Onderzoek aan de Universiteit van York heeft uitgewezen dat genen worden aangestuurd door 'nanovoetballen' - structuren die eruitzien als voetballen, maar 10 miljoen keer kleiner zijn dan de gemiddelde bal.

Door minuscule gloeiende sondes te plaatsen op transcriptiefactoren - speciale chemicaliën in cellen die bepalen of een gen 'aan' of 'uit' wordt gezet - kregen onderzoekers een opmerkelijk nieuw inzicht in de manier waarop genen worden aangestuurd.

Cruciaal, ze ontdekten dat transcriptiefactoren niet als afzonderlijke moleculen werken zoals eerder werd gedacht, maar als een bolvormige voetbalachtige cluster van ongeveer zeven tot tien moleculen van ongeveer 30 nanometer in diameter.

De ontdekking van deze nanovoetballen zal onderzoekers niet alleen helpen meer te begrijpen over de fundamentele manieren waarop genen werken, maar kan ook belangrijke inzichten verschaffen in gezondheidsproblemen bij de mens die verband houden met een reeks verschillende genetische aandoeningen, waaronder kanker.

Het onderzoek, ondersteund door de Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) en gepubliceerd in eLife werd uitgevoerd door wetenschappers van de Universiteit van York, en de Universiteit van Göteborg en de Chalmers University of Technology, Zweden. De onderzoekers gebruikten geavanceerde superresolutiemicroscopie om de nanovoetballen in realtime te bekijken, met behulp van hetzelfde type gistcellen die worden gebruikt bij het bakken en brouwen van bier.

Professor Mark Leak, voorzitter van Biologische Fysica aan de Universiteit van York, die het werk leidde, zei:"Ons vermogen om in levende cellen te kijken, één molecuul tegelijk, is gewoon adembenemend.

"We hadden geen idee dat we zouden ontdekken dat transcriptiefactoren op deze geclusterde manier werkten. De leerboeken suggereerden allemaal dat afzonderlijke moleculen werden gebruikt om genen aan en uit te zetten, niet deze gekke nano-voetballen die we hebben waargenomen."

Het team gelooft dat het clusteringsproces te danken is aan een ingenieuze strategie van de cel om transcriptiefactoren in staat te stellen hun doelgenen zo snel mogelijk te bereiken.

Professor Leake zei:"We ontdekten dat de grootte van deze nano-voetballen opmerkelijk nauw overeenkomt met de gaten tussen het DNA wanneer het in een cel wordt gekreukt. Omdat het DNA in een kern er echt in wordt geperst, je krijgt kleine openingen tussen afzonderlijke DNA-strengen die lijken op het gaas in een visnet. De grootte van dit gaas komt heel dicht in de buurt van de grootte van de nano-voetballen die we zien.

"Dit betekent dat nano-voetballen langs DNA-segmenten kunnen rollen, maar dan naar een ander nabijgelegen segment kunnen springen. Hierdoor kan de nano-voetbal veel sneller het specifieke gen vinden dat het bestuurt dan wanneer er geen nano-hopping mogelijk zou zijn. Met andere woorden, cellen kunnen zo snel mogelijk reageren op signalen van buitenaf, dat is een enorm voordeel in de strijd om te overleven."

Genen zijn gemaakt van DNA, het zogenaamde molecuul van het leven. Sinds de ontdekking dat DNA een dubbele helixvorm heeft, gemaakt in de jaren vijftig door baanbrekende biofysische onderzoekers, er is veel geleerd over transcriptiefactoren die kunnen bepalen of een gen wordt in- of uitgeschakeld. Als een gen is ingeschakeld, gespecialiseerde moleculaire machinerie in de cel leest de genetische code af en zet deze om in een enkel eiwitmolecuul. Er kunnen dan duizenden verschillende soorten eiwitmoleculen worden gemaakt, en wanneer ze op elkaar inwerken, kan dat de bouw van alle opmerkelijke structuren in levende cellen stimuleren.

Het proces om te controleren welke genen op een bepaald moment in de tijd worden in- of uitgeschakeld, is fundamenteel voor al het leven. Wanneer het mis gaat, dit kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen. Vooral, disfunctioneel wisselen van genen kan resulteren in cellen die ongecontroleerd groeien en delen, die uiteindelijk tot kanker kunnen leiden.

Dit nieuwe onderzoek kan helpen om inzicht te krijgen in gezondheidsproblemen bij de mens die verband houden met een reeks verschillende genetische aandoeningen. De volgende fasen zullen zijn om dit onderzoek uit te breiden naar meer gecompliceerde soorten cellen dan gist - en uiteindelijk naar menselijke cellen.