Nobelprijs Scheikunde 2006 voor moleculaire ontrafeling van de

commentaren
Nobelprijs Scheikunde 2006 voor moleculaire ontrafeling van de
DNA-transcriptie
J.Brouwer
De Nobelprijs Scheikunde 2006 is toegekend aan de Amerikaanse hoogleraar Roger D.Kornberg (geboren in 1947)
voor zijn baanbrekende werk aan de moleculaire basis van
het transcriptieproces (figuur 1). Bij transcriptie wordt in de
kern van de cel het DNA van een gen overgeschreven in een
RNA-kopie, het zogenaamde boodschapper-RNA (‘messenger RNA’; mRNA). Het RNA-polymerase bindt zich vlak
vóór een gen aan het DNA en reist dan vervolgens langs dat
DNA waarbij de twee strengen van de dubbele helix uit elkaar worden getrokken (figuur 2). Ondertussen synthetiseert het complex een RNA-kopie van een van beide strengen. Dit mRNA wordt getransporteerd naar het cytoplasma
van de cel en door ribosomen vertaald in het eiwit waarvoor
het gen codeert. Dit transcriptieproces, dat wordt uitgevoerd door het enzym RNA-polymerase II, een van de drie
aanwezige RNA-polymerasen, zorgt ervoor dat de genetische informatie in het DNA tot expressie komt in de vorm
van eiwitten met hun specifieke cellulaire functies.
Kornberg behaalde zijn doctorstitel aan Stanford University
in California in 1972 en deed vervolgens postdoctoraal
onderzoek aan het laboratorium voor moleculaire biologie
van de Medical Research Council in Cambridge, Engeland,
met Aaron Klug en Francis Crick. In die tijd ontdekte hij
het nucleosoom, een eiwitcomplex dat ervoor zorgt dat het
DNA in de kern wordt ingepakt in chromatine.1
Opnieuw in de VS keerde Kornberg, na een tweejarig
verblijf aan Harvard Medical School in 1978 terug naar Stanford als hoogleraar aan het Structural Biology Department.
Hier legde hij zich toe op de ontwikkeling van een celvrij
systeem waarmee hij in staat was het transcriptieproces
in de reageerbuis te laten plaatsvinden. Als modelsysteem
koos hij bakkersgist, Saccharomyces cerevisiae. De beschikbaarheid van een celvrij extract stelde hem in staat om de
tientallen eiwitten te isoleren en te karakteriseren die nodig
zijn om het ingewikkelde proces van transcriptie te laten
verlopen. De keuze voor het eenvoudige gistmodel was een
zeer gelukkige omdat later bleek dat het transcriptieproces
bij alle eukaryoten, dus ook in menselijke cellen, in principe
op dezelfde wijze verloopt.
Universiteit Leiden, Leids Instituut voor Chemisch Onderzoek, afd.
Moleculaire Genetica, Postbus 9502, 2300 RA Leiden.
Hr.prof.dr.J.Brouwer, moleculair geneticus
([email protected]).
2854
De atomaire structuur van het RNA-polymerase. Een volgend
hoogtepunt kwam toen Kornberg en zijn medewerkers het
zogenaamde Mediatorcomplex isoleerden, dat uit circa 20 verschillende eiwitten bestaat en dat verantwoordelijk is voor
het doorgeven van regulatiesignalen die de expressie van
genen regelen.2 Ondertussen werkte Kornberg aan de ontwikkeling van methoden om opheldering van de atomaire
structuur van het RNA-polymerase mogelijk te maken. Uiteindelijk leidde het werk met röntgendiffractie-kristallografie tot een serie publicaties waarmee de volledige driedimensionale structuur van het RNA-polymerase, bestaande uit meer dan 30.000 atomen, in kaart was gebracht.3 4
Later volgde nog de opheldering van de structuur van het
RNA-polymerase II in reactie met een van zijn essentiële
partners: het ‘basal transcription factor IIB’(TFIIB)-complex.5 De structuur van het RNA-polymerase is de meest
complexe eiwitstructuur die tot nu toe is opgehelderd tot op
atomair niveau en geeft een zeer verhelderend beeld van de
centrale machine in het transcriptieproces en hoe dat proces op moleculaire schaal begrepen kan worden. Het Nobelprijscomité zegt hierover: ‘werkelijk revolutionair aan het
beeld dat Kornberg heeft gemaakt, is dat het de werking van
het gehele transcriptieproces weergeeft’.
Het eigenlijke werk. De opheldering van deze structuren
was het hoogtepunt van een twintigjarige zoektocht, die een
vrijwel onmogelijke opgave leek toen Kornberg eraan begon. Op dat moment was het duidelijk dat de methoden benodigd om de structuur van een dergelijk groot eiwitcomplex – RNA-polymerase bestaat namelijk uit 10 verschillende subunits – eenvoudig ontbraken. Toch ging Kornberg op
weg en besloot alle mogelijke problemen desnoods eigenhandig op te lossen. Eerst moest het polymerasecomplex
in grote hoeveelheden worden gezuiverd en de transcriptiereactie op een DNA-substraat in de reageerbuis opgestart
worden. Vervolgens werd een methode ontwikkeld om het
enzym-DNA-complex te bevriezen in zijn actieve vorm. Dit
bereikte hij door aan het reactiemengsel, waarin het RNApolymerase gebonden aan het DNA bezig is een RNA-kopie
te synthetiseren, een van de RNA-bouwstenen te onttrekken. Op die manier werd het complex gevangen tijdens de
elongatiefase, dat is de fase waarin het mRNA aan het groeien is. Dit complex, ‘bevroren’ in een actieve vorm, moest
vervolgens in grote hoeveelheden worden geïsoleerd met
een hoge graad van zuiverheid.
Om het gezuiverde complex in kristalvorm te krijgen
Ned Tijdschr Geneeskd. 2006 30 december;150(52)
greep Kornberg terug op een methode die hij eerder zelf als
doctoraalstudent in het laboratorium van Harden McConnell had ontdekt, de zogenaamde bilaterale-lipidediffusiemethode. Daarmee was hij in staat dunne, geordende kristallijne films te verkrijgen, die vervolgens in een synchrotron (een deeltjesversneller) aan röntgendiffractie-experimenten konden worden onderworpen.
Ook bedacht Kornberg een methode om de enorme hoeveelheid gegevens die uit dit type experimenten voortkomt
te kunnen analyseren. Het uiteindelijke resultaat was een
schitterend atomair beeld van de machine die centraal staat
in het tot expressie komen van ons erfelijk materiaal. Met
dit beeld krijgen wij inzicht in hoe dit essentiële levensproces van transcriptie verloopt en bovendien in ziekten die
veroorzaakt worden door verstoringen in het transcriptieproces.
figuur 1. Roger D.Kornberg (geboren 1947) (http://nobelprize.
org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2006).
Als Kornberg zijn Nobelprijs gaat ophalen in Stockholm
maakt hij deze reis voor de tweede keer. Als 12-jarige jongen
vergezelde hij zijn vader Arthur Kornberg toen die in 1959
de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde (samen met
Severo Ochoa) kreeg voor zijn ontdekking van het bacteriële
enzym DNA-polymerase I dat verantwoordelijk is voor het
repliceren van DNA. Met de toekenning van de Nobelprijs
voor Scheikunde aan Kornberg slepen de Amerikanen dit
jaar alle Nobelprijzen voor de natuurwetenschappen in de
wacht, na de eerdere toekenningen voor natuurkunde aan
John C.Mather van het Lawrence Berkeley National Laboratory en voor geneeskunde of fysiologie aan Andrew Fire
figuur 2. De plaats van RNA-polymerase in de omzetting van de genetische code in eiwitmoleculen.
Ned Tijdschr Geneeskd. 2006 30 december;150(52)
2855
van Stanford en Craig Mellow van de University of Massachusetts.
4
5
Belangenconflict: geen gemeld. Financiële ondersteuning: geen gemeld.
Gnatt AL, Cramer P, Bushnell DA, Kornberg RD. Structural basis of
transcription: an RNA polymerase II elongation complex at 3.3
A resolution. Science. 2001;292:1876-82.
Bushnell DA, Westover KD, Davis RE, Kornberg RD. Structural basis
of transcription: an RNA polymerase II-TFIIB cocrystal at 4.5 Angstroms. Science. 2004;303:983-8.
Aanvaard op 20 november 2006
Abstract
Literatuur
1
2
3
Kornberg RD. Chromatin structure: a repeating unit of histones and
DNA. Science. 1974;184:868-71.
Kelleher 3rd RJ, Flanagan PM, Kornberg RD. A novel mediator
between activator proteins and the RNA polymerase II transcription
apparatus. Cell. 1990;61:1209-15.
Cramer P, Bushnell DA, Kornberg RD. Structural basis of transcription: RNA polymerase II at 2.8 angstrom resolution. Science. 2001;
292:1863-76.
2856
The Nobel Prize in Chemistry for 2006 for molecular unravelment of
DNA transcription. – This year’s Nobel Prize in Chemistry has been
awarded to Roger D.Kornberg for his ground-breaking research into the
structural basis of transcription. Transcription is the process by which
the enzyme RNA polymerase II copies specific genetic information to
messenger-RNA. This messenger-RNA is used in the translation of
genetic information into the proteins it codes for. Kornberg described
tens of proteins relevant to the transcription process. He developed and
optimalized methods that finally led to the complete clarification of the
atomic structure of RNA polymerase. Kornberg’s work has provided
more insight into the various stages of the transcription process and
possible disruptions that lead to illness.
Ned Tijdschr Geneeskd. 2006;150:2854-6
Ned Tijdschr Geneeskd. 2006 30 december;150(52)