Het inactieve X-chromosoom bevat reuzenlussen die verdwijnen als de DNA-sequentie DXZ4 wordt verwijderd (afb: Qanta Magazine)

Het menselijk DNA-molecuul is lang, uitgerekt bijna 2 m. Dat immense molecuul moet in een kern gepropt worden van enkele micrometers (duizendste mm). Hoe werkt dat en vooral hoe moet dat opgepropte molecuul worden afgelezen om RNA-kopieën te kunnen maken om eiwitten te produceren? Onderzoekers hebben het onvolprezen bacteriewerktuig CRISPR/Cas9 gebruikt om er achter te komen hoe het DNA-molecuul ligt opgekruld in de kern.

Toen in 2003 het menselijk genoom was ontcijferd, dachten veel onderzoekers dat je daarmee het mysterie van de menselijke erfelijkheid had opgelost. In de nucleotidevolgorde lag immers het erfgoed vast? Niet dus. DNA is niet een simpel boek met een vierletteralfabet. Er is ook nog zoiets als genactiviteit en de ruimtelijke structuur van DNA.
Inmiddels is het idee passé dat het uitlezen van de A’s, T’s, C’ en G’s voldoende is om de inhoud van het DNA-boek te kunnen begrijpen. Niet alleen de genactiviteit, de epigenetica, maar ook de ruimtelijk structuur is belangrijk. De geninformatie kan alleen gelezen (gekopieerd) worden als die niet ver weg is gestouwd in de kern. Hoe DNA zich opkrult om de wezenlijke informatie toegankelijk te houden wist niemand.

Eerder dit jaar boekten twee onafhankelijk onderzoeksgroepen vorderingen bij het ontcijferen van de DNA-kronkels. Daarbij maakten beide groepen gebruik van CRISPR om het geheim te ontrafelen. Aan de hand van dat werk zouden wetenschappers wat basisregels kunnen opstellen over hoe DNA zich ruimtelijk vormgeeft. Dat onderzoek maakt ook duidelijk dat de aanwezigheid van kleine DNA-sequenties grote gevolgen kan hebben voor de manier waarop het genoom is gestructureerd.

X-chromosoom

Het onderzoek begon als een poging om het geheim van het X-chromosoom te doorgronden. De meeste mannelijke zoogdieren hebben een X- en een Y-chromosoom, terwijl de meeste vrouwelijke twee X-chromosomen hebben. Dat zou in theorie een probleem kunnen zijn voor de cellen van de vrouwtjes. Als beide X-chromosomen actief blijven dan zouden twee keer zoveel genen op dat chromosoom kunnen worden geactiveerd, wat zou leiden tot een baaierd aan problemen. Dat zou weer leiden tot een snelle dood van de vrouwelijke vrucht.
Om dat te voorkomen is er een gen, Xist genaamd, dat een van de X-chromosomen uitschakelt. Het inactieve X-chromosoom, bekend als het Barrlichaampje of het geslachtschromatine, is klein. Het krult zichzelf op en verbergt bijna al zijn genen, zodat die niet kunnen worden overgezet in RNA. “X-deactivering is belangrijk in de vrouwelijke ontwikkeling”, zegt bioloog Brian Chadwick van de universiteit van Florida. “Het enige verschil tussen de twee X-chromosomen is de manier waarop ze ‘verpakt’ zijn.”

Chadwick is bijna zijn hele loopbaan bezig geweest met de deactivering van het X-chromosoom. Dat onderzoek leidde hem naar een DNA-sequentie die wordt aangeduid met DXZ4 als mogelijke sleutel voor het opvouwen van het inactieve X-chromosoom, om te voorkomen dat dat wordt afgelezen. Alle zoogdieren met een inactief X-chromosoom hebben zo’n sequentie. Nu moest ie nog aantonen dat dat inderdaad zo is.

Prolactine

Het begin van de oplossing dateerde van twintig jaar eerder. Katherine Cullen van de Vanderbilt-universiteit wilde begrijpen hoe het eiwit prolactine werkt, dat het vrouwtjeszoogdieren mogelijk maakt melk te geven. Cullen en haar baas Mark Seyfred dachten dat oestrogeen een hele serie reacties inleidde die eindigde in de vorming van een grote lus in het DNA-molecuul. Deze lus verbindt de prolactinegenpromotor
met een soort prolactineschakelaar. Cullens opdracht voor haar promotieonderzoek was dat uit te zoeken.

Ze zocht naar die lus met behulp van een techniek die net ontwikkeld was door Seyfred. De eerste stap was daarbij het DNA met formaldehyde te behandelen. Daardoor ontstaan er verbindingen tussen DNA-delen die dicht bij elkaar zitten in de ruimtelijke structuur van het genoom. Zo zie je welke delen vlak bij elkaar komen, ook al zitten ze ver van elkaar in de basevolgorde (de opeenvolging van de nucleotiden, de bouwstenen van DNA).
De promovenda vond dat blootstelling aan oestrogeen leidt tot lusvorming waarbij de prolactinepromotor en -‘schakelaar’ elkaar raken. Met die ontdekking verdiende ze in 1993 een publicatie in het bekende wetenschapsblad Science. Dat was het eerste directe bewijs dat de ruimtelijke structuur van het DNA iets te maken heeft met zijn functie.
Haar artikel trok niet veel aandacht. Cullen: “Ik dacht in die tijd helemaal niet aan de genoomstructuur. Die term bestond toen niet eens.”

Erkenning

Tien jaar later veranderde dat. Ze werd opgebeld door Erez Lieberman Aiden die destijds gastonderzoeker was aan de Harvard-universiteit. Hij was op zoek naar informatie over de onderzoeksmethode die Cullen destijds had gebruikt. Hij wilde niet een gen bekijken, maar het hele genoom.
Ondertussen is Aiden informatisch bioloog geworden aan de Amerikaanse Rice-universiteit, waar hij voortborduurt op werk van Job Dekker van de universiteit van Massachusetts, om de waarschijnlijkheid van de nabijheid van bepaalde sequenties in het genoom in kaart te kunnen brengen. Aiden: “Wij zien onze buurman ook veel vaker dan iemand die in een vreemd land woont. Dat is hetzelfde idee. Als we van DNA weten welke delen elkaar op een normale dag tegenkomen, dan kunnen we uitvinden welke gebieden dat zijn en daarmee aan de weet komen hoe het genoom er in drie dimensies uit ziet.”

Aiden c.s. publiceerden hun resultaten van de eerste
nabijheidsexperimenten in 2009. Deze resultaten gaven een vorm te zien met een oplossend vermogen van 1 miljoen baseparen (DNA-bouwstenen). Dat ziet eruit als een pointillistisch schilderij. “Dat lijkt op een wereldkaart met wat vage omtrekken van de continenten”, zegt Suhas Rao die op het lab van Aiden werkt. “Je kunt er niet mee navigeren, maar het is een begin.”
De jaren daarna verfijnden de onderzoekers rond Aiden hun onderzoekstechniek en in 2014 hadden ze al een DNA-kaart met een resolutie van 1000 baseparen. Nu kon je de straten in een stad zien, bij wijze van spreken. De onderzoekers gingen een beetje door krijgen hoe DNA ruimtelijk in elkaar steekt.

Miljarden contacten

Aiden c.s. ontdekten miljarden contacten, maar een deel van het DNA sprong er uit: de twee vrouwelijke X-chromosomen. Het ene X-chromosoom zag er normaal uit terwijl het inactieve X-chromosoom er heel anders uit zag. In plaats van dat dat vele lussen heeft van ongeveer 200 000 baseparen, heeft het inactieve X-chromosoom twee grote superdomeinen die gekenmerkt worden door meer reuzenlussen van tot 77 miljoen baseparen. Hoe komt dat?
Hier speelt DXZ4 een rol, dezelfde sequentie die Chadwick had ontdekt als sleutel voor het vouwen van het X-chromosoom. De twee besloten te gaan samenwerken.
In de biochemie is het belangrijk om het verband te zien tussen de structuur en de functie van een molecuul. Op die manier wordt duidelijk, bijvoorbeeld, waarom eiwitten soms niet meer werken als door een ‘verkeerd’ aminozuur de vorm van het eiwit wordt veranderd. Iets soortgelijks wilde het tweetal doen bij DNA. Ondertussen was de knip- en plaktechniek van CRISPR/Cas9 in de gereedschapskist van de genetici terechtgekomen.

CRISPR/Cas9

De CRISPR/Cas9-schaar en de lussen in DNA

Om te bewijzen dat DXZ4 inderdaad de ‘aanstichter’ is, sneden de onderzoekers dat deel uit DNA (een stuk van honderdduizenden nucleotiden). De lussen verdwenen. Aiden: “Het leek er op dat we nu wisten hoe het genoom zich vouwt.”

Onafhankelijk van het werk van Aiden en Chadwick bleken ze in Dekkers lab ook de sleutelrol van DXZ4 te hebben aangetoond in het vouwen van het DNA-molecuul in het inactieve X-chromosoom van muizen. Ze ontdekten ook dat het Xist-gen, de ‘schakelaar’ die zorgt voor het oprollen van het inactieve X-chromosoom, helpt het grensgebied te creëren tussen de twee superlussen op dat chromosoom. Zowel het verhaal van Dekker in Nature als dat van Chadwick en Aiden in PNAS heeft geholpen bij het ontrafelen van de kluwen die DNA heet.

“Het is vrij opmerkelijk dat de structuur van een heel chromosoom afhankelijk is van een korte sequentie ergens in het midden”, zegt Wouter de Laat van de universiteit Utrecht. Al lang leeft bij wetenschappers het idee dat het verkeerd vouwen van DNA leidt tot ziektes en verschillend onderzoek wijst op een verband tussen de genoomstructuur en de biologische ontwikkeling. Het wordt steeds duidelijker dat, zoals Dekker het formuleert, “niks er toe doet tot je het in 3d ziet”.

Bron: Qanta