Verschillende eiwitten – polymerasen – zoeven langs de DNA-‘rails’, waarbij de ene strengen kopieert en de ander eiwitrecepten maakt. Daarbij reizen ze met verschillende snelheden langs de baseparen. Hierdoor kunnen ze elkaar tegenkomen, onder andere bij het startpunt van een gen. Daar komt het transcriptie-eiwit, RNA polymerase II (RNAPII), vaak traag uit de startblokken, waardoor het replicatie-eiwit hier tegen kan botsen.

Nu hebben onderzoekers van het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC) ontdekt dat het eiwit CFAP20 een belangrijke rol speelt in het DNA-verkeer. Hoewel het eiwit bekend staat als onderdeel van cilia, kleine trilhaartjes aan het oppervlak van cellen, is de functie van CFAP20 in de celkern een totale verassing. Moleculair bioloog en transcriptie-expert Martijn Luijsterburg van het LUMC leidde het onderzoek: ‘We hebben ontdekt dat replicatie vaak vlak voor een actief gen begint, wat betekent dat replicatie en transcriptie nauw met elkaar verbonden zijn. CFAP20 zorgt hierbij dat RNAPII snel genoeg wegkomt, om te voorkomen dat de replicatie-machine er bovenop knalt.’

Grote screening

Het onderzoek begon met de vraag hoe de cel replicatie en transcriptie uit elkaar houdt, legt Luijsterburg uit. Op zoek naar betrokken eiwitten voerden de onderzoekers CRISPR-screenings uit. ‘Met het CRISP-Cas9 systeem hebben we genen uitgeschakeld op grote schaal. Hierbij schakelden we alle twintigduizend genen in het humane genoom afzonderlijk uit. Dat leverde een grote pool van cellen op, waarbij in elke cel één individueel gen uit stond.’

De onderzoekers stelden elk van deze cellen bloot aan één van twee verschillende stofjes, waarbij de ene transcriptie gedeeltelijk blokkeerde en de andere replicatie. ‘De stofjes lieten een fractie van de polymerasen vastlopen. Eerst lieten we in een aparte screen RNA-polymerasen vastlopen, en daarna in een andere screen DNA-polymerasen. Vervolgens bestudeerden we welke cellen hierdoor dood gingen. Het overlappende deel van beide screens liet een handjevol genen zien die nodig zijn om beide behandelingen te overleven. Dat bracht ons tot CFAP20, die op de intersectie zat tussen beide screens.’

Transcriptie versnellen

Vervolgens bestudeerden de onderzoekers welke invloed CFAP20 heeft op de snelheid waarmee RNAPII het DNA transcribeert. Hiervoor labelden ze RNA dat nog actief werd aangemaakt door RNAPII. Vervolgens fragmenteerden ze deze ketens, haalden ze de cel uit en lazen ze de sequentie uit. Daarmee was te zien tot waar in het gen RNA was afgeschreven. Als extra truc gebruikten de onderzoekers een stofje, DRB, waardoor RNAPII klaar gaat staan aan het begin van een gen, maar nog niet start met transcriptie. Zodra de onderzoekers DRB weg wasten, ging de transcriptie in alle cellen tegelijk van start. Luijsterburg: ‘Door het RNA hierbij op verschillende tijdstippen te labelen, konden we zien hoe snel RNAPII mRNA aanmaakt. Zo zagen we dat toen we CFAP20 uitschakelden, transcriptie aan het begin van genen ongeveer half zo snel verliep als normaal.’

Ook onderzochten ze hoe het uitschakelen van CFAP20 het opensplitsen van de DNA-strengen tijdens replicatie beïnvloedde. ‘Van de ongeveer vijfduizend plekken op het DNA waar replicatie kan beginnen, zagen we het bij de helft vastlopen. Dat kwam doordat RNAPII veel te traag aan het begin van het gen voortbewoog.’

CFAP20 in tumoren

Dat CFAP20 zo’n belangrijke rol speelt in de regulering van transcriptie en replicatie, duidt op een mogelijke rol in de voortzetting van kanker. Om die reden gingen de onderzoekers op zoek naar de aanwezigheid van CFAP20 in verschillende tumortypes. Luijsterburg: ‘De aantallen zijn nog redelijk klein, maar in een gegevensbank troffen we een mutatie aan in zeventien verschillende tumorweefsels van patiënten, van borstkanker tot baarmoederhalskanker, die essentieel bleek voor de transcriptiefunctie van CFAP20. Onze hypothese is daarom dat CFAP20 wel eens een achilleshiel van tumorcellen kan zijn. Als we daar een therapie voor bedenken, zou dat een enorm voordeel kunnen opleveren.’

Als volgende stap gaan de onderzoekers eerst de precieze werking van CFAP20 verder ontrafelen. ‘Een vraag die we willen beantwoorden, is waar die specificiteit vandaan komt. Het lijkt dat CFAP20 bindt met RNAPII aan het begin van een gen. Waarom doet het dat daar, en niet bijvoorbeeld in het midden van een gen? Dat willen we nu in vitro met gezuiverde eiwitten onderzoeken.’

De transcriptie-kant

Jurgen Marteijn, expert op het gebied van DNA-schade en transcriptie, van het Erasmus MC waardeert het onderzoek: ‘Heel lang zijn dit soort transcriptie-replicatie-conflicten op het DNA door het onderzoeksveld hoofdzakelijk bestudeerd vanuit de vraag wat er gebeurt als er iets fout gaat met de replicatie-machinerie. Pas recent komt er veel meer aandacht voor de transcriptie-kant van het verhaal. Vanuit dat oogpunt is de nieuwe factor die deze studie aantoont heel interessant.’

Daarbij ziet Marteijn de rol van CFAP20 als een belangrijk extra puzzelstuk in de vele processen die ons DNA beschermen. ‘Deze studie is een heel mooi voorbeeld van belangrijk fundamenteel onderzoek dat mogelijk een nieuw klinisch aanknopingspunt biedt. Of CFAP20 daadwerkelijk een achilleshiel kan zijn voor bepaalde types kanker, moet nog blijken in volgend onderzoek.’