Hoe DNA-verpakkers in 1,5 miljard jaar evolutie hun eigen stijl ontwikkelden

In elke cel van je lichaam zit een streng DNA die, helemaal uitgerold, ruim twee meter lang zou zijn. Toch past dat probleemloos in een celkern die je alleen met een microscoop kunt zien. Dat lukt dankzij kleine eiwitten die het DNA als een soort garenklosjes oprollen. Nieuw onderzoek laat zien dat deze eiwitten in de loop van miljarden jaren evolutie flink zijn veranderd, en dat die veranderingen invloed hebben op hoe DNA precies wordt opgevouwen.

De eiwitten waar het om gaat heten histonen. Ze vormen samen een soort spoel, de nucleosoom genoemd, waar het DNA-draadje omheen wikkelt. Al die spoelen samen met het DNA erop vormen chromatine, het materiaal waaruit chromosomen bestaan. Hoe strak of los dat chromatine is opgevouwen, bepaalt onder andere welke genen makkelijk afgelezen kunnen worden.

Wetenschappers wisten al dat histonen niet bij elke soort precies hetzelfde zijn. Maar wat die verschillen precies betekenen voor de manier waarop DNA wordt opgevouwen, was tot nu toe grotendeels onduidelijk.

Duizenden organismen vergeleken

Een onderzoeksteam dook in eiwitdatabases en verzamelde histon-gegevens van maar liefst 3241 verschillende organismen. Dat zijn soorten die samen een periode van meer dan 1,5 miljard jaar evolutie overspannen, veel langer dan de tijd sinds er dieren op aarde bestaan.

Met die gegevens bouwden de onderzoekers digitale, virtuele modellen van nucleosomen na op de computer. Ze berekenden onder andere de elektrische lading van deze spoelen, want DNA en histonen trekken elkaar aan via elektrostatische krachten, vergelijkbaar met hoe een opgewreven ballon papiersnippers aantrekt. Daarnaast draaiden ze computersimulaties die laten zien hoe deze moleculen zich in de praktijk gedragen.

Grote verschillen in gedrag

Uit deze berekeningen bleek dat de nucleosomen van verschillende organismen behoorlijk uiteenlopen in hun natuurkundige eigenschappen. Om te testen wat dat in de praktijk betekent, kozen de onderzoekers een aantal sterk verschillende nucleosomen uit en simuleerden hoe grotere stukken chromatine, opgebouwd uit meerdere van deze spoelen achter elkaar, zich gedragen.

Het resultaat: de manier waarop chromatine zich als geheel gedraagt, verschilt dramatisch tussen deze varianten. Sommige vormen van chromatine klonteren makkelijker samen dan andere, wat weer gevolgen kan hebben voor hoe compact of los het DNA in de cel ligt.

De onderzoekers concluderen dat histonen door de evolutie heen mogelijk niet zomaar willekeurig zijn veranderd, maar dat deze veranderingen samenhangen met specifieke manieren waarop chromatine zich gedraagt op een grotere schaal dan die van één enkele spoel.

Bron: Nucleosome simulations suggest mechanisms of electrostatically-driven mesoscale chromatin evolution