Epigenetica en RNA

DNA methylatie in planten. De bloem staat op de plaats van een methylgroep in Cytosine

Epigenetica is een vrij nieuwe tak van de genetica en bestudeert veranderingen van het DNA die geen invloed hebben op de sequentie daarvan. Er wordt veel over gediscussieerd om verschillende redenen. Het gaat in de discussies voornamelijk over de mogelijkheid dat de veranderingen erfelijk zouden zijn. Vaak worden er dan studies geciteerd waarin gebleken is dat blootstelling in utero aan chemicaliën of een slechte voeding bijvoorbeeld een (negatief) effect hebben op de volgende generatie. Behalve dat dit uitsluitend een generatie betreft, is er ook geen sprake van ware erfelijkheid want die zou moeten verlopen via de gameten ofwel geslachtscellen.

Naar aanleiding van een discussie met een bioloog kwam er een artikel uit Nature naar voren. In dat artikel wordt netjes ingedeeld wat de moleculaire kandidaten zijn voor epigenetische erfelijkheid. Een belangrijke kandidaat is de methylatie van het DNA. Het DNA bestaat uit vier letters: A, C, T en G die staan voor de nucleotiden Adenine, Cytosine, Tymine en Guanine resp. Methylatie van het DNA is de methylatie ofwel de toevoeging van een methyl-groep aan het residu Cytosine. Methylatie is een essentieel onderdeel van het DNA en bepaalt welk gen en hoeveel van elk gen er afgeschreven wordt. Dit is van fundamenteel belang voor de differentiatie van de verschillende weefsels. Al onze cellen bezitten immers hetzelfde genoom, maar ze zijn allemaal gedifferentieerd in de verschillende cellen zoals in de levercellen, de neuronen of de spiercellen bijvoorbeeld. In al deze cellen staan er verschillende genen ‘aan’ of ‘uit’. Het is recent aangetoond dat deze markering niet overgeërfd wordt. De methylatie wordt door het enzym demethylase verwijderd. Dit kan gebeuren in de geslachtscellen, maar doet zich zeker voor in het eerste stadium van het embryo.

Andere kandidaten zijn verschillende groepen RNA’s. RNA wordt van het DNA afgeschreven, heeft net als DNA een sequentie van nucleotiden A, C, en G, maar in plaats van T bevat het een U (Uracil). Het meest belichte RNA is het mRNA dat codificeert voor de proteïnen. Maar van de totale RNA’s zijn de lncRNA’s (long non-coding RNA’s) het meest voorkomend en vormen vier vijfde van het totale RNA. Ze zijn voor methylatie wellicht van belang omdat ze de methylase (het enzym dat DNA methyleert) sekwestreren. Een gevolg daarvan zou kunnen zijn dat er minder DNA gemethyleerd wordt en er dientengevolge meer DNA tot expressie komt en getranscribeerd wordt in RNA. Ook de small RNA’s spelen een rol in de regulatie van genexpressie. Het is hoe dan ook een kwestie van definieren of je RNA’s ook zou moeten rekenen tot epigenetische markers. Ze zijn overvloedig aanwezig in de eicel waar ze voorzien in alle benodigdheden van deze cel tot aan de tweede celdeling en worden via de moeder geërfd. Het zouden daarom goede kandidaten zijn. Toch wordt RNA soms gerekend tot het fenotype van de cel; het is immers de expressie van het DNA. Bovendien hebben ook eiwitten en steroïde hormonen invloed op de transcriptie van het DNA en worden hoogstwaarschijnlijk doorgegeven via de eicel. Zouden die ook gerekend moeten worden tot epigenetische markering ? Waarom zou je RNA tot epigenetische markering rekenen en eiwitten en hormonen niet ?

Een belangrijke conclusie in de review in Nature is dat epigentische overerfing tot nu bijzonder onduidelijk en zeldzaam is gebleken. Het is van belang dat een embryo dat zich moet differentiëren van een totipotente cel tot een gedifferentieerd en compleet ontwikkeld organisme dit moet kunnen doen vanuit een situatie dat alle markering uitgeschakeld is. Bij planten is recentelijk aangetoond op Arabidopsis dat epigenetische markering doorgegeven wordt tot tenminste de 20^ste generatie. Vaak wordt in het nieuws verwezen naar de mogelijkheid dat Lamarck toch gelijk had met de bedoeling een hype te veroorzaken. Mochten de resultaten op Arabidopsis bevestigd worden en wellicht uitgebreid worden naar de wilde planten, dan zou dat wel bijzonder groot nieuws zijn.

Uit: Nature, Cell, The Scientist.

Convergentie van de zandloper

Een recent onderzoek naar de embryologie van planten wijst uit dat ook planten, net als dieren, een fenomeen presenteren dat erop lijkt te wijzen dat de evolutie van het embryo een bepaalde wet volgt. Er is in dit onderzoek gekeken naar welke genen er afgeschreven worden gedurende de verschillende stadia van het embryo van de zandraket (Arabidopsis Thaliana), het laboratoriumplantje bij uitstek. Het blijkt dat er ook gedurende de ontwikkeling van de plant een zogenaamde zandloper te ontdekken valt.

Zandloper voor het rijk der dieren

Zandraket

In een eerder blogbericht werd de embryologie van verschillende dieren bekeken voor wat betreft de verschillende stadia. Men weet al langer dat de embryo’s van heel uiteenlopende dieren veel en zeker meer op elkaar lijken dan de volwassen vormen. Je zou verwachten dat de embryo’s in hun eerste stadia veel op elkaar lijken, maar dat is niet het geval. Voor wat betreft de morfologie blijkt er een soort zandloper te bestaan: de embryo’s lijken halverwege hun ontwikkeling het meest op elkaar. Daarvoor en daarna presenteren ze verschillen. Men heeft vervolgens kunnen aantonen dat deze verschillen en overeenkomsten zich ook laten zien in het transscriptoom, ofwel in het totaal aan afgelezen genen. Het bleek dat gedurende de stadia waarin de dieren morfologisch het meest verschillen, dus op het niveau van de ‘schouders’ van de zandloper, de afgelezen genen de meest ‘jonge’ genen waren op de evolutieschaal. Op niveau van het ‘middel’ werden de oudste genen afgelezen. Dus op niveau van het ‘middel’ lijken de embryo’s van de verschillende dieren niet alleen meer op elkaar, ook voor wat betreft de expressie van de genen komen ze overeen want de oudste genen lijken per definitie ook het meest op elkaar. Kortom , de zandloper in de embryologie wordt ook op moleculair niveau bevestigd.

Het is wel heel bijzonder dat hetzelfde lijkt te gebeuren in planten. Hoewel er geen vergelijking gemaakt kan worden voor wat betreft de morfologie blijkt door vergelijking van het transscriptoom van verwanten van de zandraket dat er ook hier sprake is van een zandloper. Het moet wel of deze zandloper is onafhankelijk van de dierenwereld geëvolueerd. De twee rijken zijn immers al van elkaar gesplitst voordat meercellige organismen zich begonnen te ontwikkelen. De auteurs benadrukken dat gedurende de ontwikkeling van het embryo de oude genen voortdurend actief zijn. Het zijn de jongere genen die aan het begin en het eind van de ontwikkeling actief worden. Misschien heeft het feit dat gedurende de eerste fase van het embryo jongere genen uitdrukt worden te maken met het feit dat zowel planten als dieren van het water naar het land zijn verhuisd en daar vaak verdere ontwikkelingen hebben ondergaan zoals het verschil in sporen en zaden of in visseneitjes, vogeleieren of interne eitjes. Ze moesten als het ware flexibel zijn en ontwikkelden nieuwe genen die het mogelijk maakten nieuwe omgevingen te exploreren.

Uit: Nature

 

De zandloper

Iedereen kent wel de plaatjes van Haeckel, die laten zien hoezeer embryo’s van verschillende gewervelden overeenkomen. Van vissen en salamanders, tot vogels en zoogdieren. Haeckel schijnt zijn tekeningen (figuur 1) op zijn zachtst gezegd nogal aangedikt te hebben om de overeenkomsten, die er wel degelijk zijn, uit te lichten. Er is vanuit creationistische hoek altijd veel kritiek geweest op deze tekeningen. Ze worden door de creationisten als moedwillige vervalsing bestempeld. Het idee van de ‘ontogenese die de fylogenie’ weerspiegelt is dan misschien fout, maar dat er sterke overeenkomsten zijn binnen de verschillende phyla (stammen) is sinds een jaar wel overduidelijk.

Figuur 1. Een reproductie van de tekeningen van Haeckel.

De gelijkenis van de embryo’s is gebaseerd op de vorm of morfologie van de organismen in de diverse stadia. Al sinds enige tijd weet men dat er ook grote verschillen zijn in de ontwikkeling van ei naar volwassene. Het is daarmee altijd een vrij subjectieve waarneming gebleven. Het is wel duidelijk geworden dat er een stadium is tussen dat van het ei en de volwassen vorm waarin de organismen sterk op elkaar lijken. Dit wordt het fylotypische stadium genoemd en wordt verbeeld met behulp van een zandloper (zie figuur 2). De eerste fasen binnen het phylum verschillen erg van elkaar, maar naarmate men dichter bij een tussenliggend stadia komt lijken de organismen juist weer veel op elkaar. Bij het bereiken van de volwassen vorm verschillen ze weer.

Figuur 2. Zandloper met de vroegste stadia onderin en de laatste stadia bovenin.

Nu zijn er in 2010 twee studies voltooid die aantonen dat er gedurende de passage door de nauwe doorgang in de zandloper niet alleen morfologische overeenkomsten weerspiegeld worden, maar ook overeenkomsten in de expressie van de genen. Een eerste studie met verschillende soorten fruitvliegjes toont aan dat de genen die tot uitdrukking komen tijdens de fylotypische fase minder uiteenlopen tussen de verschillende soorten. De genen die dan tot uitdrukking komen lijken meer op elkaar tussen de verschillende soorten. Het bleek ook dat de genen die belangrijk zijn voor de anatomische ontwikkeling de smalle doorgang van de zandloper volgen, terwijl genen die daar niet bij betrokken zijn niet de smalle doorgang nemen.

Een tweede studie op zebravisjes toont aan dat gedurende embryogenese het de oudste genen zijn die tijdens het fylotypische stadium worden uitgedrukt. Dit laatste gegeven toont dus aan dat de genen die tot uitdrukking komen tijdens de fasen waarin de organismen het meest op elkaar lijken de oudste zijn (figuur 3).
Het lijkt mij dat er sprake is van twee onderzoeken die hetzelfde resultaat opleveren. ‘Oude’ genen zijn genen die veel overeenkomsten met elkaar hebben en op basis van de overeenkomsten wordt een fylogenetische boom geconstrueerd. Gedurende de smalle doorgang van de zandloper bij fruitvliegjes zijn de genen die tot expressie komen de genen die het minst uiteenlopen. Dit betekent dus ook dat ze fylogenetisch dicht bij elkaar staan én het oudst zijn. De twee studies tonen vanuit verschillende invalshoeken hetzelfde mechanisme aan.

figuur 3. Oudste genen in de smalle doorgang

Hiermee is duidelijk dat Haeckel, hoewel hij de tekeningen wat overdreven had, toch iets ontdekt had. Blijkbaar is deze ‘smalle’ fase goed geconserveerd, wat betekent dat het een fase is die essentieel is voor de daaropvolgende stadia.

Uit: Nature 1, 2 Jerry Coyne’s blog, PZMeyers, Panda’sThumb.

Stamcellen en evolutie

Onderzoek op de Mexicaanse salamander Axolotl naar embryonale stamcellen en geslachtscellen laat zien dat de ontwikkeling daarvan hetzelfde is als bij de mens en dat amfibieën zoals kikkers een gen verloren hebben dat verantwoordelijk was voor pluripotentie van de embryonale cellen bij de eerste landdieren.

Axolotls zijn salamanders die primitieve kenmerken van de eerste amfibieën behouden

Van internet: Axolotl

hebben. Ze stammen af van vissen die 385 miljoen jaar geleden het land veroverden. Deze eerste amfibieën waren de voorouders van alle gewervelden die het land bevolken.

Tot nu toe werd aangenomen dat pluripotentie van stamcellen kenmerkend was voor zoogdieren, maar het onderzoek wijst uit dat de eerste landdieren, de eerste amfibieën, ook pluripotente stamcellen bezaten. Kikkers en andere laboratoriumdieren als het fruitvliegje hebben het gen voor pluripotentie verloren en bezitten germ plasm (kiemplasma: niet te verwarren met het kiemplasma zoals dat gebruikt werd door August Weismann). Dit kiemplasma bevindt zich aan een pool van de eicel en betstaat uit RNA’s en eiwitten. Deze kant van de cel is zodoende voorbestemd om geslachtscellen te vormen na de eerste celdelingen van de bevruchte eicel. Bij zoogdieren en, zoals blijkt, nu ook bij salamanders als axolotl, wordt na de eerste celdelingen van de bevruchte eicel, de dochtercellen geïnduceerd tot geslachtcellen.
Na de eerste celdelingen wordt er dus bepaald welke cellen deel uitmaken van het soma (decellen van het lichaam die geen geslachtscellen zijn en geen rol hebben in erfelijkheid) en welke deel uitmaken van de geslachtscellen (de zogenaamde eeuwige cellen die in het volwassen organisme een nieuwe generatie voortbrengen.) De onderzoekers vragen zich af wat het evolutionaire voordeel kan zijn van het wel of niet bezitten van kiemplasma; selectie impliceert immers dat eigenschappen voordelig moeten zijn in een bepaalde omgeving. Ze opperen dat de loskoppeling van het soma en de germinale lijn de dieren met kiemplasma in staat stelt zich sneller en beter aan te passen aan nieuwe habitats omdat de somatische cellen geen energie en tijd hoeven te steken in de inductie van de geslachtscellen. Dit zou ook verklaren waarom dieren als kikkers, die zich van de salamanders afsplitsten, zoveel verwante soorten voortbrachten. Het behoud van pluripotentie maakte het daarentegen mogelijk extra-embryonale structuren te vormen ter bescherming en voeding van het embryo zoals in de reptielen, vogels en zoogdieren.

Deze overeenkomst tussen Axolotl en zoogdieren is ook een belangrijke ontdekking voor onderzoek op pluripotente stamcellen voor toepassingen binnen de geneeskunde.

Uit: Eurekalert, Physorg.com