‘Het is een fascinerend onderwerp. Vijf jaar geleden was dit allemaal nog ondenkbaar.’ Moleculair geneticus dr. Jan Kooter van de Vrije Universiteit Amsterdam is enthousiast over epigenetica, het vakgebied dat de sturing van genexpressie door niet-genetische maar wel overerfbare factoren bestudeert. Terugkerend thema in zijn onderzoek: RNA. ‘Een magic molecule.’ Het kan mRNA-afbraak in gang zetten, DNA-methylering sturen en de histonstructuur beïnvloeden.

Het magische RNA kan bij planten en bij Caenorhabditis elegans genen uitschakelen. Biedt een organisme dubbelstrengs RNA aan waarvan de sequentie overeenkomt met een gen. Het organisme hakt het RNA in stukjes van ongeveer twintig tot vijfentwintig baseparen (ongeveer twee windingen van het RNA). Deze RNA-snippers binden aan het originele mRNA van de plant, worm of fluitvlieg en binden enzymen aan zich die het mRNA in tweeën knippen. Het mRNA is op de knipplaats niet meer beschermd tegen afbraak zoals aan beide uiteinden en wordt snel afgebroken. Resultaat: het bijbehorende gen komt niet tot expressie. In planten heet dit post transscriptionele gene silencing en bij de worm RNA-interferentie.

Dubbelstrengs RNA kan op verschillende manieren ontstaan. Per ongeluk, als genen zowel verkeerd om als normaal in het genoom terecht komen. Na aflezen van het DNA ontstaan dan complementaire RNA-strengen. Jammer voor de onderzoeker, want het gen komt niet tot expressie. Onderzoekers buiten dat natuurlijk uit door gericht antisense-genen in te brengen om zo genen uit te schakelen. Bij C. elegans kan dat zelfs door de worm antisense mRNA vanuit zijn omgeving op te laten nemen.

RNA kan ook direct invloed hebben op genexpressie. RNA-snippers kunnen in de kern de methylering van DNA stimuleren. DNA-methylering is al langer bekend, maar de koppeling met dubbelstrengs-RNA is nieuw. DNA kan aan de cytosine-letter een methylgroep binden. Promotoren met gemethyleerde C-basen zijn meestal inactief, het methyleren van coderende stukken DNA heeft daarentegen geen effect.

Gemethyleerd DNA houdt zijn mond en om dat zo te houden bestaan er methyltransferases. Deze enzymen herkennen tijdens de verdubbeling van het DNA de cytosine-methylgroep. Ze zorgen ervoor dat het nieuwe DNA ook een methylgroep krijgt. Tegenover dit ‘onderhoud’ staat de novo methylering, waar ook RNA-gestuurde methylering onder valt.

Methylering ‘uit het blauwe’ is te zien in zoogdierenembryo’s. Het DNA van alle somatische cellen is voor het grootste deel stabiel en overerfbaar gemethyleerd, maar tijdens het ontstaan van gameten, geslachtscellen, vindt er een ‘reset’ plaats. Vlak na de bevruchting verliest het DNA in de voorloper-geslachtscellen van het embryo bijna alle methylgroepen. Enkele dagen later krijgen deze cellen een nieuw methyleringspatroon.

Pa en ma

Dit methyleringspatroon bepaalt de imprinting van sommige genen. Imprinting is het verschijnsel dat de genen van pa en ma niet even belangrijk zijn, in het nageslacht komen genen afhankelijk van hun oorsprong tot expressie. Mutaties in deze genen leiden tot ontwikkelingsstoornissen en zijn meestal fataal.

Van drie ingeprinte genen is de regulatie bekend. Het Igf2r-gen komt alleen tot expressie bij het moederchromosoom. Het vadergen wordt in de antisense richting afgelezen en levert een niet-coderend stuk RNA op dat het moedergen remt. De antisense streng wordt weer gereguleerd door methylering van een specifiek stuk DNA – een inprintcentrum.

Een ander voorbeeld is de expressie van het Igf2 en het H19-gen. In gemethyleerde vorm stimuleert een imprincentrum het aflezen van Jg2f en het blokkeren ven H19. Ongemethyleerd werkt het net andersom.

Compacte nucleosomen

Maar hoe ‘weet’ de cel welke stukken DNA te methyleren en welke niet? Nu komen de nucleosomen in beeld, de eiwitten de DNA-wenteltrap omheen gevouwen zit. Nucleosomen kunnen compact georganiseerd zijn, dan heet het heterochromatine en is het DNA slecht toegankelijk – voor bijvoorbeeld transcriptiefactoren. Als de nucleosomen daarentegen verder van elkaar liggen (euchromatine) dan is het DNA makkelijk te bereiken. Door de nucleosoomorganisatie te sturen van hetero- naar euchromatine, kunnen genen die daar liggen, actief worden. Het omgekeerde kan natuurlijk ook.

Nucleosomen kunnen wellicht ook direct methyltransferases beïnvloeden en zo de de novo methylering sturen. Enzymen kunnen de nucleosoomstructuur beïnvloeden door de ‘staarten’ van de histon-eiwitten, de bouwstenen van het nucleosoom, van chemische groepen te voorzien. Het koppelen van acetylgroepen aan histonen, leidt tot euchromatine. Omgekeerd veroorzaken methylgroepen een opvouwing van nucleosomen tot inactief heterochromatine. De inactivering is dus een actief proces, enzymen moeten ‘vlaggetjes’ op histonen plaatsen zodat het DNA zich koest houdt. RNA komt hier weer om de hoek kijken omdat het (in fruitvliegen) een histon-acetyleringsenzym stimuleert.

Een deken van RNA

Dat het stilhouden van DNA een actieve bezigheid is, blijkt ook op de geslachtschromosomen. Van de twee X-chromosomen wordt bij mensen een geïnactiveerd, tot het lichaampje van Barr. Het Xist-gen vervult bij zoogdieren een sleutelrol in dat proces. Het codeert voor een groot stuk RNA dat zich tijdens de vroege embryonale ontwikkeling verspreidt over het te inactiveren X-chromosoom. De ‘deken’ van RNA belemmert het aflezen van het DNA.

Recent is een vergelijkbaar mechanisme bij Drosophila ontdekt, maar dat werkt net andersom dan bij zoogdieren. Om beide actieve X-chromosomen van de fruitvliegvrouw te compenseren, moet het mannetje zijn ene X hyperactiveren zodat de netto expressie van de chromosomen in beide geslachten gelijk is. Als bij de fruitvlieg de hyperactiverende genen verplaatst worden naar een autosoom, dan wordt dat – net zo makkelijk – geactiveerd. Het eiwit-RNA-complex dat daar verantwoordelijk voor is, herkent normaliter kennelijk bepaalde DNA-volgordes in het geslachtschromosoom. Maar eenmaal opgestart, stoomt het activatie-proces gewoon door.

RNA wereld

Het afsluiten van grote stukken DNA is een normaal proces. Niet zo gek, want 95 procent van ons erfelijk materiaal is junk-DNA. Het lijkt er zelfs op dat het DNA niet mag worden afgelezen, tenzij epigenetische factoren zeggen van wel. ‘Waarschijnlijk is deze constructie een reactie op een parasitaire invasie van virussen en transposons in het verre verleden’, suggereert Jan Kooter.

De eerste verdedigingslinie tegen deze parasieten zou het zo weinig mogelijk aflezen van DNA zijn. De tweede linie is dan het silencing apparaat, dat reageert op dubbelstrengs RNA. Want tijdens de vermenigvuldiging van virussen en transposons, springende stukjes DNA, komt dubbelstrengs RNA voor. Bewijs voor deze hypothese is onder meer dat een verstoorde silencing in C. elegans leidt tot een toename van springende transposons.

De epigenetisch veelzijdige rol van RNA versterkt een oud idee. ‘Misschien is het wel een overblijfsel van een RNA-wereld’, zegt Kooter. Volgens die hypothese is het leven ontstaan rond RNA en is DNA een latere uitvinding. ‘RNA kan als genoom fungeren bij virussen en als enzym. Denk maar aan de eiwitsynthese en aan intron splicing. De lijst van katalytische RNA’s groeit nog steeds. Dat is niet zo vreemd als je bedenkt dat RNA veel chemische groepen heeft die enzymen ook hebben.’