De geheimen van DNA-reparatie ontrafeld

Ons lichaam is expert in het verzorgen van ons DNA en controleert voortdurend op schade die moet worden hersteld om ons gezond te houden. Delen van DNA die zeer repetitief zijn, zoals de sequentie die de ziekte van Huntington (ZvH) veroorzaakt, zijn erg lastig te onderhouden en ons lichaam kan proberen ze te repareren, maar maakt het soms erger! Dit kan de herhalingssequenties langer en nog giftiger maken voor onze cellen. In deze studie, geleid door de CHDI-stichting, kijken onderzoekers in detail naar de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het langer maken van die sequenties bij de ZvH, zodat we een beter idee krijgen van hoe ze werken en hoe we ze mogelijk kunnen stoppen. Laten we eens nader kijken.

De kapotte rits: hoe DNA-reparatie de ZvH verergert

DNA bestaat uit vier letters: A, T, G en C. Reeksen van deze letters vormen de instructies die ons lichaam vertellen hoe het alle verschillende eiwitten moet maken die we nodig hebben om te functioneren en gezond te zijn. Bij de ZvH is er een langere reeks C-A-G-letterherhalingen in de sequentie voor het Huntingtine-gen. Gedurende het leven kan de grootte van deze herhalingen langer worden in sommige hersencellen die het meest worden aangetast door de ZvH. Dit proces wordt somatische expansie genoemd.

Stel je voor dat het DNA in je cellen is als de rits van een jas, en de ritstanden zijn de letters van het DNA. Normaal gesproken beweegt de rits soepel op en neer, maar er kunnen zwakke plekken zijn waar gemakkelijk een bobbel of lus kan ontstaan.

Je hebt een kleermaker die ritsfouten herstelt, en meestal zijn ze enorm behulpzaam. Maar op de zwakke plek in de rits maakt de kleermaker het probleem soms erger, en in plaats van de bobbel glad te strijken, voegen ze extra tanden toe aan de rits.

Nu heeft de zwakke plek elke keer dat de rits wordt geopend en gesloten de kans om groter te worden. Bij de ZvH is de zwakke plek vergelijkbaar met de C-A-G-herhalingen in het Huntingtine-DNA, en de kleermaker is de DNA-reparatiemachinerie in de cel. Dit is een belangrijke beschermer van het DNA in onze cellen, vooral om veranderingen in onze DNA-sequentie te voorkomen, die kanker zouden kunnen veroorzaken. Desondanks kunnen lange C-A-G-herhalingen, zoals die bij de ZvH, de reparatierespons soms in verwarring brengen, waardoor de herhalingen nog langer worden. Dit proces wordt somatische expansie genoemd en sommige wetenschappers denken dat dit ervoor kan zorgen dat sommige hersencellen ziek worden.

Een belangrijk onderdeel van de DNA-reparatie kleermaker betrokken bij expansie zijn twee eiwitten genaamd MSH2 en MSH3. Ze werken samen als een team en staan collectief bekend als MutSβ (uitgesproken als mute-ess-bèta). Eerdere analyse van het DNA van duizenden individuen met de ZvH heeft ons laten zien dat MutSβ invloed kan hebben op de leeftijd waarop symptomen beginnen. Hierdoor is MutSβ een spannend gebied van ZvH-onderzoek geworden, wat heeft aangetoond dat het stoppen van MutSβ om op de beschadigde DNA-rits in te werken, de somatische expansie en progressie van de ziekte zou kunnen vertragen.

Onderzoeksstudies laten steeds meer zien dat het remmen van MSH3, of het verminderen van de hoeveelheid MSH3 in de hersenen, kan voorkomen dat C-A-G-herhalingen langer worden en zelfs de C-A-G-lengte kan verminderen, waardoor het een spannend doelwit wordt voor nieuwe potentiële ZvH-therapieën.

Een kijkje nemen in hoe de mismatch-reparatie-eiwitten werken

Om beter te begrijpen hoe het MutSβ-complex de DNA-rits erger kan maken, gebruikten de auteurs een techniek genaamd cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM). Dit is een manier om naar de vorm en structuur van eiwitmoleculen te kijken – alsof je een momentopname maakt van hoe ze er op een specifiek moment uitzien.

Stel je voor dat je wilt zien hoe een sneeuwvlok er echt uitziet. Als je het te lang op je handschoen laat liggen nadat het is geland, zal het smelten of van vorm veranderen voordat je al zijn ingewikkelde details kunt zien.

Cryo-EM werkt als een camera voor minuscule biologische “sneeuwvlokken”. Monsters worden snel bevroren zodat het eiwit in zijn natuurlijke vorm wordt gevangen. Er worden veel momentopnames gemaakt, die verschillende vormen en posities kunnen vastleggen die het eiwit kan aannemen. Dit helpt ons om te begrijpen hoe de eiwitten van vorm veranderen om hun taken uit te voeren.

In deze studie gebruikten de wetenschappers cryo-EM om een foto te maken van MutSβ zowel voor als nadat het aan DNA is gebonden. Ze konden 9 verschillende afbeeldingen van MutSβ produceren, waaronder de volgende omstandigheden:

• Wanneer het niet aan DNA vastzit
• Wanneer het gebonden is aan normaal foutloos DNA
• Wanneer het gebonden is aan DNA met niet-overeenkomend DNA

Deze afbeeldingen laten zien hoe het MutSβ-complex beweegt en van vorm verandert wanneer het fouten in DNA opmerkt. Normaal gesproken helpt dit de cel om het DNA te repareren, maar in het geval van de ZvH kan het de zaken erger maken.

De onderzoekers ontdekten dat de vorm en positie van MutSβ afhangen van of het aan DNA vastzit en van kleine energiemoleculen zoals ATP. ATP-moleculen zijn als de energiepakketjes van de cel, een beetje zoals brandstof voor een motor, die alles draaiende kan houden. Beide delen van MutSβ, MSH2 en MSH3, kunnen ATP grijpen en gebruiken om reparaties aan DNA uit te voeren.

De momentopnames van MutSβ uit deze studie laten zien dat het begint in een open klemvorm. Deze open klem kan DNA vastpakken en erlangs scannen, op zoek naar fouten in de DNA-rits. Wanneer een fout wordt gevonden, klapt de klem dicht en kan langs het DNA glijden, aangedreven door ATP. Dit zet de volgende stappen van het reparatieproces in gang. Als zijn taak is volbracht, gebruikt MutSβ meer ATP om zichzelf van het DNA af te halen.

Waarom geven we om de MutSβ-structuur?

Door de vorm van MutSβ zo gedetailleerd mogelijk uit te zoeken, vooral wanneer het zijn taak uitvoert om DNA te repareren, kunnen we holtes op het eiwitoppervlak vinden waar een toekomstig medicijn aan zou kunnen hechten om dit proces te stoppen. Het is als zoeken naar de juiste sleutel die perfect in een specifiek sleutelgat past. Als we weten hoe het eiwit eruitziet, kunnen we een medicijn perfect ontwerpen dat ergens stevig aan het eiwit zou moeten binden en het zou stoppen met werken. Uiteindelijk zou het kunnen stoppen of zelfs omkeren van C-A-G-herhalingsexpansie een geweldige therapeutische route kunnen zijn voor de ZvH, evenals voor andere ziekten die ook worden veroorzaakt door herhalingsexpansie, waaronder verschillende spinocerebellaire ataxieën en spinale en bulbaire spieratrofie.

Samenvatting:

• MutSβ (MSH2 + MSH3) is een DNA-reparatiemachine die normaal gesproken helpt kankerverwekkende mutaties te voorkomen.
• Bij de ZvH kan MutSβ soms per ongeluk CAG-herhalingen in het HTT-gen langer maken, wat wordt gedacht te leiden tot neuronale dood en snellere ziekteprogressie.
• Nieuwe gegevens over de 3D-structuur van de MutSβ-eiwitten en hoe deze moleculaire machine werkt, zullen helpen bij het ontwerpen van medicijnen die de activiteit ervan kunnen remmen, waardoor de verlenging van CAG-herhalingen wordt voorkomen.

Meer leren

Origineel onderzoeksartikel, “Elucidation of multiple high-resolution states of human MutSβ by cryo-EM reveals interplay between ATP/ADP binding and heteroduplex DNA recognition” (open access).