De helix en de structuur van Z

Vorige maand overleed Jacques van Boom, emeritus-hoogleraar bio-organische chemie aan de Universiteit Leiden. Zijn naam is verbonden aan Z-DNA en aan vaccins tegen virussen.

HET MENSELIJK genoom is nu een open boek: de structuur van elk menselijk gen is bekend, en ook weten we veel over onze belagers. Van alle virussen en bacteriën die ons fysiek of economisch schade toebrengen is de genetische code bekend. Zelfs een bioloog van gemiddelde begaafdheid kan nu in een middag, dankzij de polymerase kettingreactie, elk gen naar believen klonen en er dan mee aan de slag gaan. Geen van deze ontwikkelingen was mogelijk geweest zonder een goed toegankelijke route naar synthetische DNA-fragmenten. In de jaren zeventig was de synthese van dergelijke bouwstenen voorbehouden aan chemici die, in daartoe speciaal uitgeruste laboratoria, na weken of maanden zwoegen, met het verlangde stukje nucleïnezuur naar voren konden treden. Jacques van Boom, op 31 juli jl. overleden, was één van de titanen van dit veld, en zijn werk heeft op velerlei gebied een doorbraak betekend.

schroef

Elke middelbare scholier herkent een DNA-molecuul aan de dubbele helix, maar wanneer je hem zou vragen zo'n molecuul te tekenen, dan is de kans dat hij dat fout doet ongeveer 1:1. Waarom? Een helix of schroefdraad kan links- of rechtsdraaiend zijn, en de gangbare vorm van DNA is zo'n rechtsdraaiende schroef. Ons genetisch materiaal bestaat uit twee strengen DNA, elk opgebouwd uit een suiker-fosfaatketen, waaraan vastgehecht in regelmatige afstand een van de vier bouwstenen, afgekort A, T, G en C (ook basen genoemd) die uiteindelijk als informatiedrager dienen (het is de volgorde van deze A, T, G en C's die de structuur van een gen, en daarmee zijn producten, vastlegt). De moleculaire vorm van deze basen is zodanig dat er sprake is van complementariteit: een A paart met T, een G paart met C, waarbij het G-C-paar stabieler is dan het A-T-paar. Deze complementariteit maakt het een dubbelstrengs DNA-molecuul mogelijk om, telkens wanneer er bij celdeling een nieuwe kopie van het genetisch materiaal wordt aangemaakt, dat te doen op een manier die een exacte weergave van het origineel oplevert.

De opheldering van de structuur van DNA, en de implicaties van deze structuur voor de genetica hebben Watson en Crick (de laatste overleed drie dagen voor Boom) de Nobelprijs opgeleverd, en hun naam is bijgezet in het pantheon van reuzen als Darwin en Mendel. Hoewel dit werk van Crick, Franklin, Watson en Wilkins zijn oorsprong vindt in de jaren vijftig, zou men licht een vergissing begaan en denken dat de eerste blik op het DNA-molecuul ook in die tijd mogelijk was. Niets is minder waar. De metingen, in de jaren vijftig verricht, lieten het weliswaar toe een model te construeren dat in overeenstemming was met de beschikbare gegevens, maar deze gegevens (een zogeheten vezel-diffractiepatroon, verkregen met behulp van röntgenstralen) waren niet voldoende als sluitend bewijs voor de voorgestelde structuur. Het bleef dus bij een alleszins plausibel model, van een heuse structuur zoals de chemicus die verstaat was geen sprake. En inderdaad waren er, naast de geprefereerde rechtshandige schroefdraad (of B-vorm) van DNA, tal van alternatieve voorstellen, alle zonder experimentele ondersteuning.

Het was Jacques van Boom die, samen met Alex Rich van het Massachusetts Institute of Technology, de doorbraak forceerde. Als een van de eerste wetenschappers die in de jaren zeventig de technologie hadden ontwikkeld die de synthese van grote hoeveelheden DNA-bouwstenen van grote zuiverheid toestond, produceerde Van Boom een kort stukje DNA, niet meer dan 6 basen lang: CGCGCG. Dit stukje DNA kan een dubbelstrengs helix vormen omdat de gekozen basenvolgorde, dankzij de principes van complementariteit van het G-C-basenpaar, zelf-complementair is. Met ingehouden adem wachtten de onderzoekers op kristalvorming, en met succes. De verkregen kristallen waren van uitzonderlijke kwaliteit en maakten het mogelijk de structuur van dit DNA-molecuul met hoog oplossend vermogen (9 nanometer) te bepalen: elk afzonderlijk atoom in het DNA-kristal was te zien! Desondanks mislukten alle pogingen om de verkregen gegevens in het standaard Watson-Crickmodel voor B-DNA in te passen.

hoogte

Inzicht in de structuur vereiste dat men hele stukken van een zogeheten elektronendichtheidskaart overtekende op een transparent vel kunststof. Dergelijke contouren zijn te vergelijken met hoogtelijnen op een landkaart: om een driedimensionaal model van een landschap te construeren moet men, voor elke `hoogte', een nauwkeurige set van dergelijke contouren ter beschikking hebben. Iets dergelijks doet men bij kristallografisch onderzoek, om dan met behulp van een grote stapel van dergelijke contourkaarten de uiteindelijke vorm van het molecuul in het kristal te reconstrueren. Een gerichte blik door de stapel van contourkaarten geeft dan een indruk van de structuur van het molecuul. Tot ieders verbazing was er een dubbele helix zichtbaar, maar deze helix was links- in plaats van rechtsdraaiend! Was er een fout gemaakt? Indien de transparante contourkaarten in de verkeerde volgorde – van achter naar voren – waren gerangschikt, dan zou men het spiegelbeeld van de werkelijke structuur hebben verkregen. Had die arme post-doc, Andy Wang, zich misschien vergist en een linksdraaiende helix geproduceerd, waar het in werkelijkheid om een rechtsdraaiende helix ging?

Dit was niet het geval, en zo bleek de eerste DNA-structuur die van het linksdraaiende DNA te zijn, nu ook Z-DNA genoemd. Fritz Pohl en Tom Jovin hadden eerder met fysische meetmethodes (circulair dichroïsme) laten zien dat DNA in oplossing, in de aanwezigheid van hoge concentraties keukenzout, van structuur veanderde, en dat de `hoog zout'-structuur overeenkwam met de Z-DNA vorm, zoals kristallografisch vereeuwigd door Van Boom en Rich.

In de lente van '79 was Francis Crick in Boston om een lezing over DNA te geven. Hij ging uitvoerig in op de alternatieve modellen voor de structuur van DNA, juist omdat er zoveel ogenschijnlijk tegenstrijdige suggesties in omloop waren. Een student vroeg: ``Wanneer zullen we ooit te weten komen hoe DNA er nu werkelijk uit ziet?'' De repliek luidde: ``Wacht tot de `single crystal'-structuur is bepaald, dan weten we het antwoord!'' Crick wist natuurlijk dat Rich en Van Boom aan de structuur werkten en dat een oplossing nabij was. Twee maanden later was de structuur bepaald, en Alex Rich telefoneerde met Francis Crick om hem de details van de structuur te vertellen. ``Francis'', zei Rich, ``de structuur is bepaald en DNA is een linksdraaiende schroef!'' Stilte aan de andere kant van de lijn, en naar verluidt was Crick niet iemand die vaak om een antwoord verlegen zat. De spanning ontlaadde zich toen Rich aan Crick verklapte dat de structuur die van de alternatieve vorm van DNA was. Aan dit Z-DNA wordt inmiddels een indrukwekkend aantal eigenschappen toegeschreven die van belang zijn voor genstructuur en -regulatie, met name voor het genetisch material van virussen (waaronder het koepokvirus).

trucs

Geen vooruitgang in de wetenschap zonder nieuwe methoden, zonder trucs om dingen die nog niet eerder zijn gedaan mogelijk te maken. Van Booms bijdragen waren niet beperkt tot een synthetische aanpak voor de bestudering van DNA, en in meer recente tijd strekte zijn werkterrein zich uit tot het uiterst complexe gebied van de suikerchemie. Hoe simpel `suikers' ook moge klinken, voor de chemicus en bioloog zijn de nucleïnezuren kinderspel vergeleken bij deze `suikers'. Nieuwe geneesmiddelen om de bloedstolling te remmen hebben veel aan het meer recente werk van Van Boom te danken. Als geen ander wist hij aan te geven hoe een samenspel tussen chemie en biologie een nieuw onderzoeksgebied wist te ontsluiten en talrijke collega's, in Nederland en daarbuiten, hebben daar baat bij gehad.

Hidde Ploegh is hoogleraar immunologie aan Harvard Medical School in Boston.