Cohesine: het moleculaire ‘elastiekje’ dat ons DNA in vorm houdt
Cohesine is een eiwitcomplex dat in vrijwel elke cel van ons lichaam een cruciale, bijna onzichtbare taak vervult: het houdt kopieën van chromosomen bij elkaar totdat een cel klaar is om zich te delen. Stel je voor dat je een dik boek compleet dupliceert, pagina voor pagina, om straks twee identieke exemplaren te hebben. Voordat je de stapels uit elkaar haalt, wil je zeker weten dat elke originele pagina netjes gekoppeld blijft aan zijn kopie, anders raakt alles door elkaar. Cohesine is de paperclip die dat koppel bij elkaar houdt, tot het juiste moment om ze te scheiden.
Maar cohesine doet meer dan alleen chromosomen bij elkaar nieten tijdens celdeling. Het speelt ook een rol in hoe DNA in de celkern wordt opgevouwen tot lussen en compartimenten, zodat genen en de schakelaars die ze aan- of uitzetten elkaar kunnen vinden in de chaos van meters DNA die in een piepklein kernvolume gepropt zit. Fouten in cohesine worden in verband gebracht met zeldzame aangeboren afwijkingen en met kanker, wat het complex tot een actief onderzoeksonderwerp maakt binnen de moleculaire biologie en genetica.
Wat is het precies?
Cohesine is opgebouwd uit meerdere eiwitten die samen een ringvormige structuur vormen. De kern bestaat uit twee lange, staafvormige eiwitten, SMC1 en SMC3 (SMC staat voor structural maintenance of chromosomes), die aan één kant met elkaar verbonden zijn via een scharnier. Aan de andere kant worden ze verbonden door een derde eiwit, RAD21 (ook wel SCC1 genoemd), waardoor er een gesloten ring ontstaat. Een vierde onderdeel, STAG1 of STAG2 (ook wel SA1/SA2 genoemd), hangt aan deze ring en helpt bij het reguleren van de functie.
Na het kopiëren van het DNA, tijdens de zogeheten S-fase van de celcyclus, klemt deze ring zich om de twee identieke DNA-strengen (de zusterchromatiden) heen. Zo blijven ze fysiek verbonden totdat de cel klaar is om zich te delen. Op het juiste moment, tijdens de anafase, knipt een enzym genaamd separase het RAD21-onderdeel van de ring door, waardoor de ring opent en de chromatiden naar tegenovergestelde polen van de cel kunnen worden getrokken.
Een tweede, later ontdekte functie van cohesine is minstens zo belangrijk: het complex kan actief DNA ‘inspoelen’ en zo lussen vormen, een proces dat lus-extrusie (loop extrusion) wordt genoemd. Samen met een ander eiwit, CTCF, dat als een soort verkeersbord op specifieke DNA-plekken bindt, bepaalt cohesine waar deze lussen stoppen. Zo ontstaan afgebakende genomische ‘buurten’, TAD’s genaamd (topologically associating domains), waarbinnen genen makkelijker contact kunnen maken met hun regulerende elementen, terwijl invloeden van buiten die buurt worden gedempt. Een ander eiwit, WAPL, doet het tegenovergestelde van cohesine: het maakt de ring weer los van het DNA, waardoor er een voortdurende balans is tussen vastklemmen en loslaten die de grootte en locatie van deze lussen bepaalt.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers bestuderen cohesine om fundamentele vragen te beantwoorden: hoe zorgt een cel ervoor dat genetisch materiaal correct wordt verdeeld bij elke deling, en hoe wordt drie meter DNA per cel zodanig opgevouwen dat de juiste genen op het juiste moment worden afgelezen? Fouten in dit proces kunnen leiden tot cellen met een verkeerd aantal chromosomen (aneuploïdie), een kenmerk dat vaak voorkomt bij kanker en bij aangeboren aandoeningen.
Een tweede drijfveer is medisch: mutaties in cohesine-genen worden gevonden bij zowel zeldzame ontwikkelingsstoornissen als bij verschillende vormen van kanker. Door precies te begrijpen wat er misgaat wanneer cohesine niet goed functioneert, hopen onderzoekers biomarkers te vinden voor diagnose en prognose, en op termijn therapieën te ontwikkelen die selectief cellen met een defecte cohesine aanpakken zonder gezonde cellen te beschadigen.
Daarnaast voedt cohesine-onderzoek de bredere kennis over hoe het genoom in de driedimensionale ruimte van de celkern is georganiseerd. Deze kennis is relevant voor iedereen die het effect van genetische veranderingen wil voorspellen, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van gentherapieën of bij het interpreteren van CRISPR-gebaseerde ingrepen: een gen-editie die op papier goed lijkt, kan toch een onverwacht effect hebben als die de 3D-vouwing van het DNA verstoort.
Voorbeelden uit de praktijk
Ontdekking in gist (jaren negentig). Cohesine werd voor het eerst beschreven in bakkersgist door de groep van bioloog Kim Nasmyth, destijds verbonden aan het IMP in Wenen en later aan de universiteit van Oxford. Zijn werk uit de tweede helft van de jaren negentig legde de basis voor het begrip dat een specifiek eiwitcomplex verantwoordelijk is voor het samenhouden van zusterchromatiden.
Genoomarchitectuur in kaart brengen (2009 en later). Job Dekker en collega’s, verbonden aan UMass Chan Medical School in de Verenigde Staten, ontwikkelden de Hi-C-techniek, waarmee onderzoekers voor het eerst op grote schaal konden meten welke delen van het genoom fysiek dicht bij elkaar liggen in de celkern. Vervolgstudies, waarbij cohesine tijdelijk uit cellen werd verwijderd, lieten zien dat de karakteristieke lusstructuren van het genoom instortten zonder cohesine, wat een direct bewijs leverde voor de rol van cohesine in genoomvouwing.
Cohesine in actie zien (rond 2019). Onderzoeksgroepen van Cees Dekker (TU Delft) en Jan-Michael Peters (IMP Wenen) slaagden erin om, met behulp van geavanceerde microscopietechnieken, individuele cohesinemoleculen in real time DNA-lussen te zien vormen in een reageerbuis. Dit was een van de eerste keren dat lus-extrusie letterlijk zichtbaar werd gemaakt in plaats van alleen afgeleid uit indirecte metingen.
Cornelia de Lange-syndroom. Dit zeldzame aangeboren syndroom, dat gepaard gaat met groeivertraging, kenmerkende gelaatstrekken en verstandelijke beperking, bleek in een groot deel van de gevallen te worden veroorzaakt door mutaties in het NIPBL-gen, dat cohesine op het DNA helpt laden. Deze koppeling werd voor het eerst beschreven in 2004 door twee onafhankelijke onderzoeksgroepen, en is sindsdien uitgebreid met mutaties in andere cohesine-gerelateerde genen zoals SMC1A en HDAC8.
Kankeronderzoek. Grootschalige DNA-sequencingprojecten, zoals The Cancer Genome Atlas, brachten aan het licht dat het cohesine-onderdeel STAG2 behoort tot de vaakst gemuteerde genen bij blaaskanker, en dat mutaties in cohesine-genen ook regelmatig voorkomen bij bepaalde vormen van leukemie en bij ewingsarcoom, een zeldzame bottumor. Dit maakte cohesine tot een onderwerp binnen de oncologie, los van zijn oorspronkelijke rol in de celdeling.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om te beseffen dat cohesine geen technologie is die ‘klaar’ moet worden ontwikkeld, maar een natuurlijk mechanisme dat steeds beter wordt begrepen. De basisstructuur van het complex en zijn rol bij celdeling zijn intussen goed gedocumenteerd, mede dankzij structuurbiologisch onderzoek met cryo-elektronenmicroscopie in de afgelopen jaren. Ook de rol bij lus-extrusie en genoomvouwing wordt breed geaccepteerd binnen de vakgemeenschap.
Toch blijven er belangrijke open vragen. Onduidelijk is bijvoorbeeld nog precies hoe de motor van cohesine op moleculair niveau energie gebruikt om DNA in te spoelen, en hoe de cel bepaalt welke cohesinemoleculen waar actief zijn. Ook het verband tussen cohesineverlies en celveroudering (senescentie) wordt onderzocht, maar is nog niet uitgekristalliseerd.
Op klinisch vlak worden mutaties in cohesine-genen inmiddels meegenomen in sommige kankerdiagnostiekpanels, als aanvullende informatie over de aard van een tumor. Concrete geneesmiddelen die specifiek op cohesine aangrijpen, bijvoorbeeld door het regulerende eiwit WAPL te remmen, bevinden zich echter nog in een pril, overwegend preklinisch stadium: onderzoek in cellijnen en diermodellen, nog geen goedgekeurde behandelingen. Een belangrijk obstakel is dat cohesine essentieel is voor vrijwel alle cellen, dus een therapie moet selectief genoeg zijn om alleen zieke cellen te raken.
Wie werken eraan?
Het onderzoeksveld rond cohesine is internationaal en verspreid over verschillende disciplines. In Oostenrijk speelt het Research Institute of Molecular Pathology (IMP) in Wenen, met onder meer de groep van Jan-Michael Peters, van oudsher een centrale rol in het structuur- en mechanismeonderzoek. In de Verenigde Staten is UMass Chan Medical School, waar Job Dekker werkt, een belangrijk centrum voor onderzoek naar genoomarchitectuur. In Nederland draagt de groep van biofysicus Cees Dekker aan de TU Delft bij met single-molecule beeldvormingstechnieken waarmee cohesine letterlijk ‘in actie’ kan worden bestudeerd.
Daarnaast zijn grote kankeronderzoeksconsortia, zoals The Cancer Genome Atlas in de Verenigde Staten en verschillende Europese centra verbonden aan instellingen als het Wellcome Sanger Institute in het Verenigd Koninkrijk, betrokken bij het in kaart brengen van cohesine-mutaties in tumoren. Voor de zeldzame aangeboren cohesinopathieën zijn patiëntenorganisaties zoals de CdLS Foundation belangrijke partners, die klinisch onderzoek ondersteunen en families met elkaar in contact brengen. Financiering komt doorgaans van nationale onderzoeksfondsen, de Europese Onderzoeksraad (ERC) en gezondheidsinstituten zoals de Amerikaanse NIH.