De organisatie van DNA in de celkern is een voorgeprogrammeerde wanorde waar je moeilijk de vinger achter krijgt. Met enig mechanisch inzicht komt John van Noort echter een heel eind.

Fysica combineren met moleculaire biologie om te begrijpen hoe DNA zichzelf organiseert en daarmee zijn eigen aflezing regelt, dat is wat John van Noort (46) probeert te doen. Vorig jaar stelde de Universiteit Leiden hem aan als hoogleraar biofysica, en eind april hield hij zijn oratie getiteld ‘Ons genoom gevangen in getallen’. ‘Kwantitatieve wetenschap is goede wetenschap’, hield hij met name de biologen in de zaal voor.

Van Noorts specialisme is chromatine, de opgevouwen vorm van DNA die je aantreft in celkernen. Chromatinevezels zijn 30 nm dikke stapels van nucleosomen, bolletjes van acht histoneiwitten waar 150 basenparen omheen passen. Zo’n nucleosoom is de moeder van alle transcriptiefactoren. ‘Het bepaalt grotendeels of het DNA ter plekke kan worden uitgelezen. De eiwitten die we traditioneel transcriptiefactoren noemen, en die de expressie daadwerkelijk op gang brengen, kunnen hun ding pas doen als het chromatine het toelaat.’

Van Noort bestudeert chromatine met single molecule-technieken, waarmee je het gedrag van één enkel nucleosoom kunt volgen. Dat kan dan een natuurlijk exemplaar zijn of eentje dat zijn groep zelf heeft gesynthetiseerd, en waarvan dus de moleculaire opbouw exact bekend is.

Toen je klein was dacht je vast niet ‘ik word later chromatine-expert’.

‘Niet op de lagere school, nee. Maar op de middelbare school vond ik moleculaire biologie heel intrigerend. Bij die plaatjes van zwarte dozen waar DNA ingaat en RNA uitkomt, ga je je toch afvragen hoe het echt werkt. Eigenlijk zijn het gewoon werktuigen, maar een werktuigbouwkundige weet tenminste van elk moertje en boutje waar het goed voor is. Ik heb veel met Lego gespeeld en die mechanische benadering inspireerde me heel erg.

Ik ben toen moleculaire wetenschappen gaan studeren in Wageningen. Ik begon met moleculaire biologie, maar op een gegeven moment werd het erg uitdagend voor mijn geduld om telkens te moeten wachten tot een gel was ‘uitgerund’. Je moet in het lab heel veel stappen achter elkaar heel nauwkeurig uitvoeren, en pas helemaal aan het einde kun je conclusies trekken. Vandaar dat ik richting natuurkunde ben gegaan: daar moet je ook nauwkeurig werken, maar kun je het onderzoek wat meer in mootjes hakken.

In Wageningen ben ik eerst met MRI aan de slag gegaan. Daarna kon ik promoveren in Twente op het gebied van AFM-micro­scopie, die toen in de kinderschoenen stond. De opdracht was levende cellen af te beelden, maar ik had snel door dat je met een scherpe naald op een slappe cel geen moleculaire resolutie gaat halen. Ik vroeg dus mijn promotor of ik niet beter iets anders kon gaan doen. En zo kwam ik terug bij de moleculaire biologie, in de vorm van DNA-eiwitinteracties.’

En hoe kwam je bij chromatine terecht?

Toen ik in Leiden kon beginnen met een Vidi-beurs, zocht ik iets waarmee ik me een aantal jaren zou kunnen bezighouden en dat zich goed zou lenen voor single-moleculetechnieken. En over chromatine kun je daarmee heel veel dingen leren die je met bulktechnieken niet te weten komt.’

Wat is tot nu toe bekend over de opbouw van chromatine?

‘Er zijn momenteel drie denkrichtingen. Of de nucleosomen vormen een soort zigzagstructuur waar nummer een op nummer drie gaat zitten en twee op vier, enzovoort. Of je krijgt een zogeheten sole­noïde­structuur waarbij een op twee zit en die weer op drie, dus in één stapel. Of, en daar neigen de laatste tijd steeds meer mensen naar: er is geen vaste structuur. Afhankelijk van de lengte van het stuk DNA dat tussen de nucleosomen in zit, zoeken ze hun naaste buur op of slaan ze er noodgedwongen eentje over.

Met afbeeldingstechnieken kom je er niet uit, want daar is het een beetje té wanordelijk voor. Röntgendiffractie werkt ook niet, om dezelfde reden. NMR en kristallografie zijn slechts beperkt toepasbaar want je hebt het over heel grote structuren. Uit elkaar trekken, zoals wij doen, is dan een goed alternatief.

We hebben ook ontdekt waarom die afstanden tussen de nucleosomen verschillen. We hebben een heel aardige link gevonden tussen de DNA-sequentie en de plekken waar nucleosomen ontstaan. Dat kun je heel eenvoudig uitrekenen, en het komt in 80 % van de gevallen overeen met wat je experimenteel vindt. De afwijkingen hebben te maken met introns, stukjes DNA waarvan de vertaling later uit het RNA wordt geknipt. Waar die knip-enzymen op het DNA zitten is geen plek voor nucleosomen.’

Wat zit er nu in de pijplijn?

‘In 2017 hebben we een methode gepubliceerd waarmee je één specifiek gen inclusief alle eiwitten kunt isoleren uit een celextract, zodat je daaraan apart kunt meten. Ook kijken we hoe de chromatinestructuur verandert op het moment dat een gen wordt aangezet. En we zijn bezig met de manier waarop transcriptiefactoren hun weg vinden in het chromatine.

‘Met single-moleculetechnieken leer je veel over chromatine’

Er bestaan zeker 1.600 eiwitten die aan DNA binden, en die hebben allemaal een andere modus. Een aantal jaren geleden hebben we veel gekeken naar chromatin remodelers, dat zijn eiwitten die nucleosomen op het DNA wegduwen van hun voorkeursplek. Gisten hebben bijvoorbeeld RSC-complexen, een soort motoreiwitten die in stapjes van één nucleotide over DNA lopen en daarbij een nucleosoom meenemen. Het totale aantal stappen is altijd een veelvoud van tien, dan zit de helix weer in dezelfde stand op het nucleosoom en past hij dus redelijk.

Het is wel een terugkerend thema: de mechanische eigenschappen van het DNA bepalen waar de nucleosomen komen te zitten, en daarmee ook de hogere-ordestructuur. Maar ze bepalen tevens of een transcriptiefactor ergens wil binden. Onlangs zagen we een voorbeeld: je past je sequentie aan om een aanhechtingssite voor een transcriptiefactor te maken, en je ziet het nucleosoom ter plekke iets verder opengaan, omdat de sequentie dáár niet meer ideaal voor is.’

Zit er ook variatie in de histonen?

‘Ja en nee. In histoneiwitten zelf zit heel weinig verschil. Maar er zijn meer dan honderd posttranslationele modificaties van die eiwitten bekend en in theorie kun je daarmee 1090 verschillende nucleosomen maken, al zijn lang niet alle combinaties even waarschijnlijk. Wat ik een grote uitdaging vind is om ze in relatie tot elkaar te zien: hoeveel modificaties heb je nodig om een gen actief te krijgen?’

Wat voor gereedschappen zet je in?

‘Om de afstand te meten tussen de uiteindes van DNA, gebruiken we magnetische pincetten. Balletjes waarin ijzernanodeeltjes zitten, magneten om daaraan te trekken, en microscopie om ze te traceren. Voor afstanden van zo’n 10 nm tot 10 µm werkt dat prima. Met FRET, Förster resonance energy transfer, kun je verder inzoomen. Het bereik loopt zo’n beetje van 2 tot 8 nm, precies goed om te kijken naar een nucleosoom dat een straal heeft van ongeveer 5 nm. Dat is heel spannend, want de structuur blijkt enorm dynamisch: ze gaat vier keer per seconde open en blijft dan 25 ms zo staan, zodat het kan worden afgelezen. Acetyleer je een lysine van histon H3 op positie 56, dan gebeurt het zes keer vaker. Het geeft een heel ander beeld van nucleosomen dan wanneer je alleen de kristalstructuur bekijkt.’

Je groep omvat nu zes promovendi, een postdoc en een technicus. Maar zo te horen heb je werk voor driemaal zoveel mensen. Welke omvang zou je optimaal vinden?

‘Zoals het nu is, vind ik mijn groep groot genoeg. Chemici zijn wat meer van de grootschalige aanpak: zonder kritische massa kun je niet meedoen. Ik snap ook wel dat je jezelf moet organiseren om geld binnen te krijgen en zichtbaar te worden. Maar binnen de natuurkunde valt zo’n groep niet uit de toon, en het voordeel is dat we meer gefocusseerd kunnen werken.

En als we zouden uitbreiden, zouden we eigenlijk ook meer ondersteunend personeel moeten hebben, zodat promovendi niet telkens opnieuw het wiel hoeven uit te vinden. Het werk dat we doen is nogal divers, je moet van verschillende dingen verstand hebben en dat is ontzettend uitdagend.’

Kost het moeite promovendi te vinden die er een beetje in passen?

‘Geïnteresseerde mensen vinden is niet zo moeilijk, maar het is lastig om binnen één persoon de goede mix te vinden van moleculaire biologie, of biochemie zo je wilt, en fysica. Bij moleculair biologen vind ik het belangrijk dat ze enige affiniteit met wiskunde en formules hebben, terwijl fysici niet moeten denken dat álles in een formule is te vatten. Op zijn minst moet je binnen onze groep enige flexibiliteit hebben, openstaan voor vreemde vakgebieden en moeite willen doen om je daarin echt in te leven. Anders word je zeer ongelukkig.’

Ben je al mutaties tegengekomen waaraan je medische consequenties zou kunnen verbinden?

‘Ik waak er een beetje voor om die indruk te wekken. Ik ben ervan overtuigd dat onze inzichten op termijn gaan helpen om heel veel ziektebeelden te snappen en interventies succesvoller te maken. Maar daar zijn we gewoon echt nog niet. Als ik een stuk DNA nameet, moet ik dan gaan claimen dat mensen daar sneller beter van gaan worden? Ik denk het niet. Er wordt al heel veel gemeten, er worden correlaties gelegd en aan bio-informatica gedaan, en daar leren we heel veel van. Maar als we echt een stap verder willen doen, moeten we eerst de fundamentele, generieke processen begrijpen.’

John van Noort

2018-heden: visiting professor, Nanyang Technological University, Singapore

2004-heden: Universiteit Leiden; sinds 2009 universitair hoofd­docent en sinds 2017 hoogleraar

2000-2003: postdoc, Technische Universiteit Delft

1999-2000: research consultant, Beta Research, Noord-Scharwoude

1999: promotie fysische technologie, Universiteit Twente

1995: studie moleculaire wetenschappen, Wageningen Universiteit