Het leven zelf legt genen stil

Genetica

De methyleringscode van het DNA bepaalt welke genen aan en uit staan. De code blijkt heel dynamisch; alles kan gewist en opnieuw geschreven.

‘We waren verbijsterd. Het was bizar.” Moleculair bioloog Hendrik Marks wijst naar een grafiek in de nieuwste publicatie van hem en zijn Nijmeegse collega’s in het tijdschrift Cell Stem Cell. Het vergt veel van het voorstellingsvermogen om zijn opwinding daar in terug te zien. We kijken naar kleine plaatjes in het online verschenen artikel. Op het ene plaatje hangen de punten allemaal bovenin – in het plaatje eronder zijn ze allemaal naar beneden gezakt. Marks: “Zie je? De methylgroepen aan het DNA zijn weggeveegd. Met een eenvoudige ingreep, rechtstreeks op je DNA. Alleen door de cellen andere voedingsstoffen te geven. Terwijl iedereen al jaren denkt dat die methylgroepen muurvast op het DNA zijn vastgeklonken.”

Methylgroepen aan het DNA van een gen, dat betekent dat het lichaam dat gen niet meer gebruikt. Het gen is uitgeschakeld. Dat heeft grote gevolgen voor groei, voor spijsvertering, voor denken en veroudering. Voor alle levensprocessen, want die worden allemaal door het aan- en uitschakelen van genen, door genactiviteit geregeld. DNA-methylering is onderdeel van het grote regelmechanisme dat het leven stuurt – van de groei van de bevruchte eicel tot de volwassenheid, en in reactie op voeding, stress en verontreinigende stoffen.

Hoe meer onderzoek moleculair biologen er aan deden, hoe belangrijker de rol van DNA-methylering werd. Methyleringspatronen erven over van ouder op kind. En door gifstoffen stilgelegde (gemethyleerde) genen kunnen drie generaties later de nakomelingen nog beïnvloeden. Het is allemaal kennis van de laatste twintig jaar.

Er is ook al een tegengeluid. Dat zegt: DNA-methylering is niet echt zo superbelangrijk, want het initieert niks. Het legt vast. Er zijn onderzoekers die zeggen dat het echte genetische regelwerk op het conto van transcriptiefactoren komt. Dat zijn eiwitten die aan het DNA binden, op stukken DNA die naast de genen liggen. En die binding, of het loslaten bepaalt of de naastliggende genen aan het werk gaan. Soms zet één transcriptiefactor een hele groep genen ‘aan’ of ‘uit’.

‘Vaak’, schrijven Zachary Smith en Alexander Meissner van Harvard University in een review-artikel over de invloed van DNA-methylering op de groei van zoogdieren (Nature Reviews Genetics, maart), ‘stabiliseert DNA-methylering de beslissingen van transcriptiefactoren. Om te garanderen dat die nauwkeurig en blijvend zijn.’

Het betekent dat een reguleringspatroon door vastzittende methylgroepen blijvend wordt vastgelegd in de erfelijke informatie van het DNA. En dat reguleringspatroon ligt niet alleen vast in de cel waarin de methylgroepen oorspronkelijk worden vastgemaakt, maar ook in alle dochtercellen.

Tijdens de miljarden celdelingen die dagelijks in een mensenlichaam plaatsvinden wordt het DNA van een cel gekopieerd, inclusief het methyleringspatroon. De methylgroepen op het DNA zitten alleen aan de base cytosine (C) vast. En die verankering is zo sterk en zo blijvend dat er onderzoekers zijn die gemethyleerd C de vijfde base noemen.

Hóe methylgroepen aan DNA de genactiviteit stilleggen is nog niet helemaal bekend. Duidelijk is wel dat een hoge methyleringsgraad de structuur van het DNA verandert. Het wordt compacter, waardoor het aflezen van genen in die gebieden sowieso een stuk moeilijker wordt. Moleculair biologen kijken tegenwoordig ook naar de veranderende ruimtelijke structuur van het chromosoom tijdens het aflezen van genen. In ieder chromosoom ligt een lang DNA-molecuul, in elkaar gewonden en gewikkeld rond eiwitten, de histonen. Om genen te kunnen aflezen moet die structuur – tijdelijk – losser zijn. Methylering van DNA verhindert dat dus, doordat de structuur ter plekke compacter wordt en dat wordt nog verstevigd doordat ook aan de histoneiwitten in die compacte stukken DNA kleine chemische moleculen (methyl- en acetylgroepen) worden gebonden.

De effecten van methylgroepen aan het DNA zijn sterk verschillend. Soms is een hoger methyleringspercentage in een groter DNA-gebied beslissend voor het stilleggen van de genen die daar liggen, maar op een andere plaats kan een methylgroep aan één base bepalend zijn, schrijven Smith en Meissner in hun review. Dat is de kennis van nu.

Moleculaire vlaggetjes

De grote vraag voor de huidige generatie epigenetici is dus hoe die moleculaire ‘vlaggetjes’ op het DNA en de histonen iemands groei en het gedrag veranderen. Met de bestaande onderzoekstechnieken was daar moeilijk achter te komen. Maar met een nieuwe techniek lukt dat, sinds een jaar. En de techniek wordt betaalbaar. Het is een techniek die de hele basenvolgorde van het DNA vaststelt (het genoom), waarbij de sequencer niet alleen de plaats bepaalt van de vier standaardbasen A, T, C en G, maar ook aanwijst welke C’s gemethyleerd zijn. Naast een genoom heeft iedere mens echter zeer veel methylomen, want elk weefseltype heeft weer een andere methyleringsgraad.

Marks en zijn collega’s Ehsan Habibi en Arjen Brinkman, in het lab van hoogleraar Hen Stunnenberg, aan de Radboud Universiteit gebruikten die nieuwe techniek (zie kader ‘Een heel methyloom’) voor hun publicatie in Cell Stem Cell. Zij deden onderzoek naar het wissen en aanbrengen van de methylgroepen in embryonale stamcellen van muizen. Van de ongeveer 3 miljard DNA-basen in het muizengenoom (met ruim een miljard C’s, die gemethyleerd kunnen zijn) weten zij nu waar methylgroepen komen en gaan.

Het is onderzoek met hallucinerende hoeveelheden informatie. Vooral als de onderzoeker overstapt van embryonale stamcellen, met nog maar één celtype, naar ontwikkelende embryo’s en opgroeiende individuen. Marks: “De methyleringspatronen zijn in ieder weefsel anders, want de cellen zijn anders gespecialiseerd en dat is vastgelegd in methyleringspatronen. En bovendien is binnen ieder weefsel niet iedere cel in een weefsel op precies dezelfde manier gemethyleerd.”

Marks: “Je moet dus van ieder weefsel een keer of tien – liefst vaker – het methyloom bepalen voordat je van ieder van een miljard C’s kunt zeggen hoeveel procent ervan gemethyleerd is. De computerbestanden waar wij in ons stamcelonderzoek mee werken zijn lijsten met een miljard C’s: hun positie in het methyloom met daarachter een getal dat het methyleringspercentage geeft.” En de gigabyte-bestanden worden terabytes als onderzoekers de methylomen van een groeiend embryo in detail gaan beschrijven, waarin deling na deling, dag na dag de methyleringspatronen veranderen, terwijl de cellen zich differentiëren en weefsels en organen ontstaan.

De eerste beschrijving van de methyleringsveranderingen in een muizenembryo stond ruim een jaar geleden in een Nature-artikel (19 april 2012). Het was van de groep van Harvard-onderzoeker Alexander Meissner (die was ook auteur van de eerder genoemde review over DNA-methylering tijdens zoogdiergroei).

“Dat was een fantastisch artikel”, zegt Marks, “hoewel de groep van Meissner nog niet eens complete methylomen bepaalde. Zij selecteerden ongeveer tien procent van het genoom, waar gebieden liggen die tijdens de bevruchting, eerste celdelingen en innesteling belangrijk zijn. En daarover gaven ze gedetailleerde informatie.”

Tijdens de bevruchting is het DNA in een eicel spaarzaam gemethyleerd: aan 30 procent van de C’s zit een methylgroep, meestal vooral in speciale gebieden waar de basen C en G veelvuldig naast elkaar voorkomen: de CpG-eilanden. Maar het DNA van de binnendringende spermacel hangt juist vol methylgroepen: 75 procent van de CG’s is gemethyleerd. Na de bevruchting daalt dat snel naar 40 procent. In een twee-, vier- en achtcellig embryo zakt die methylering verder. Het minimum (minder dan 5 procent gemethyleerd) wordt bereikt in het blastocyststadium, in de cellen waar het embryo uit groeit. In goed Nederlands heet dat het ‘ontwikkelingsknopje’, tegenwoordig meestal inner cell mass. Als het embryo verder groeit, loopt de methylering weer scherp op. De CG’s in een muizenembryo van 6,5 dag oud zijn alweer voor 80 procent gemethyleerd.

Het leven kan alleen zonder methylering goed op gang komen, is de conclusie. Alle genen moeten kunnen meedoen, met hier en daar een uitzondering.

Marks: “De Britse stamceldeskundige Austin Smith noemt die kortbestaande toestand in het embryo een blank slate, een schone lei. Het is alsof je een spel klaarlegt, of het eten op tafel zet. En vervolgens ga je beginnen. Die toestand bestaat ook in embryonale cellen in wat nu de pluripotente grondtoestand heet.”

Marks en zijn collega’s hebben nu aangetoond dat alleen het wisselen van een groeimedium al gedeeltelijk gedifferentieerde stamcellen terug kan zetten pluripotentie. En dat belangrijkste verandering het wissen van de methylering is. (zie kader ‘Stamcellen’)

Marks: “We kunnen dus nu bij embryonale stamcellen van de muis de methylering massaal wissen. En als we teruggaan naar serum, dan wordt de methylering er weer opgezet.”

Toppublicatie

Het artikel in het tijdschrift Cell Stem Cell waarin de vondst is beschreven staat nu een paar weken online. Marks: “Al tijdens presentaties over dit werk kregen we veel verbaasde reacties. Niemand had gedacht dat je zo eenvoudig zo’n grote ingreep op de DNA-methylering kan doen.”

Marks vertelt hoe begin dit jaar de Nature-redactie belangstelling voor het artikel had, wat een echte toppublicatie zou kunnen opleveren. “Maar Nature vroeg nog om veel extra proeven. Daar hebben we begin dit jaar dag en nacht aan gewerkt.”

Toen verscheen een Britse publicatie die hetzelfde liet zien: alle methylering weg door een simpele ingreep. Maar aangetoond met een veel eenvoudiger methode. Marks: “Zij lieten het principe snel en grof zien, met een oude techniek. Wij hebben het hele methyloom bepaald. Maar ja, toen was het niet meer genoeg voor Nature. Gelukkig konden we snel switchen naar een ander toptijdschrift, Cell Stem Cell.”