De juiste locatie is wat telt voor genen van bacterie

De genen van bacteriën bevinden zich op een cirkelvormig chromosoom. Door de manier waarop de cel dit chromosoom voorafgaand aan de deling kopieert kan de locatie bepalen hoe sterk een gen tot expressie komt. RUG-microbiologen Jan-Willem Veening en Jelle Slager beschrijven de manier waarop de locatie van genen invloed heeft op cellulaire processen in een overzichtsartikel dat op 27 juni verscheen op de website van het tijdschrift Trends in Microbiology.

Grote wetenschappelijke doorbraken gaan volgens sommigen niet gepaard met de keet ‘Eureka’, maar eerder met een gemompeld ‘dat is raar!’ In een artikel dat in 2014 verscheen meldde de groep van Veening hoe bepaalde antibiotica een onverwacht – en enigszins zorgwekkend – effect hadden op de streptococcus bacterie. ‘De antibiotica verhoogden de activiteit van genen die er voor zorgen dat de bacterie DNA kan opnemen uit z’n omgeving’, zegt Veening. Dat maakt het eenvoudiger om een resistentie-gen op te pikken.

Wat gebeurde was dat het antibioticum de replicatie van het ronde chromosoom stop zet. Die replicatie begint op een specifiek punt, de replicatie-oorsprong (oriC genaamd). Wanneer de replicatie is stopgezet zijn de genen die dicht bij oriC liggen al gekopieerd. En bovendien probeer de cel de replicatie opnieuw te starten, waarna het antibioticum dit weer stop zet. Zo ontstaan nog meer kopieën van de genen in de buurt van oriC.

De genen die de opname van DNA bevorderen bleken juist in die buurt te liggen. ‘Het gevolg is dat er een aantal extra kopieën van deze genen in de cel aanwezig zijn wanneer correcte replicatie is verhinderd’, legt Veening uit. ‘Die extra kopieën zorgen voor verhoogde productie van de eiwitten die deze genen coderen, zoals de eiwitten die DNA opname stimuleren.’

Topje van de ijsberg

Dit is niet alleen raar, het lijkt verdacht veel op een regulatiemechanisme: zodra bacteriën in moeilijkheden zijn stimuleren ze zichzelf om vreemd DNA op te nemen. ‘Het is een heel goedkope manier om gen expressie te reguleren’, voegt Slager toe. Er zijn geen eiwitten bij nodig, geen regulerende cascades, niets: alleen de locatie op het chromosoom. Eerder dit jaar publiceerden Veening, Slager en collega’s een tweede artikel over genen die voordeel hadden van hun locatie op het chromosoom. Naar aanleiding hiervan zijn ze gevraagd een overzichtsartikel te schrijven over het belang van locatie.

Toen ze wat gingen graven ontdekten ze dat hun eigen observaties het topje van de ijsberg vormden. Ze vonden bijvoorbeeld dat het kopiëren van een chromosoom soms langer duurt dan de celdeling. ‘In dat geval kan er een tweede replicatieronde starten op hetzelfde chromosoom.’ Die begint dan op zowel de oorspronkelijke als op de al gekopieerde oriC. Er zijn in de cel dan vier exemplaren aanwezig van de genen nabij dit startpunt.

Dit verschil in aantal kopieën kan de hoeveelheid van het ‘genproduct’, de eiwitten waarvoor deze genen coderen, beïnvloeden. ‘Maar dat is niet altijd zo’, zegt Slager. ‘We hebben voorbeelden gevonden waarbij het aantal kopieën verdubbelde, terwijl er niet meer eiwit ontstond.’ Dus locatie is belangrijk, maar het effect is niet eenduidig. Wel is het een van de mechanismen waarmee de cel gen-activiteit kan reguleren. ‘Evolutie werkt hier ook mee’, zegt Veening. ‘Bij alle streptococcus soorten liggen de genen die DNA opname vergemakkelijken in de buurt van oriC.’

Sporen

Een ander voorbeeld van het belang van locatie is te zin in de bacterie Bacillus subtilis. Wanneer de omstandigheden ongunstig zijn produceert deze bacterie sporen. Daarvoor deelt een bacterie zich in een ‘moedercel’ en een ‘prespore’. Het deel dat de prespore vormt is kleiner en bevat in eerste instantie maar 30 procent van het nieuw gekopieerde chromosoom. ‘De genen op dit deel zijn nodig om de spore te laten rijpen’, vertelt Veening.

Ook liggen genen die coderen voor membraan eiwitten op delen van het chromosoom die doorgaans in de buurt van het membraan liggen. ‘Daarnaast zien we dat eiwitten die samenwerken in een bacterie doorgaans ook bij elkaar op het chromosoom liggen’, voegt Slager toe. ‘Op die manier worden ze op dezelfde plek geproduceerd.’

Het overzichtsartikel van Slager en Veening is een eerste poging om op een rijtje te zetten hoe bacteriën de activiteit van genen kunnen regelen via hun plek op het chromosoom, en kan een flinke impact hebben op de microbiologie. Slager: ‘Deze verschillen in aantal kopieën, veroorzaakt door de plek op het chromosoom, kunnen nieuw licht werpen op eerder gepubliceerde resultaten.’

Referentie: Jelle Slager and Jan-Willem Veening: Hard-Wired Control of Bacterial Processes by Chromosomal Gene Location. Trends in Microbiology, 27 June 2016 (corrected proofs) doi:10.1016x/j.tim.2016.06.003