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.