Celdeling is van fundamenteel belang voor het leven, waardoor organismen kunnen groeien, weefsels kunnen repareren en zich kunnen voortplanten. Om een ​​cel te laten delen, moet eerst al het DNA in de cel (het genoom) worden gekopieerd, in een proces dat DNA-replicatie wordt genoemd. Maar de precieze dynamiek van replisomes - de eiwitmachinerie die DNA kopieert - was voor wetenschappers moeilijk te bepalen.

Nu hebben onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan een nieuw model ontwikkeld dat variaties kan bepalen in de snelheid waarmee replisomes bacteriële genomen kopiëren. Het model, gecombineerd met experimenten, laat zien dat bepaalde delen van DNA sneller worden gekopieerd dan andere en onthult een intrigerend verband tussen replicatiesnelheid en foutenpercentage. Het onderzoek is gepubliceerd in eLife op 25 juli 2022.

"De machines die DNA kopiëren zijn verbazingwekkend - ze zijn erg snel en zeer nauwkeurig", zegt Simone Pigolotti, universitair hoofddocent bij OIST en hoofd van de Biological Complexity Unit. "Als we deze machines begrijpen, kunnen we zien wat belangrijk is voor cellen:welke fouten zijn acceptabel, welke niet, hoe snel replicatie zou moeten zijn."

Het model is gebaseerd op het meten van hoe overvloedig verschillende DNA-locaties zijn binnen een populatie van bacteriële cellen die zich constant aan het delen zijn. In bacteriën, om DNA-replicatie te starten, hechten twee replisomes zich aan het DNA op een bepaald oorsprongspunt en gaan in tegengestelde richtingen langs de lus van DNA, waarbij ze DNA kopiëren totdat ze elkaar aan de andere kant ontmoeten. Dit betekent dat het DNA dat zich het dichtst bij het beginpunt bevindt als eerste wordt gekopieerd, terwijl het DNA dat zich het dichtst bij het eindpunt bevindt als laatste wordt gekopieerd.

"Als je een populatie bacteriën vrij laat groeien, dan zullen de meeste cellen op een bepaald moment in het proces van celdeling zijn. Omdat DNA-replicatie altijd vanaf dezelfde locatie begint, betekent dit dat als je dan al het DNA , zal er een grotere hoeveelheid DNA zijn die zich het dichtst bij het beginpunt bevindt, en een veel lagere hoeveelheid DNA die dichter bij het eindpunt ligt", legt prof. Pigolotti uit.

In de studie kweekten onderzoekers van de Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit van OIST Escherichia coli (E. coli) bacteriën bij verschillende temperaturen. De sectie Sequentie analyseerde vervolgens het DNA van de bacterie.

Door kenmerken van de distributiecurve te analyseren, konden de onderzoekers de exacte snelheid van de eiwitmachinerie bepalen. Ze ontdekten dat naarmate de temperatuur toenam, de replicatiesnelheid toenam. Nog interessanter is dat de onderzoekers ontdekten dat de replisomes hun snelheid varieerden op verschillende punten in het genoom.

Een mogelijke reden voor hun fluctuerende snelheid, speculeert prof. Pigolotti, is dat er mogelijk grenzen zijn aan de middelen die nodig zijn voor replicatie, zoals nucleotiden - de bouwstenen van DNA.

In E. coli, wanneer de omstandigheden goed zijn, kan een enkele bacteriecel zich elke 25 minuten delen. Maar het proces van het repliceren van DNA duurt langer - ongeveer 40 minuten. Daarom worden, om hoge groeisnelheden bij te houden, meerdere kopieën van het genoom tegelijkertijd gerepliceerd, waardoor het aantal replisomen op het werk toeneemt. Concurrentie om nucleotiden zou er dan voor kunnen zorgen dat de replisomes langzamer gaan werken.

Aanvullend bewijs ondersteunt deze hypothese. Bij lage temperaturen en in voedselarme culturen, wanneer de groeisnelheid van de bacteriën laag is en er slechts één genoom tegelijk gekopieerd zou worden, verdwijnen deze fluctuaties in replicatiesnelheid.

Intrigerend genoeg ontdekten de onderzoekers ook dat de oscillaties die werden gezien voor de replicatiesnelheid ook overeenkwamen met de oscillaties in de mutatiesnelheid die in andere onderzoeken zijn gedocumenteerd. Toen ze de twee patronen over elkaar heen legden, ontdekten ze dat delen van het genoom die sneller werden gekopieerd, ook een hogere mutatiesnelheid hadden.

"Dit lijkt intuïtief - als we een actie bedenken, zoals typen op een toetsenbord, hoe sneller we typen, hoe groter de kans dat we een fout maken", zegt prof. Pigolotti. "Dus we denken dat wanneer de replisomes sneller gaan, hun foutenpercentage hoger is."

Voor prof. Pigolotti is de volgende stap om te bepalen hoe de snelheid van replicatie verandert in mutante stammen van E. coli, zoals degenen die eiwitten missen die helpen bij replicatie. Hij is ook benieuwd of het patroon ook bij andere bacteriestammen standhoudt.

"Het is een heel spannende onderzoeksrichting", zegt prof. Pigolotti. "En al het werk werd gedaan in samenwerking met andere eenheden hier. Het is het soort interdisciplinaire samenwerking dat alleen bij OIST kan gebeuren." + Verder verkennen

Twee eiwitten vertragen de trein van DNA-replicatie in Drosophila