Het geheim Bij de tekening

Rotterdamse wetenschappers ontdekte een schakelaar die in vrouwelijke cellen één van beide X-chromosomen uitzet.

This is an undated handout photo of a chimpanzee. Chimpanzees are skilled cooperators. They recognize when collaboration is necessary and who is the best collaborative partner, according to a new study by Alicia Melis and colleagues. Photographer: A. Melis Source: American Association for the Advancement of Science via Bloomberg News via Bloomberg News

Elke vrouw is een mozaïek,” zegt Anton Grootegoed. Op zijn hoogleraarskamer op het Erasmus MC in Rotterdam plukt hij aan een stukje huid op zijn hand. “Bij een vrouw vind je in zo’n stukje huid cellen waarin het X-chromosoom dat van haar vader komt is uitgeschakeld. En daarnaast groepjes cellen waarin het X-chromosoom van haar moeder uit staat.”

Vrouwen hebben twee X-chromosomen, in al hun honderd biljoen lichaamscellen. En in al die cellen is één van beide X-chromosomen uitgeschakeld, terwijl bij de overige 22 chromosoomparen beide chromosomen ‘aan’ staan.

Joost Gribnau, universitair hoofddocent bij Grootegoeds afdeling voortplanting en ontwikkeling, heeft de moleculaire schakelaar ontdekt waardoor in cellen met twee X-chromosomen er at random één stil wordt gelegd (Cell, 25 november). Het bestaan van die schakelaar had Gribnau twee jaar geleden theoretisch voorspeld (Cell, 8 februari 2008). En de vondst bevestigt Gribnaus theorie. Zijn internationale vakgenoten en concurrenten aanvaarden die theorie nu, ook al heeft dat een tijdje geduurd en was het niet makkelijk.

Een stilgelegd X-chromosoom heeft zichzelf omhuld met een wolk van RNA-moleculen, geproduceerd door het Xist-gen dat op het chromosoom ligt, in het gedeelte dat het X-inactivatiecentrum heet (zie tekening).

Het uitschakelen van een heel X-chromosoom lijkt verkwisting, maar het is levensreddend. Grootegoed: “Het was kennelijk nodig doordat tijdens de evolutie het Y-chromosoom steeds kleiner werd, en genen verloor.”

Mannen zijn man doordat ze in al hun cellen één X- en één Y-chromosoom dragen. Zonder Y-chromosoom word je vrouw.

Grootegoed: “In reactie op het krimpen van Y werd het X-chromosoom steeds actiever. Stap voor stap werd het onmogelijk om te leven met twee actieve X-chromosomen.”

Op chromosomen die ‘aan’ staan, laten genen hun genetische code aflezen als dat nodig is voor de levensprocessen.

In mannen staan alle 46 chromosomen ‘aan’, dus ook de X- en Y-chromosomen.

Gribnau: “Er bestonden wel vier modellen voor de uitschakeling van het X-chromosoom, maar doordat geen van de modellen het uitschakelproces goed wist te verklaren, werden de theorieën steeds doller. De laatste jaren overheerste het X-kissing model. Daarbij moesten beide X-chromosomen eerst contact met elkaar hebben voordat een van beide werd uitgeschakeld. Als een soort doodskus.”

Het uitschakelen van het X-chromosoom is hot. Het is een wetenschapsterrein waar veel verschillende disciplines samen komen. Genoomonderzoekers, evolutiegenetici, voortplantingsdeskundigen draaien al vijf decennia rond dat inactivatieraadsel.

In het dierenrijk bestaan er verschillende mechanismen voor. Grootegoed: “In kangaroes en andere buideldieren is altijd het X-chromosoom uitgeschakeld dat een vrouwelijk dier van haar vader erft.” Na de afsplitsing van de buideldieren, ongeveer 150 miljoen jaar geleden, is bij de placentaire zoogdieren de ingewikkelder X-inactivatie ontstaan die nu tot in detail is ontrafeld. Bij muizen. Maar bij de mens en de andere primaten, gaat het net zo. Grootegoed: “Nog wordt kort na de bevruchting in die zoogdieren het X-chromosoom dat van de vader komt uitgeschakeld. Bij muizenembryo’s gaat op dag 3,5 die inprenting van het vaderlijke X-chromosoom er weer af, maar alleen in het deel van het embryo dat uiteindelijk echt het organisme wordt.”

Twee dagen later wordt daarin toch weer een van beide X-chromosomen opnieuw uitgeschakeld. Nu at random, in de ene cel het X-chromosoom van de vader, in de andere cel dat van de moeder. En die chromosomen verschillen, vandaar dat iedere vrouw een mozaïek is. Direct zichtbaar is dat bij de lapjeskat, een poes met rode, zwarte en witte vlekken. Zo’n poes heeft een X-chromosoom met een gen voor rode huid en een ander X-chromosoom waar dat gen voor zwart codeert. Direct is zichtbaar welk chromosoom uit staat.

Gribnau: “Bij muizen gebeurt het allemaal in twee dagen tijd, tussen dag 5,5 en 7,5. De blokkade blijft tijdens verdere celdelingen bestaan, vandaar dat in naburige cellen steeds hetzelfde X-chromosoom is uitgeschakeld.”

DUIZEND CELLEN

Gribnau liet met computerberekeningen aan zijn theorie zien hoe groot de kans is dat beide X-chromosomen in een cel geïnactiveerd raken. Dat gebeurt en die cellen gaan dood. Ruim 12% van de cellen in een zes dagen oud muizenembryo zijn op die manier verloren gegaan. Dat embryo is dan nog maar 1.000 cellen groot (PLoS ONE, mei).

Die forse celdood is een onverwachte ondersteuning van Gribnaus theorie, omdat daarmee voor het eerst kan worden verklaard waarom vrouwelijke muizenembryo’s halverwege hun ontwikkeling een stuk lichter zijn dan mannelijke. “Het verschil is ongeveer 16 procent,” zegt Gribnau, “en dat is het verschil vóórdat wat later in de embryonale ontwikkeling de hormonen een grote rol spelen.”

Tot voor kort waren het altijd de hormonen die de verschillen tussen groei bij mannen en vrouwen moesten kunnen verklaren, maar tegenwoordig is er meer aandacht voor de genetische verschillen tussen man en vrouw (zie kader Half man half vrouw).

“In andere verklaringsmodellen voor X-inactivatie”, zegt Gribnau, “was het steeds uitgesloten dat daardoor embryocellen op zo grote schaal zouden sterven. Men ging er van uit dat er in de evolutie niet zulke verkwistende systemen ontstaan, maar kennelijk loont het toch.”

SRY-GEN

De verkwisting is het gevolg van een evolutie die ongeveer 200 miljoen jaar geleden begon, toen het gen SRY op één chromosoom terecht kwam dat waarschijnlijk gewoon onderdeel was van een paar niet-geslachtsgebonden chromosomen.

Een foetus met een SRY-gen wordt man. Ontbreekt het SRY-gen, dan wordt een foetus een vrouw.

Het gebied rond het SRY-gen ging steeds meer afwijken van het partnerchromosoom, doordat er andere genen kwamen te liggen die ook belangrijk zijn voor de man, zoals voor de aanmaak van zaadcellen.

Het groeiend verschil tussen de aanvankelijk gepaarde chromosomen had tot gevolg dat het uitwisselen van genen voorafgaand aan de celdeling (de meiose) waarbij spermacellen ontstaan niet meer lukte.

Tijdens de celdeling (de meiose) liggen de chromosomen die tot een paar behoren zij aan zij met hun partner. Ze wisselen brokken chromosoom uit (recombinatie). “En wat belangrijk is,” zegt Grootegoed, “het is een kwaliteitscontrole. Als een chromosoom te sterk van zijn partner afwijkt, gaat de celdeling niet verder. Zo iemand is onvruchtbaar.”

Het Y-chromosoom doet al miljoenen jaren niet meer mee aan die kwaliteitscontrole. Het Y-chromosoom is toen snel genen gaan verliezen.

Grootegoed: “Het X-chromosoom ontsnapt daaraan omdat het tweederde van zijn tijd in vrouwen doorbrengt. En daar vindt die recombinatie tijdens de geslachtscelvorming nog wel steeds plaats. Het idee is dat het Y-chromosoom steeds leger wordt en uiteindelijk zelfs bij sommige soorten verloren gaat. Misschien niet zo snel bij de mens, want daar zijn mechanismen in het Y-chromosoom actief die beschermen tegen verdere degeneratie. Maar bij een woelmuis uit de Kaukasus is het nu al zover. Bij de Ellobius lutescens hebben vrouwtjes en mannetjes allebei één X-chromosoom. Het Y-chromosoom met het geslachtsbepalende SRY-gen is er verdwenen. Op een ander chromosoom moet een nieuw geslachtsbepalend gen zijn ontstaan. En daar begint de cyclus van een XY-chromosomenpaar dat uit elkaar groeit misschien wel weer opnieuw.”

TELLEN

De theorie van Gribnau zegt dat een cel telt hoeveel actieve X-chromosomen er in de celkern zitten. Ieder X-chromosoom heeft een gelijke kans om at random te worden uitgeschakeld en de kans op uitschakeling neemt af als het aantal overgebleven chromosomen de één nadert.

Gribnau: “Dit stochastische model laat de kans open dat sommige cellen beide X-chromosomen uitschakelen. Die cellen gaan dood. Andere cellen laten beide chromosomen nog aan staan, maar die worden even later toch gedwongen een X te inactiveren. Want ook een organisme met in alle cellen twee actieve X-chromosomen is niet levensvatbaar.”

Tot nu toe gaat dit artikel vooral over vrouwen en hun twee X-chromosomen. Maar er zijn ook mannen met twee X-chromosomen in hun lichaamscellen. Zij zijn XXY en hebben het Klinefeltersyndroom. Ook bij hen wordt in iedere cel een X-chromosoom uitgeschakeld, net als in vrouwelijke cellen.

Waarom hebben die mannen dan toch kleine testikels, en lange armen en benen? Dat zit in de nuances.

“De inactivatie van X is niet compleet,” zegt Gribnau. “Het X-chromosoom heeft aan zijn uiteinde nog een klein gebied waarin het gelijk is aan een stukje Y-chromosoom.” Dat zijn de pseudo-autosomale regio’s (PAR’s).

Grootegoed: “De PAR-uiteinden van X en Y paren nog wel tijdens de meiose, bij de vorming van zaadcellen. En wat belangrijk is voor het Klinefeltersyndroom: de genen op de PAR worden door de X-inactivatie niet uitgeschakeld. En dat geldt ook voor een handvol genen die het X- en Y-chromosoom nog allebei hebben en die niet in de PAR liggen.” (zie kader Chimp, gorilla en mens)

SYNDROOM VAN TURNER

“Klinefelter-mannen met XXY hebben dus drie chromosomen met een actieve PAR. En ze hebben een paar andere genen op X en Y die drie keer ‘aan’ staan, in plaats van twee keer. Daardoor hebben ze afwijkingen. Andersom,” zegt Grootegoed, “zijn er vrouwen met het syndroom van Turner. Die missen een X-chromosoom. Ze zijn niet XX of XY, maar X, of X0. Die missen weliswaar een heel X-chromosoom, maar wat genactiviteit betreft mankeert er alleen een set PAR-genen en het handvol genen dat normaal op beide X-chromosomen actief blijft. Tegenwoordig is er veel aandacht voor de vraag of het syndroom van Turner anders is als het ene X-chromosoom van een Turner-vrouw van haar vader of van haar moeder afkomstig is. Daarin zijn verschillen te zien. En dat laat weer eens zien dat het voor vrouwen een voordeel is om mozaïek te zijn. Een mutatie die bij een man een ernstige ziekte veroorzaakt heeft voor vrouwen bijna nooit gevolgen.”

Grootegoeds groep heeft een website: www.seXYchromosomen.nl

    • Wim Köhler