Eindelijk inwendige structuur van chromosomen ontrafeld

Vijftig jaar nadat Francis Crick en James Watson de structuur van het DNA-molecuul ontrafelden, claimt een Spaanse moleculair bioloog te hebben ontdekt hoe DNA ligt opgeslagen in chromosomen.

De uitwendige vorm van chromosomen, onze erfelijkheidsdragers, wordt bepaald door hun inwendige structuur. Die inwendige structuur laat zich het best omschrijven als een nette opeenstapeling van bestanddeeltjes. Dat zijn in een notendop de twee belangrijkste conclusies die moleculair bioloog Joan-Ramon Daban, verbonden aan de universiteit van Barcelona, deze maand publiceerde in het vakblad Journal of the Royal Society Interface. Zijn conclusies zijn opmerkelijk, omdat biologen al decennialang – en tot nu toe tevergeefs – proberen om de inwendige structuur van chromosomen te ontrafelen.

Centraal in het artikel van Daban staan de bestanddeeltjes van chromosomen, de zogeheten nucleosomen. Nucleosomen zijn een soort van kraaltjes van DNA, bestaande uit een stukje DNA-helix gewikkeld om een ‘spoel-eiwit’. Die DNA-kraaltjes zijn aaneengeregen tot lange parelsnoeren van 30 nm dikte.

LEES OOK

‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’

Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.

Gedurende het grootste deel van de celcyclus drijven die parelsnoeren los van elkaar rond in de celkern. Maar vlak voor een celdeling komen alle DNA-parelsnoeren bij elkaar, en concentreren ze zich tot dichte bundeltjes van snoeren: de chromosomen. De vraag die biologen zichzelf stellen is hoe die bundels er van binnen precies uitzien. Is zo’n bundeltje een onoverzichtelijke brei waarin DNA-parelsnoeren kriskras door elkaar lopen? Of is het parelsnoer juist netjes opgevouwen?

Volgens Daban geldt het laatste. Hij stelt dat het DNA-parelsnoer is opgevouwen in nette, opeengestapelde laagjes. Die laagjes bevatten elk een even groot stukje parelsnoer, en liggen precies op elkaar, zodat geen enkel laagje uitsteekt.

Het idee dat chromosomen zijn opgebouwd uit nette stapeltjes van DNA-parelsnoeren bestaat in principe al langer, maar Daban meent er nu ook een bewijs voor te hebben gevonden. In het artikel dat Daban deze maand publiceerde, slaagt de Spaanse moleculair bioloog er in om uit het stapeltjes-model de uitwendige vorm van chromosomen af te leiden.

Daban gaat er in zijn berekeningen van uit dat de DNA-kraaltjes elkaar van alle kanten aantrekken, net als de watermoleculen in een waterdruppel. Bij een waterdruppel leidt dat tot een bolvorm. Dat bij chromosomen een cilindervorm ontstaat, zou er mee te maken hebben dat de aantrekkingskracht tussen de DNA-kraaltjes niet in alle richtingen even sterk is. De verbindingen tussen DNA-kraaltjes in het DNA-parelsnoer zijn sterker dan de verbinding tussen de verschillende laagjes van het opgevouwen parelsnoer. Met andere woorden: een DNA-kraaltje is steviger verbonden met een DNA-kraaltje dat zich in hetzelfde laagje bevindt, dan met een DNA-kraaltje dat zich in een onder- of bovengelegen laagje bevindt.

Doordat de aantrekkingskracht tussen verschillende laagjes aan de randen van een chromosoom afneemt, heeft een chromosoom een glad oppervlak, waarbij geen enkel laagje uitsteekt. Een andere consequentie is dat chromosomen een cilindervorm hebben in plaats van een bolvorm. Dat heeft er mee te maken dat in een bolvorm elk laagje net ietsjes eerder of later eindigt dan het boven- en onderliggende laagje. Je zou dus kunnen zeggen dat in een bolvorm elk laagje een beetje uitsteekt. Door de onderlinge aantrekkingskrachten tussen de laagjes is die situatie echter instabiel. In plaats van een bolvorm ontstaat er daarom een cilindervorm.

Daban nam echter geen genoegen met een verklaring van de cilindervorm alleen. Een andere doelstelling van hem was om te verklaren waarom chromosomen langwerpig zijn. Met andere woorden: waarom is een chromosoom hoger dan breed?

De totale oppervlakte van een cilinder is minimaal wanneer de breedte van een cilinder gelijk is aan de hoogte er van. Dat is bijvoorbeeld precies de reden waarom conservenblikken, zoals die voor bruine bonen en erwtensoep, even hoog als breed zijn: om het materiaalgebruik te minimaliseren.

Voor chromosomen geldt dat de hoogte ervan groter is de breedte. Die verhouding tussen de hoogte en de diameter van een chromosoom is opmerkelijk constant. Er bestaan tussen plant- en diersoorten onderling grote verschillen in genoomgrootte, en ook in het aantal chromosomen. Maar de ‘hoogte/breedte’-verhouding van chromosomen ligt voor alle soorten in dezelfde orde van grootte. Voor mensen is die verhouding 11, voor rijst 8, en voor dennenbomen 18. Het gemiddelde voor alle soorten samen ligt op 13.

Als Daban gelijk heeft, is de reden achter die universele ‘hoogte/breedte’-verhouding dat de DNA-kraaltjes aan de uiteinden van chromosomen (in de zogeheten telomeren) elkaar nog minder aantrekken dan de DNA-kraaltjes die zich in de ‘zijwanden’ van chromosomen bevinden. De langwerpige vorm van een chromosoom is het resultaat van dat verschil in onderlinge aantrekkingskracht. De verhouding van de onderlinge aantrekkingskracht in de telomeren ten opzichte van de aantrekkingskracht in de zijwanden, is namelijk even groot als de verhouding tussen de lengte en de breedte van een chromosoom. Er geldt bijvoorbeeld dat als de aantrekkingskracht die een DNA-kraaltje in een telomeer ondervindt 10 hoger is dan in de aantrekkingskracht in de zijwanden, de chromosoom 10 keer zo hoog zal zijn als breed.

De conclusies van Daban zijn het resultaat van pionierswerk. Vervolgonderzoek zal moeten aantonen in hoeverre zijn conclusies kloppen. Maar mochten zijn berekeningen inderdaad kloppen, dan heeft Daban twee vliegen in één klap geslagen. Niet alleen heeft hij in dat geval een antwoord gevonden op de vraag waarom chromosomen hun specifieke vorm hebben, ook levert hij daarmee tegelijkertijd sterk bewijs dat het stapeltjes-model de juiste is.

Lees ook:

• De blunder van Darwin