De ‘warmtekaart’ verraadt’ de nabijheid van stukken DNA in de ruimte. Die kaarten zijn de afgelopen jaren steeds nauwkeuriger geworden (eronder ter vergelijking de ontwikkeling in de yv-techniek) (afb: univ.v.Pennsylvania)

Sinds een jaar of tien geleden onderzoekers een manier hebben gevonden om van rijpe cellen weer stamcellen te maken, is de hoop gegroeid dat het medisch arsenaal aanzienlijk kan worden uitgebreid met, onder meer, de synthese van organen. Die wat genoemd wordt pluripotente stamcellen blijken nog wel eens ‘uit de bocht’ te vliegen en zich te ontwikkelen tot kankercellen. Onderzoekers van, onder meer, de universiteit van Pennsylvanië denken dat die ‘misstappen’ te maken kunnen hebben met het vouwpatroon in het DNA.
De manier waarop het immens lange DNA-molecuul (uitgerekt zo’n 2 m) in de celkern is gepropt is niet onbelangrijk. Die ruimtelijke structuur van het genoom is van belang voor de genexpressie (=activiteit) en daarmee voor het reilen en zeilen van de cel in kwestie. Volgens het onderzoek zouden de pluripotente stamcellen niet een op een te vergelijken zijn met embryonale stamcellen. Het vouwpatroon van die cellen heeft soms nog de trekken van de functionele cel die de stamcel ooit is geweest. Onderzoeksters Jennifer Phillips-Cremins denkt dat er manieren zijn om die vouwfouten te verminderen.
De verwachtingen over de therapeutische waarde van de pluripotente stancellen zijn groot, maar die cellen kunnen ook gebruikt worden om ziektes in een petrischaal mee te simuleren. Het is echter tot nu toe niet duidelijk hoe je betrouwbaar eersteklasstamcellen kweekt, die netjes differentiëren in de verschillende celtypes, zonder genetisch te ontaarden.  “We weten dat er een relatie is tussen de vorm van het genoom en de genexpressie”, zegt Phillips-Cremins. “Dat heeft ons er toe gezet eens te kijken hoe de ruimtelijke structuur van het genoom verandert tijdens het herprogrammeren van rijpe hersencellen in pluripotente stamcellen. We vonden belangrijke verschillen tussen pluripotente cellen en embryonale stamcellen.”
Het verband tussen de ruimtelijke structuur van het DNA-molecuul en de genexpressie is het onderzoekterrein van Phillips-Cremins. Of een gen actief is hangt af van (de)methylering;  de chemische weg. Dat is niet het hele beeld. Door DNA op een bepaalde manier te vouwen kunnen bepaalde gebieden op DNA ruimtelijk en functioneel in ‘contact’ gebracht worden. Je zou je ook kunnen voorstellen, maar dit zeg ik geheel op eigen ‘gezag’, dat genen die in bepaalde celtypen belangrijk zijn ook makkelijker bereikbaar moeten zijn in de celkern om te kunnen worden gekopieerd in RNA. Hoe dan ook: vorm telt voor genexpressie.
Met behulp experimentele en simulatietechnieken slaagden de onderzoekers er in de ruimtelijke structuur van DNA in pluripotente stamcellen te achterhalen. Dat zou niet eerder vertoond zijn in een dergelijke hoge resolutie. Pillips-Cremins: “Eerder gebruikte methodes lijken op een oude tv met grote zwart/witte stippen. Je krijgt daar een vaag beeld mee en je kan zien dat er iemand op het scherm vertoond wordt, maar het is moeilijk de gelaatstrekken waar te nemen. We hebben een methode ontwikkeld om het vouwen van het genoom in hoge resolutie waar te nemen, zodat we de ruimtelijke structuur kunnen bekijken  en verschillen kunnen zien tussen embryonale stamcellen en rijpe, gedifferentieerde cellen.”
De onderzoekers fixeerden de ruimtelijke structuur alvorens het genoom af te lezen. Zo kun je zien dat stukken DNA die op het molecuul ver van elkaar verwijderd kunnen zijn, ruimtelijk vlak bij elkaar kunnen verkeren. Die twee ‘afstandelijke’ delen zouden dan in de ruimtelijke volgorde vlak bij elkaar liggen (op dezelfde streng zitten in het hybride DNA, schrijft het persbericht).
Het bestuderen van die hybride stukjes geeft informatie over de nabijheid in de gevouwen toestand. Zo kun je de ruimtelijke nabijheid van stukken DNA in kaart brengen (die noemen de onderzoekers warmtekaarten). “Elk punt op die warmtekaart is een maat voor de frekwentie dat twee  segmenten wisselwerken”, zegt medeonderzoeker Jonathan Beagan. “Je kunt die frekwentie in kleuren weergeven en het hele gebied op DNA als een warmtekaart. Je ziet dan uiteindelijk een intrigerend patroon van hoge en lage intensiteit en daaruit kun je de cofiguratie van het DNA aflezen.”

Andere patronen

Ze vonden grote verschillen in de ruimtelijke structuur tussen embryonale stamcellen en de hersencellen in vouwpatronen, maar ook andere patronen bij de pluripotente stamcellen dan bij de ‘echte’ stamcellen. Die pluripotente stamcellen hadden nog trekken van de vouwpatronen van de oorspronkelijke hersencellen. Beagan: “Dat zou kunnen betekenen dat als de ruimtelijke genoomstructuur van de cellen die we herprogrammeren meer in de richting van de structuur van de embryonale stamcellen zouden kunnen dwingen, we efficiënter en sneller stamcellen kunnen maken die voldoen aan de gouden standaard voor pluripotente stamcellen.”
Het bleek dat die embryonale genoomvorm dichter benaderd werd als de pluripotente stamcellen in een bepaald medium werden gekweekt. De onderzoekers zijn inmiddels bezig met proeven om het vouwpatroon van DNA in de juiste richting te sturen, dat wil zeggen om, naar believen, de juiste genexpressie te bewerkstelligen.

Bron: EurekAlert