Retrotransposons in het embryo

In een onlangs verschenen onderzoek in Nature wordt beschreven hoe de methylatie van het DNA verloopt rondom de vorming van de bevruchte eicel of zygote. Methylatie van DNA is een mechanisme om genen te onderdrukken of juist tot expressie te laten komen wanneer methylatie ontbreekt. Dit wordt ook wel epigenetische silencing genoemd. Het heeft een belangrijke rol in de differentiatie van cellen. Elke cel in ons lichaam bevat het complete genoom, maar in een spiercel en een zenuwcel komen geheel andere genen tot uitdrukking. Dit hangt voor een belangrijk deel af van de mate waarin de genen gemethyleerd zijn.

Het blijkt nu dat er tijdens de vorming van het embryo verschillen zijn in de graad van methylatie. Deze is bijzonder laag rond de vorming van de blastocyst, het tweede meercellige stadium van het organisme (in dit geval van de muis), waarin de cellen pluripotent zijn oftewel differentieerbaar zijn in alle verschillende weefsels. Het DNA is een sequentie bestaand uit vier letters of basen: adenine, thymine, cytosine en guanine. De volgorde van deze letters vormen de code van het DNA. Bij methylatie wordt op een van de vier basen (op cytosine) een methylgroep aangebracht wanneer er een guanine op volgt ofwel op een CpG site.

Uit Wikipedia: van ei- en zaadcel tot blastocyst

Bij de vorming van het embryo zijn de eerste cellen niet gedifferentieerd; het eerste stadium van de morula bestaat uit totipotente stamcellen en in de blastocyst zijn de cellen pluripotent. In dat laatste stadium is de methylatie erg laag. De studie laat ook zien dat het vooral bepaalde retrotransposons of Transposable Elements (TE’s) zijn die een minimum aan methylatie bereiken in dit stadium. Deze genetische silencing onderdrukt normaal ook het verspringen van de retrotransposons. Het voorgaande blog bespreekt uitgebreid wat retrotransposons precies zijn. Ze springen door het genoom en kunnen midden in een gen belanden en het daardoor verstoren of zelfs kapot maken. Het is goed voorstelbaar dat de retrotransposons makkelijker zullen verspringen in deze ongemethyleerde vorm. Of dit ook werkelijk het geval is is niet onderzocht. Dit zou betekenen dat er een grote kans is op schadelijke mutaties in het genoom. Bijna 50 % van het genoom bestaat uit retrotransposons, dus eventuele inserties zullen daar weinig schade aanrichten, maar in ongeveer 25 % van het genoom, dat coderend is, zullen er problemen kunnen ontstaan. De vraag is dan hoe het mogelijk is dat deze retrotransposons zo slecht gemethyleerd zijn. Het gaat hier om specifieke retrotransposons namelijk L1’s. In het artikel wordt hier geen conclusie aan verbonden. Zou het kunnen dat hun gespring een specifieke en zelfs positieve rol heeft ?
In de reacties op het blog van Gert Korthof over de Alu retrotransposons wordt door Gert zelf geopperd dat sommige transcripten van transposons wel degelijk een (positieve) functie kunnen hebben en dat dat de rede is dat ons genoom er zo vol mee zit.

Mozaicisme

De lage methylatie en het verspringen betekent niet alleen een toename van de kopieën, maar ook een toegenomen transcriptie. In het menselijk genoom betekent een verhoogde expressie van L1 een toename in inserties van Alu. Dit soort inserties hebben voornamelijk plaats in de blastocyst ofwel in de pluripotente cellen en niet in de geslachtscellen. Er vormt zich daardoor een groter mozaïek in de somatische cellen en er ontstaat mozaïcisme.

Wetenschappers vragen zich nu af of TE’s niet zelf een rol hebben in epigenetische silencing. Er wordt ook gedacht dat TE’s een drijvende kracht kunnen vormen achter evolutie omdat ze zorgen voor translocatie van seqeunties en omdat ze exons door elkaar kunnen schudden en de reparatie van dubbelstrengse breuken in het DNA kunnen bevorderen. Inserties en transposities kunnen regulerende genen beïnvloeden en zo het fenotype veranderen.

De capaciteit van transposons om genetische diversiteit te doen toenemen, samen met de mogelijkheid van het genoom om het grootste deel van de TE activiteit te onderdrukken, resulteert in een evenwicht dat transposons een rol toebedeelt in de evolutie en genoom regulatie in alle organismen die deze sequenties bezitten.

Uit Nature, Mol. Cell Biology, Scitable.

Met dank voor het artikel uit Nature aan Gert Korthof en voor de discussie aan alle reageerders op mijn voorgaande blogbericht.