Dubbele helix onder de duim

Verborgen erfelijke code laat genen zwijgen

DNA verwierf faam als blauwdruk van het leven. Alle informatie die bepaalt wie we zijn en wat onze cellen moeten doen zou in deze megamoleculen staan geschreven. Maar is dat beeld niet te simpel? Volgens de epigenetica, een vakgebied in opkomst, is de volgorde van de vier bouwstenen van de dubbele helix niet het enige dat iemands erfelijke eigenschappen bepaalt. Zelfs wat de moeder eet tijdens de zwangerschap kan invloed hebben.

door Martine Segers, gepubliceerd in Natuurwetenschap & Techniek, april 2004

Alle lichaamscellen van één persoon bevatten dezelfde menselijke genenset met dezelfde 35 duizend genen. Toch kunnen hartcellen zichzelf samentrekken, terwijl cellen in onze longen en neus slijm maken. Levercellen breken juist toxische stoffen af en alleen bepaalde cellen in je oog zetten licht om in elektriciteit. Die enorme variëteit aan lichaamscellen is moeilijk te verklaren met alleen DNA. Wetenschappers zijn daarom op zoek naar een soort instructieboek dat elk celtype vertelt hoe het menselijke genoom op zijn eigen manier te lezen.

“De DNA-sequentie is eigenlijk net een floppy met sofware zonder computer”, licht de Nijmeegse moleculair bioloog dr. Gert Jan Veenstra toe. “Aan de programmacode alleen heb je niets en het hangt van de omgeving af wat er met de programmacode gebeurt. Een kikkergenoom in een muizeneicel stoppen werkt niet, net zoals software voor een Apple Macintosh op een gewone pc draaien niets oplevert.”

De invloed van signalen uit de omgeving roept nog een andere intrigerende vraag op. Op welke manier onthoudt een cel die signalen, ook na een celdeling waarin zijn DNA-code gekopieerd wordt zonder dat de letters uit het DNA-schrift (A, G, T en C) van plek veranderen.

Tennisbal

In de zoektocht naar het instructieboek en het geheugen van een cel staan nu verrassenderwijs eiwitten in het middelpunt van de belangstelling. Het gaat om de zogenaamde histonen, die onderzoekers lang beschouwden als saai verpakkingsmateriaal. Histonen zijn eiwitkralen waar het DNA in een cel om heen gerold zit. Zo kunnen DNA-strengen dicht tegen elkaar aan liggen, zonder in de knoop te raken. Deze eiwitkralen maken het mogelijk bijna twee meter DNA in een kleine celkern van 10 micrometer te proppen, vergelijkbaar met een 20 kilometer lang stuk touw in een tennisbal.

Steeds meer wetenschappers denken dat juist dit ‘saaie’ verpakkingsmateriaal ook een erfelijke code bevat. Het gaat om een flexibele code die met chemische vlaggetjes geschreven staat op staartjes die uit het ‘verpakkingsmateriaal’ steken en zo dus als het ware tegen het DNA aanschurken.

“Het was daarom voorbarig om de menselijke DNA-volgorde te bestempelen als het boek des levens”, stelt prof.dr. Maarten van Lohuizen van het Nederlands Kankerinstituut in zijn intreerede als deeltijdhoogleraar aan de Universiteit van Utrecht. “We moeten nog een belangrijke vreemde taal, de histonencode, leren ontcijferen.”

Bekend is al dat de histonencode tenminste vier chemische groepen gebruikt, de methylgroepen, acetylgroepen, fosforgroepen en het eiwit ubiquitine. Deze chemische vlaggetjes kan een cel aan de aminozuren, de bouwstenen van de eiwitstaartjes, hangen. Theoretisch levert dit een code die in duizenden standen kan staan, omdat elk type chemisch vlaggetje op meerdere plaatsen op de acht verschillende histonstaartjes kan hangen.

Van de betekenis van deze complexe en lang verborgen code zijn nog maar flarden ontrafeld. Toch zijn er veel aanwijzingen dat de combinatie van chemische vlaggetjes grote invloed heeft op het reilen en zeilen van een cel.

Opruimmachientjes

De histonencode levert geen mal om eiwitten mee te produceren zoals DNA. De code bepaalt juist in grote mate welk gen of welke sets van genen in een cel actief zijn of niet of in een soort stand-by-stand staan.

“Simpel gezegd zorgt de histonencode ervoor dat bepaalde sets van genen ver weg op een rommelzolder in de cel komen te liggen, heel dicht op elkaar gestapeld zodat het DNA moeilijk toegankelijk is voor eiwitcomplexen die het DNA willen aflezen”, legt Veenstra uit. “Maar de code kan ook bepalen dat een gen vlak bij de deur van de rommelzolder komt te liggen, zodat die er zonder al te veel moeite uit te halen is om hem af te lezen.”

De opdrachten van de histonencode worden uitgevoerd door eiwitcomplexen die in de cel fungeren als kleine opruimmachientjes. Als ze de code op de histonstaartjes herkennen, beginnen ze met hun werk. Ze stapelen de eiwitkralen tussen twee lussen DNA bijvoorbeeld meer of minder sterk op, vermoeden wetenschappers, en bepalen zo hoe makkelijk of moeilijk een gen af te lezen is.

Het gen dat bij een virusinvasie codeert voor het antivirale eiwit beta-interferon is een voorbeeld van een gen dat een cel op de rand van de rommelzolder houdt, in een soort stand-by-stand. Als de cel een virus ontdekt stuurt hij enzymen als boodschappers naar de histonen dicht bij het gen om de histonencode te veranderen. Hoe die enzymen die opdracht krijgen is nog onbekend.

Wel bekend is dat op drie specifieke plaatsen op de histonstaartjes acetylgroepen aan een aminozuur komen te hangen. Specifiek deze drie vlaggetjes trekken twee eiwitcomplexen aan. Een daarvan vermindert de binding tussen het DNA en de histonen, waarna het andere eiwitcomplex de histoneiwitkraal kan verplaatsen. Het begin van het gen komt zo verder van de kraal te liggen. Transcriptiefactoren, de eiwitten die het startschot geven voor het aflezen van DNA, hebben nu vrije toegang gekregen tot het beta-interferon-gen.

Tumoren

De code vertelt ook een huidcel welke genen op zijn DNA hij moet uitschakelen of juist beschikbaar houden om huidcel te zijn en welke genen een levercel moet gebruiken om levercel te zijn en welke niet. Zo werkt de histonencode dus als het gezochte instructieboek. Dit instructieboek blijft waarschijnlijk celdeling na celdeling in tact en kan ook signalen uit de omgeving vastleggen zonder de DNA-code zelf permanent te hoeven wijzigen. Dat is tenminste de hypothese. Zo geeft de histonencode een cel naast het vaste DNA-geheugen een flexibel geheugen. Daarbij gaat echter ook wel eens wat fout.

“Foutjes in die histonencode kunnen net zo desastreus zijn als foutjes in de DNA-code”, stelt Van Lohuizen. Hierdoor kan een cel bijvoorbeeld de verkeerde genen naar de rommelzolder sturen. Dat is een belangrijke ontdekking in het kankeronderzoek. Je krijgt namelijk niet alleen kanker als er een foutje zit in de DNA-sequentie van een gen dat het ontstaan van kanker onderdrukt, maar ook als zo’n zogenoemd tumorsuppressorgen door een foutje in de histonencode is uitgeschakeld. Ook dan wordt de celdeling onvoldoende geremd door het tumorsuppressorgen om alle foutjes te repareren die bij het kopiëren van het DNA zijn ontstaan.

Van Lohuizen: “We vinden steeds meer tumoren waarin niet het DNA maar de histonencode is aangetast. Ik denk dat hierdoor veel meer ziektes ontstaan dan we denken. In zo’n geval kan je zoeken tot je een ons weegt naar mutaties in het DNA als oorzaak van een ziekte.”

Vijfde letter

Er is meer. Histonen zijn niet de enige extra bron van informatie. Ook op het DNA zelf kan een chemisch vlaggetje, in dit geval een methylgroep, extra informatie meegeven. Van deze zogenaamde methylering van het DNA is al langer bekend dat foutjes hierin ziektes kunnen veroorzaken, maar onderzoekers vermoeden nu dat dit bij meer ziektes voorkomt dan ze dachten. De aandacht gaat daarbij vooral uit naar kanker, ontwikkelingsstoornissen en geboorteafwijkingen.

DNA-methylering is een voor de cel simpele maar doeltreffende manier om een gen langdurig uit te schakelen. Dat gebeurt door eiwitcomplexen die een eenvoudige methylgroep, een C-atoom met drie H’tjes, aan een stukje DNA hangen. “Door een methylgroep aan de base cytosine, een van vier letters van het DNA-schrift, te binden, krijg je een soort vijfde letter”, zegt Veenstra. “De DNA-sequentie zelf verandert daar niet door, wel wat je ermee doet.” Normaal lezen eiwitmachientjes het DNA af door eraan te binden en er langs te bewegen. Een uitstekende methylgroep verhindert het werk van deze machientjes.

Als DNA-methylering niet of slecht werkt, heeft dat dramatische effecten. Muizen zonder het enzym dat de methylvlaggetjes aan het DNA hangt, sterven als embryo. Recent is bovendien ontdekt dat bij muizen die weinig van dit enzym aanmaken, tachtig procent aan kanker sterft in de eerste negen levensmaanden.

Virale genen

Bij het onder controle houden van asociaal DNA lijkt DNA-methylering ook een grote rol te spelen. Dit asociale DNA hebben virussen in de loop der evolutie in het menselijke DNA weten te wurmen. Niet minder dan 45 % van ons DNA bestaat uit virale genen of fragmenten daarvan en daar hangen vaak veel methylgroepen aan. “Het gaat vooral om transposons, een soort primitieve virussen die de eigenschap hadden om kopieën van zichzelf te laten maken en die op willekeurige plaatsen in het genoom te plakken”, vertelt Van Lohuizen. Dit potentieel gevaarlijke DNA inactiveert soms nuttige genen of het beïnvloedt de hoeveelheid eiwitten die met deze genen gemaakt worden.

“DNA-methylering is in de evolutie dan ook in eerste instantie ontstaan als defensieve strategie om parasitair DNA de baas te blijven”, denkt dr. Jan Kooter van de afdeling Genetica van de Vrije Universiteit in Amsterdam. “Pas later is dit proces voor andere doeleinden geselecteerd.” Bacteriën hebben namelijk ook al een mechanisme om DNA te methyleren, maar gebruiken dit op een andere manier dan hogere organismen om zich tegen vuile spelletjes van indringers te beschermen.

Een aantal onderzoekers denkt dat ook de erfelijke histonencode vroeg in de evolutie is ontstaan, omdat histonen in allerlei organismen sterk op elkaar lijken. “Opvallend is vooral de enorme conservering van de aminozuren op de plaatsen waar chemische vlaggetjes aan kunnen hangen.” Ook een hele rits aan afwijkingen die ontstaan als de epigenetische machinerie niet werkt, laten zien hoe belangrijk de histonencode en DNA-methylering zijn voor het goed functioneren van meercellige organismen. “Het kan haast niet anders dan dat epigenetische verschijnselen een belangrijke rol hebben gespeeld in meer dan 1 miljard jaar evolutie”, concludeert ontwikkelingsgeneticus Kooter.

Rondzwemmen

Voor een goede ontwikkeling van een bevruchte eicel tot een baby met al die verschillende celtypes zijn een goede histonencode en methyleringspatroon essentieel. Die krijgen we in eerste instantie mee van onze moeder, denken wetenschappers. Op nog onbegrepen wijze wordt veel epigenetische informatie van beide ouders de eerste dagen na de bevruchting verwijderd. Signalen uit de omgeving moeten in moeders buik vervolgens een nieuwe epigenetische code optuigen. “We vermoeden dat er allerlei eiwitten in de eicel rondzwemmen, zoals transcriptiefactoren, die specifieke genen tot actie manen”, vertelt Veenstra. “Waarschijnlijk maken die factoren ook uit welke chemische vlaggetjes er op de histonen terecht komen en bepalen zo welke genen er in een cel te gebruiken zijn.”

Als deze hypothese klopt, beginnen de transcriptiefactoren van de moeder met het aanleggen van een nieuwe histonencode. “Op een gegeven moment verdwijnen die maternale factoren. We denken dat hun rol dan ondermeer overgenomen wordt door eiwitcomplexen van de cel zelf, zogenaamde polycombgroepeiwitcomplexen”, zegt dr.ir. Willem Voncken van de Universiteit van Maastricht. Fruitvliegonderzoekers zien deze eiwitcomplexen namelijk op precies hetzelfde moment opkomen als dat de maternale factoren verdwijnen.

Van polycombgroepcomplexen is bekend dat ze specifiek de histonencode veranderen van genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van verschillende celtypes, zoals Hox-genen die eiwitten maken die het vermogen hebben om hele genetische programma's aan en uit te schakelen tijdens de groei van een bevruchte eicel. Wanneer zulke ontwikkelingsgenen geblokkeerd moeten blijven, veranderen twee verschillende eiwitcomplexen uit de polycombgroep de histonencode, legt Voncken uit, waarna andere enzymen methylgroepen aan het DNA kunnen hangen om deze genen echt onbeschikbaar te maken, ver weg op de rommelzolder.

Klonen

Als een cel zich verder specialiseert, herschrijven tientallen enzymcomplexen de histonencode. De epigenetische code van een volwassen gespecialiseerde cel verschilt hierdoor flink van die van een embryo. En dat geeft volgens Van Lohuizen een goede verklaring voor het mislukken van de meeste kloonpogingen bij zoogdieren. Bij het klonen van een volwassen dier wordt een volwassen cel overgeplaatst in een eicel vlak voordat deze gaat delen. De eicel bevat hierdoor de verkeer epigenetische code, namelijk die van een volwassen cel in plaats van een eicel.

“Die foute code moet hals over kop en radicaal hergeprogrammeerd worden, vergelijkbaar met het formatteren van een harde schijf in een fractie van een milliseconde”, legt Van Lohuizen uit. Meestal lukt dat niet, met als gevolg dat de kloon al sterft voordat het embryo volgroeit is.

Dat maakt klonen erg inefficiënt; niet meer dan 1 à 2 procent van de embryo’s overleeft. “Als u zich wilt klonen doet u er dus goed aan om u aan te sluiten bij een hele grote sekte met erg veel gewillige draagmoeders en eiceldonoren”, adviseert Van Lohuizen.

Fouten in genen die coderen voor eiwitten die de histonencode tijdens de embryonale ontwikkeling herschrijven, kunnen ook ernstige effecten hebben. Dat is bijvoorbeeld het geval bij het zeldzame Rett-syndroom. Bij patiënten met dit syndroom werkt het eiwitcomplex dat de acetylvlaggetjes van de histoneiwitten kan verwijderen, het zogenoemde MECP2-eiwitcomplex, niet goed. De ziekte komt alleen bij meisjes voor, omdat jongens met dit syndroom vlak voor of na de geboorte overlijden. Meisjes verliezen tijdens hun kinderjaren langzaam hun spraakvermogen, kunnen steeds slechter lopen en gaan stereotypebewegingen uitvoeren.

“We denken dat het slecht functionerende MECP2-eiwitcomlex al tijdens de embryonale ontwikkeling voor problemen zorgt”, stelt Veenstra die bij kikkers onderzoek naar doet deze ziekte. Er sluipen kleine foutjes in de histonencode waardoor de kans te groot wordt dat een voor hersencellen belangrijk gen per ongeluk te goed ingepakt wordt of een gen dat niet nodig is juist te slecht. “Vooral in de hersenen levert dit problemen. In een neuraal netwerk moet een cel steeds een signaal aan de volgende cel doorgeven. Zitten in die keten cellen waar de verkeerde genen aan of uit staan, dan blokkeert dat de signaaloverdracht in dat deel van de hersenen.”

Foliumzuur

Een gemis van methylgroepen in de voeding kan iemands epigenetische patronen ook minder stabiel maken, is Veenstra’s voorspelling, omdat het DNA in cellen dan minder sterk gemethyleerd kan worden. Belangrijke leveranciers van methylgroepen in voeding zijn bijvoorbeeld foliumzuur en vitamine B12. Bij muizen is hier al onderzoek naar gedaan. Voedsel arm aan methylleveranciers geeft zwangere muizen nakomelingen die gevoeliger zijn voor zwaarlijvigheid, suikerziekte en kanker, vertelde de Amerikaan Graig Cooney begin vorig jaar tegen de New Scientist. Opvallend is dat die effecten terug te draaien zijn als de nakomelingen methylsupplementen in hun voeding krijgen.

“Het is altijd taboe geweest dat iets wat je eet erfelijk kan worden. Die ideeën zijn lange tijd vergruisd, maar zijn misschien toch niet helemaal onzinnig”, stelt Van Lohuizen. “Bekend is bijvoorbeeld dat dochters van vrouwen die zwanger waren in de hongerwinter tijdens de Tweede-Wereldoorlog, zelf ook kinderen met een laag geboortegewicht kregen. Dit terwijl deze dochters zelf tijdens hun zwangerschap helemaal geen honger leden. Het is mogelijk dat de histonencode en DNA-methylering hier verantwoordelijk voor zijn.”

Medicijnen die de histonencode veranderen, zijn al geen taboe meer. Het eerste medicijn van dit soort wordt op experimentele schaal bij mensen getest. “Met medicijnen die enzymen remmen die acetylgroepen van de histonstaartjes halen, zijn bij een moeilijk behandelbare vorm van leukemie de eerste successen gehaald”, vertelt Van Lohuizen. Deze remmers laten kankercellen, die zich gedragen als een soort snel delende stamcellen, zich acuut specialiseren tot onschadelijke uitgedifferentieerde cellen. “Daarmee onderdruk je deze gevaarlijke tumorcellen.”

De vraag is echter nog of je niet van de regen in drup komt. Deze remmers veranderen immers ook histonencodes in de rest van het lichaam. “In het kankeronderzoek schipper je altijd tussen twee kwaden. Je gebruikt vaak stoffen die ook gezonde cellen geen goed doen”, zegt de NKI-onderzoeker. “Mijn hoop is toch dat de histonencode makkelijker te herstellen is met medicijnen dan dat fouten in genen zijn te herstellen met gentherapie. Het dynamische karakter van de histonencode maakt het echter wel lastiger om op te sporen wat er mis is.”

Bronsignaal

Nog een onopgeloste vraag. Hoe geeft een cel bij een celdeling de histonencode precies door aan een dochtercel? Bij DNA-methylering is al duidelijk hoe dat werkt. Bij het maken van een kopie van al het DNA in een cel is een enzym actief dat ook een methylgroep aan de nieuw gemaakte, complementaire DNA-streng hangt. “Zo wordt deze epigenetische informatie dus gekopieerd”, licht Veenstra toe.

Hoe de histonencode wordt gekopieerd is minder duidelijk. Bij een celdeling worden de oude histonen over twee cellen verdeeld. Elke dochtercel heeft dus voor elk stukje DNA vijftig procent kans dat het om de kraal van histoneiwitten met de oorspronkelijke code van de moedercel gerold wordt en vijftig procent kans dat het om nieuwe histonen rolt. “Dat is een hard feit. De histonen uit de moedercel zorgen na de celdeling mogelijk voor een bronsignaal, waarna de buurhistonen zo veranderd worden dat ze dezelfde chemische vlaggetjes krijgen”, zegt Veenstra.

Voncken en Van Lohuizen denken dat juist de polycomb-eiwitcomplexen waar zij onderzoek naar doen een belangrijke rol spelen bij het doorgeven van het patroon van genen die aan en uit moeten staan. “Tijdens DNA-replicatie wil de cel veel ballast op het DNA kwijtraken en laten allerlei eiwitcomplexen de DNA-strengen los”, vertelt Voncken. Een klein deel van de polycomb-eiwitten, minder dan 0,5 procent, blijft echter toch op het DNA zitten. “Het is daarom verleidelijk om te speculeren dat die eiwitten tijdens de deling een kleine markering achterlaten zodat de dochtercel weet welke genen in de moedercel uitstonden.”

Recent is er nog een speler in het spel verschenen. Het gaat om korte RNA-stukjes. RNA is een aan DNA verwant molecuul dat vooral bekend is doordat het de informatieoverdracht regelt van DNA naar eiwitten. Maar dit type molecuul blijkt meer te doen. “Korte stukjes RNA geven instructies voor het plaatsen van de chemische vlaggetjes op histoneiwitten”, stelt Kooter. Bij planten geven ze eveneens instructies voor de methylering van DNA waarmee een cel virale genen inactief houdt. Over hoe dat werkt wordt nog volop gespeculeerd en of de korte RNA’s in menselijke cellen vergelijkbare functies vervullen is nog onbekend.

“Het laat wel zien dat je nu niet zondermeer kunt zeggen dat de histonencode het belangrijkste is bij het onderdrukken van genen”, zegt Kooter. “Door de keuze voor het woord code krijgen de histonmodificaties nu veel aandacht, en terecht. Maar uiteindelijk functioneert een cel alleen door de integratie van een hele serie processen die samen lopen als een trein.” Ook dr. Pernette Verschure van de Universiteit van Amsterdam denkt dat de histonencode niet alleen de baas speelt over ons DNA. “Histonmodificatie is een van de spelers en er kunnen best nog meer spelers zijn die we nu nog niet kennen. Ik denk zelf dat ook de plaats van een gen in de kern een belangrijke rol speelt.”

Niet te kraken

“Wij willen nu met behulp van een artificieel chromosoom meer over de rol van de histonencode te weten komen”, vertelt Verschure. “We maken daarvoor een stuk DNA met een gen dat codeert voor een blauw fluorescerend eiwit. Via een speciale truc stuur ik daar zelf een soort regelfactoren heen die de histonencode in hun omgeving veranderen.” Als dat lukt, kan Verschure bijvoorbeeld het effect bestuderen van het regeleiwit HP1 dat betrokken is bij het plaatsen van methylgroepen op de histonen. Als de blauwe kleur verdwijnt, dan wordt het gen uitgeschakeld.

Ook kan de Amsterdamse onderzoekster bekijken of het DNA compacter wordt en daarmee moeilijker af te lezen. Dat is straks te zien aan de afstand tussen de fluorescerende groene en rode labels die Verschure aan beide uiteinden van een DNA-streng aanbrengt. “We gaan die fluorescerende labels onder een speciale microscoop bekijken in levende cellen.”

Komende jaren zullen vele onderzoekers ter wereld stukjes van de histonencode proberen te kraken. Velen gebruiken daarvoor antilichamen, speciale eiwitten die specifieke vlaggetjes op specifieke plaatsen op de histonen herkennen. Of het kraken van de histonencode ooit helemaal gaat lukken is echter nog de vraag. “Ik denk dat er nooit een tabel in de tekstboeken voor studenten komt te staan waaruit blijkt welke modificatie van de histonstaartjes welk effect heeft”, concludeerde een van de twee bedenkers van de histonencodehypothese, David Allis, in de New Scientist. “De code is zo ontstellend complex.”

Elk type chemisch vlaggetje kan bijvoorbeeld op meerdere plaatsen op de histonstaartjes hangen en dan een verschillend effect hebben. Bekend is bijvoorbeeld dat een methylvlaggetje op het vierde aminozuur op het staartje van histon H3 helpt een gen te activeren, terwijl zo’n zelfde methylvlaggetje op het negende aminozuur van het zelfde eiwitstaartje de genactiviteit juist onderdrukt. Zelfs het aantal vlaggetjes dat op één plek bindt is van belang, hoorde Verschure onlangs op een congres van Zwitserse collega’s.

Wat echter wel duidelijk is, is dat de blauwdruk van het leven meer omvat dan alleen DNA. Genetische informatie is niet eiwitvrij, zoals we sinds de ontdekking van de dubbele helix dachten. De mede-ontdekker van die dubbele helix ligt er niet wakker van. “Het is allemaal veel complexer dan we in 1953 dachten”, zei James Watson tegen Scientific American. “Wat de genetica nu spannend maakt is dat er ook erfelijke eigenschappen zijn die niet in de DNA-code vastliggen.”

© Martine Segers