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.

Retrotransposons en de evolutie van het menselijk genoom

Na de voltooiing van het HGP (Human Genome Project) werd duidelijk dat bijna de helft van ons genoom bestaat uit jumping genes of transposable elements (TE’s). Dit zijn stukjes DNA die, zoals de naam al aangeeft, binnen het genoom kunnen verspringen. Dit kan gebeuren door eenvoudigweg een ‘cut and paste’ zoals in het geval van DNA-transposons of door ‘copy and paste’ zoals in het geval van retrotransposons. Vooralsnog zijn deze elementen geen functie toebedeeld en werden ze tot voor kort beschouwd als junk-DNA. Daar komt nu langzamerhand verandering in, want deze elementen hebben een grote invloed gehad op de evolutie van het menselijk genoom.

Een transposon verplaatst zich in het genoom

Retrotransposons verplaatsen zich door een RNA-kopie van het eigen DNA te maken. Deze RNA-kopie wordt vervolgens weer in DNA omgezet, net zoals bij retrovirussen waaronder HIV, waarna dit stukje op een andere plek in het genoom teruggeplaatst wordt. Er zijn drie verschillende soorten retrotransposons: de LINE-1’s, de SVE’s en de Alu’s. Dit blogbericht concentreert zich vooral op de LINE-1’s of L1’s.

Dat het genoom voor bijna 50% uit retrotransposons bestaat is waarschijnlijk een onderschatting aangezien veel oude TE’s enorm veranderd zijn en daarmee onherkenbaar zijn geworden. Om een idee te krijgen van de omvang van dit springende DNA, moet men bedenken dat het coderende deel van het DNA dat wij doorgaans als genen beschouwen, slechts 1,5 % vormt van het hele genoom. Het genoom zit dus vol met TE’s. Van de L1’s bestaan er wel 500.000 in ons genoom, maar slechts 100 kopien zijn functioneel. Daarvan zijn er 6 die ‘hot L1’s’ worden genoemd aangezien ze verantwoordelijk zijn voor de meerderheid van de retrotransposities van L1’s. De L1 worden ingedeeld in families naar gelang de overeenkomsten in hun sequenties. Het is daarbij aangetoond dat ze een afstammingslijn hebben die teruggaat naar 40 miljoen jaar geleden.

De verhoudingen van de verschillende retrotransposons binnen het hele genoom

Als de TE’s verspringen kunnen ze veel schade aanrichten in het coderende en regulerende genoom. Ze kunnen midden in een gen belanden en het daarmee ontwrichten. Ook regulerende sequenties kunnen kapot gaan waardoor een gen meer of minder eiwit produceert. De TE kan ook de functie van een regulerend gen bepalen of deleties veroorzaken. Zo bestaat er een hele waslijst aan mutaties die door TE’s veroorzaakt worden. Als gevolg van deze mutaties kunnen er ziekten ontstaan zoals hemofilie, taaislijmziekte, de ziekte van Duchenne en vele andere ziekten. Zo op het eerste gezicht lijkt het er dus op dat TE’s ziekten veroorzaken. Omdat TE’s toch zo overvloedig aanwezig zijn in het genoom kunnen ze niet alleen maar schadelijk zijn, ze zouden immers het organisme waar ze deel van uit maken doen sterven.

De frequentie van het springen van de genen ligt rond 1 insertie per 20 geboortes voor de Alu sequenties. Voor L1 ligt deze frequentie ook rond 1 per 20 geboortes wanneer deze schatting gebaseerd is op ziekteverwekkende inserties, maar is 1 op de 200 wanneer er een vergelijking wordt gemaakt met het chimpansee. Dit laatste gegeven wordt wel verklaard met een sterke selectie tegen L1-inserties. De TE’s worden het best getolereerd wanneer ze een lage frequentie van insertie bezitten. Er bestaan mechanismen die het springen van de genen onderdrukt. Ze zijn daardoor minder schadelijk en worden doorgegeven van generatie op generatie. De TE’s hebben een grote rol in de evolutie van de mens. De inserties van TE’s, in het bijzonder van de Alu Yb sequenties, zijn de laatste paar miljoen jaar enorm toegenomen. Voor die tijd waren ze heimelijk in het genoom aanwezig en hadden een zeer lage activiteit. Deze activiteit is bij de mens dus erg toegenomen sinds de scheiding van de chimpansee zo’n 6 miljoen jaar geleden. Hoewel de TE’s erg beslissend zijn geweest voor de evolutie van het menselijk genoom kan niet gesteld worden dat ze een voordeel inhouden voor het organisme waar ze deel van uitmaken.

Uit: Nature Reviews Genetics

Dit bericht kwam tot stand naar aanleiding van een blog van Gert Korthof over een artikel in Scientific American betreffende toegenomen activiteit van jumping genes in de hippocampus van rennende muizen. De hypothese werd naar voren gebracht dat jumping genes een varieteit aan neuronen zou kunnen voortbrengen die de mogelijkheid tot leren zou doen toenemen.

Tussen genotype en fenotype; epigenetica

Het genoom of DNA (de sequentie van opeenvolgende basen) van een organisme vormt zijn genotype. Alle informatie voor de ontwikkeling en het functioneren van een organisme liggen er in opgeslagen. Het fenotype daarentegen omvat alle waarneembare kenmerken van een organisme. De kleur van bloemblaadjes of de kleur van de ogen of haren zijn voorbeelden van het fenotype. Maar ook het arsenaal aan proteïnen of mRNA die zich in een cel bevinden bepalen met wat voor cel (een spier- of hersencel bijv.) en dus met wat voor een fenotype we te maken hebben.

Azalea met nieuw fenotype als gevolg van transposons.

Nu ligt niet alle informatie die bepalend is voor het fenotype opgeslagen in het genotype. Er bestaan invloeden van buitenaf die bepalend kunnen zijn voor het fenotype. De epigenetica houdt zich bezig met alles, behalve het genotype, dat invloed heeft op het fenotype. Er bestaan erg veel mechanismen die onder epigenetica vallen. Om er een paar te noemen: de methylatie en de aminozurensequentie van de histonen, de RNAi die bepalend zijn voor het inactiveren van mRNA. Lees ook een voorgaand blog over de moleculaire mechanismen van epigenetica. Deze epigenetische kenmerken lijken ook overgeërfd te kunnen worden. Over dit laatste gegeven wordt nog steeds hevig gediscussieerd, omdat in de gevallen waarin deze epigenetische kenmerken overgeërfd zouden worden er sprake is van slechts enkele generaties. Omdat de epigenetica een zeer uitgebreid veld vormt, kan het onmogelijk in een blogje omschreven worden. Daarom kies ik voor een voorbeeld uit het laatste nieuws waarin een epigenetisch mechanisme planten beschermd tegen mogelijk schadelijk DNA namelijk de transposons.

In de laboratoriumplant Arabidopsis is in een recente studie aangetoond hoe het enzyme HDA6 een belangrijke rol heeft in het proces van ‘gene silencing’ ofwel het onderdrukken van mogelijk schadelijke transposons. Transposons of jumping genes zijn stukken DNA die zich vrij bewegen in het genoom, maar die daar behoorlijk veel schade kunnen aanrichten door bijvoorbeeld midden in een gen te belanden en het functioneren ervan permanent te onderbreken. Het ontdekte enzym bindt de transposons en modificeert de omliggende histonen. Samen met de methyltrasferase MET-1 die het DNA methyleert worden de transposons onderdrukt. Zo wordt het DNA beter ingepakt waardoor de transposons minder makkelijk kunnen verspringen en minder schade aan kunnen richten. Het fenomeen is al langer bekend maar deze studie laat zien welk enzym ervoor verantwoordelijk is.

Voor wie meer wil lezen over epigenetica kan naar het Europese Netwerk over epigenetica surfen. Meer informatie in het Engels is te vinden op het gastblog van Greg Mayer en de verwijzing daarin.

Plaatje van internet.

Junk-DNA

Junk-DNA, ofwel niet-coderend DNA, is DNA waarvan de functie niet bekend is. Zo’n 95% van het DNA wordt als ‘junk’ beschouwd. Slechts 2% van het genoom codeert wel voor eiwitten; het DNA wordt getranscribeerd in mRNA en vervolgens vertaald in eiwitten, die de verschillende taken binnen de cel vervullen. Maar het wordt zo langzamerhand wel steeds duidelijker dat tenminste een deel van het niet-coderende junk-DNA toch verschillende functies kan hebben.

Nu heeft Joris Veltman en zijn team van het centrum voor Molecular Life Sciences aan het

Van internet: junk-DNA

Radboud ziekenhuis te Nijmegen aangetoond dat ongeveer 0,12 procent van het menselijk genoom gemist kan worden. Ze hebben dit onderzocht door van 600 gezonde studenten het genoom te vergelijken. Ze keken uitsluitend naar DNA-sequenties van 10.000 of meer basenparen lang die in de verschillende individuen ontbraken. Alles bij elkaar ontbraken er 2000 van dit soort stukken binnen het genoom.

Meer dan tweederde van deze ontbrekende sequenties kwam voor bij meer dan één individu, en eenderde kwam voor bij meer dan 5% van de deelnemers. De ontbrekende sequenties ontwrichtten 39 bekende genen die een rol hebben in het afweersysteem, het reukzintuig en andere zintuigen. Joris Veltman suggereert dat deze genen misschien ooit essentieel waren, maar nu dus niet meer, ofwel omdat we andere strategieën ontwikkeld hebben om te overleven, ofwel omdat er nieuwe genen in het genoom ontstaan zijn die dezelfde taak misschien wel beter uitvoeren.

Mogelijke rollen voor junk-DNA
Junk-DNA bestaat o.a. uit zogenaamde pseudogenen, d.w.z., genen die hun functie gedurende de evolutie verloren hebben. Het junk-DNA bestaat ook uit (retro)transposonen ofwel jumping genes, die zich willekeurig binnen het DNA verplaatsen en daarmee ziekten en kanker kunnen veroorzaken. Ander ‘junk’-DNA produceert op zijn beurt weer regulerend RNA (miRNA, siRNA, piRNA) dat het ‘springen’

van internet: kogelvis De kogelvis heeft het kleinste genoom van alle gewervelde dieren, dat nagenoeg geen ‘junk’-DNA bevat

van deze genen inhibeert. Het junk-DNA bestaat ook uit tandem repeats, korte repeterende sequenties die de expressie van nabij gelegen genen zouden reguleren. Deze sequenties zouden bepalen in hoeverre het DNA wordt ingepakt in histonen en daardoor meer of minder toegankelijk is voor transcriptie-enzymen.
Het junk-DNA wordt ook vaak als een buffer voor mutaties gezien en vangt in die hoedanigheid de mutaties op die hier minder schadelijk zouden zijn dan in het coderende DNA. Maar ook het tegendeel is waargenomen: lange niet-coderende sequenties van het junk-DNA blijken goed geconserveerd te zijn gedurende miljoenen jaren van evolutie en tussen verschillende soorten, wat aantoont dat deze sequenties wel degelijk een functie moeten hebben; ze staan immers onder invloed van natuurlijke selectie. 
Anderen zien dit junk-DNA als ‘reserve’-genen die ofwel, in geval van uitvallende coderende genen, de functie kunnen overnemen, ofwel een basis kunnen vormen voor de ontwikkeling van nieuwe genen.

Bron: New Scientist

Bijgewerkt 24.10.2009: In verband met de studie van Veltman is het interessant om dit artikel te lezen over CNV’s: copy number variants. Ook hier gaat het grotendeels om deletie van sequenties, waarbij men uitkomt op een variatie van 0,8% tussen de gescreende individuen. Ze hebben in deze studie veel meer individuen gebruikt. Het kan zijn dat als Veltman meerdere individuen en uit hele verschillende gebieden over de aarde gescreend had dat ook hij op een hoger percentage uitgekomen zou zijn. 27.10.200: Een artikel over een eerdere publicatie van dezelfde groep kan hier gevonden worden.



Update: 27.10.2009: junk-DNA en soortvorming (ScienceDaily). is nu ook te lezen in het Nederlands op Kennislink.

Jumping genes, epigenetica enzomeer…

Erfelijkheid werd traditioneel toegeschreven aan de sequentie van het DNA, ofwel aan het genotype (het wel of niet bezitten van bepaalde genen). Erfelijkheid werd uitgebreid bestudeerd door Mendel die, zonder iets van DNA te weten, het concept van gen introduceerde. Naar aanleiding van De Brief aan Darwin van Nico van Straalen, hoogleraar biologie aan de Vrije Universiteit van Amsterdam, waarin hij stelt dat: ‘men ontdekt [heeft] dat in een aantal gevallen eigenschappen die tijdens het leven worden verworven, overgedragen kunnen worden op de nakomelingen. en dat: Het blijkt dat het milieu in sommige gevallen een invloed heeft op het dna die blijkt over te erven naar de nakomelingen.’ en waarin hij zelfs spreekt over: ‘voorbeelden van ‘lamarckiaanse’ overerving‘, bleef er een zekere perplexiteit bestaan.

Lamarck beweerde volgens het klassieke voorbeeld dat bijvoorbeeld een giraffe een langere nek ontwikkelde omdat hij de lange nek intensief gebruikte of rekte. Daarom ontwikkelde hij zijn nek meer en gaf deze eigenschap door aan zijn nakomelingen. Darwin, daarentegen, zou beweren dat een giraffe die toevallig een langere nek had dan zijn soortgenoten, een voordeel had, waardoor hij beter overleefde en voor meer nakomelingen met de erfelijke eigenschap van een langere nek zorgde. Lamarck gaat er dus van uit dat het intensieve of juist verminderde gebruik van een orgaan/zintuig tot gevolg heeft dat dit orgaan/zintuig respectievelijk ontwikkelt of juist verdwijnt in de opeenvolgende generaties.

De laatste twintig jaar is er veel bekend geworden over eigenschappen die als gevolg

methylatie

Van internet: DNA-methylation

van blootstelling aan bepaalde aspecten van de omgeving overgeërfd worden. Het kan bijvoorbeeld gaan om blootstelling aan chemicaliën of een gebrek aan goede voeding, die een verminderde vruchtbaarheid of een aanleg voor bepaalde ziekten kunnen bevorderen vanaf de tweede tot in de tiende generatie. Dit zouden inderdaad voorbeelden zijn van het milieu dat invloed heeft op de nakomelingen. Het gaat in deze gevallen vaak om methylatie van DNA. Gemethyleerd DNA bepaalt of genen wel of niet tot expressie komen. De methylatie van een gen kan ook overgeërfd worden, bijvoorbeeld gedurende de deling van een cel. Een delende levercel brengt twee dochtercellen voort die dezelfde genen als de moedercel moeten uitdrukken. Methylatie bepaalt in de opeenvolgende generaties levercellen welke genexpressie bij een levercel hoort en geeft deze weefselspecifieke genexpressie door aan de dochtercellen. Maar in de context van de brief gaat het om erfelijkheid in geslachtscellen, dus van generatie op generatie. Ook hier is methylatie erfelijk al moet die in een aantal gevallen opnieuw geprogrammeerd worden al naar gelang de sexe van de nakomeling. DNA-methylatie is een vorm van epigenetische mechanisme; het wordt niet gereguleerd door de DNA-sequentie. Ook histonen, grote eiwitcomplexen die het DNA meer of minder strak inpakken, regelen de expressie van genen. Samen met DNA-methylatie gaan ze onder de naam imprinting. Imprinting betekent dat bepaalde genen alleen in de nakomeling uitgedrukt worden al naar gelang ze van de moeder of juist van de vader zijn.

In dezelfde periode zijn er ook veel ontdekkingen gedaan betreffende RNA-interferentie. Ook RNA-interferentie maakt deel uit van de epigenetica. Normaal gesproken wordt DNA

Van Internet: Jumping genes

getranscribeerd naar mRNA en vervolgens wordt het mRNA vertaald in proteinen (eiwitten). Een vorm van regulering van DNA-expressie bestaat uit vorming van RNAi (i van interferentie) dat zich bindt aan het mRNA en het daardoor inactiveert of afbreekt, waardoor het niet meer kan coderen voor eiwitten. Het is namelijk belangrijk dat bepaalde enzymen (catalyserende eiwitten), nadat ze hun taak verricht hebben, geïnactiveerd worden. Dit fenomeen is in deze context erg belangrijk voor de inactivering van transposonen, ook wel ‘jumping genes’ (springende genen) genoemd. Het DNA van een retrotransposon wordt in RNA omgezet en vervolgens, met behulp van het enzym reverse-trascriptase weer teruggeschreven in een DNA, dat daarna ergens geplaatst wordt in het genoom en daar wellicht een gen blokkeert. Dit soort knip- en plakwerk is de oorzaak van veel erfelijke ziekten als diabetes en kanker. Het is dus van belang dat deze RNA’s van transposonen afgebroken worden. Om dit soort RNA’s te blokkeren zijn er verschillende RNAi’s zoals piRNA’s en siRNA’s. piRNA’s bevinden zich voornamelijk in het cytoplasma van eicellen (ongewervelden) en spermacellen (zoogdieren). Deze moleculen worden dus geërfd en kunnen tenminste gedurende de eerste celdelingen van de bevruchte eicel de ‘jumping genes’ tegenhouden.

Erfelijkheid van een eigenschap of kenmerk bij mensen wordt ook wel bepaald door te kijken naar de overeenkomsten of verschillen tussen twee eeneiige tweelingen ten opzichte van twee twee-eiige tweelingen. Een recente studie liet zien dat eeneiige tweelingen meer epigenetische factoren in gemeen hebben dan twee-eiige tweelingen.

Er bestaan nog vele andere epigenetische factoren die erfelijk zijn en die dus buiten de genetische code om functioneren. Toch blijft het (voor mij) moeilijk om Lamarck weer tevoorschijn te halen vanwege deze invloed van buitenaf. Lamarck’s theorie handelde namelijk niet alleen over invloed van buitenaf, maar ging uit van een specifiek mechanisme, het wel of niet gebruiken van organen, ledematen, zintuigen, functies enz. Vooralsnog kon ik daar in de mij beschikbare literatuur niets over vinden.
Een andere conclusie van de brief was dat: Veel moleculaire experimenten worden natuurlijk afgestraft, bijvoorbeeld misvormingen of monsters, maar bij het ontstaan van nieuwe bouwplannen van planten en dieren speelt de turbulentie in het genoom volgens mij de hoofdrol.
 Het principe van natuurlijke selectie is dus niet de oorzaak, maar het gevolg van evolutie. Als we willen verklaren waarom nieuwe soorten een bepaald bouwplan hebben, moeten we primair naar het dna kijken en hoe daarin de ontwikkeling van ei tot volwassene is vastgelegd.


De onderstreepte zin lijkt mij een te grote sprong.

Meer over jumping genes:


ScienceDaily: Jumping genes during development.
Jumping genes and gene loss.
Update 15 oktober: Epigenome mapped
Update 17 oktober: Nico van Straalen in Opinie van de volkskrant.
Update 22 oktober: DNA-methylation and autism
Update 29 januari 2010: Kennislink: Geboren om te veranderen