werd gedacht dat alleen complexe levensvormen over histonen beschikten, totdat wetenschappers ze ook ontdekten in archaea, en uiteindelijk in bacteriën (beiden eencelligen zonder celkern). Histonen vormen een soort bolletjes, nucleosomen genaamd, waar het DNA zich omheen wikkelt.
Met behulp van computerkracht histonen ontleden
In het DNA van archaea en bacteriën bleken echter nog tal van ‘recepten’ te staan die sterk leken op die voor de bekende histonen, maar net wat verschillen vertoonden. ‘Wij wilden heel graag uitzoeken wat voor histonen voortkomen uit deze recepten’, aldus Schwab. ‘Dat is vrij lastig in het lab, maar gelukkig kwam er drie jaar geleden een slim AI-algoritme uit: AlphaFold. Dit programma is heel goed in het voorspellen van eiwitstructuren aan de hand van de bijbehorende sequenties (recepten) in het DNA.’ Uit een enorme eiwit-database verzamelde Schwab maar liefst 6.000 DNA-sequenties die als recept zouden dienen voor nog onbekende histonen in archaea en bacteriën. ‘Met behulp van AlphaFold en de Leidse supercomputerfaciliteit ALICE, hebben we voor al deze sequenties de structuur van de bijbehorende histonen voorspeld.’
Simpele levensvormen met onverwacht veel variatie
De histonen in archaea en bacteriën bleken veel diverser dan eerder gedacht. Schwab identificeerde in totaal zeventien verschillende groepen. Sommigen daarvan waren al bekend, maar er zaten ook totaal nieuwe structuren bij. Vervolgens testten de onderzoekers of de computer het bij het rechte eind had. ‘We hebben voor één van deze nieuwe groepen histonen in het lab de structuur bepaald,’ aldus Schwab. ‘Die bleek bijna geheel overeen te komen met de voorspellingen van de computer!’
Niet alleen wikkelen, maar ook vouwen of bruggen bouwen
Aan de hand van de voorspelde structuren konden de onderzoekers hypotheses vormen over hoe deze eiwitten zich gedragen en wat ze mogelijk met het DNA doen. Ook dit testten de chemici in het lab. Schwab: ‘We zagen dat er niet alleen bolletjes zijn die het DNA wikkelen, maar ook andere structuren die het DNA bijvoorbeeld kunnen vouwen, of die bruggen vormen tussen verschillende stukken van de DNA-strengen, waardoor lusjes kunnen ontstaan.’
‘Ook heel interessant,’ voegt begeleider Remus Dame toe, ‘is dat sommige histonen niet aan het DNA lijken te binden, maar aan membranen. Die hebben dus een andere functie dan DNA-organisatie. Maar dat moeten we nog verder onderzoeken.’
‘We weten nog maar zeer weinig van wat er in de cel eigenlijk gebeurt.’
Een tipje van de sluier
Het onderzoek van de Dame-groep helpt bij een beter begrip van de evolutie van DNA-organisatie en hoe verschillende organismen hun genetisch materiaal beheren. Dame: ‘Daarnaast helpt deze kennis ons met het interpreteren van data en metingen van het DNA. We weten nog maar zeer weinig van wat er in de cel eigenlijk gebeurt.’ Schwab beaamt dat: ‘Er is nog veel te leren over de rol van deze histonen in de cel. ‘Het ontdekken van deze nieuwe varianten is slechts het begin.’
Verder lezen
Schwab, S., Hu, Y., van Erp, B. et al. Histones and histone variant families in prokaryotes. Nat Commun 15, 7950 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-52337-y