Je leest:

Gen-activiteit meten met DNA-chip

Gen-activiteit meten met DNA-chip

Auteur: | 24 september 2003

Genen zijn de informatiedragers die coderen voor eiwitten. Genen hoeven niet altijd actief te zijn en kunnen ‘aan’ of ‘uit’ staan. Verstoringen in gen-activiteit kunnen leiden tot verschillende ziektes. Met de DNA-chip kan de activiteit van genen worden bepaald en kunnen verstoringen bij ziektes worden opgespoord.

Genen zijn de informatiedragers die ervoor zorgen dat er eiwitten worden geproduceerd in de verschillende soorten cellen. Genen hoeven niet altijd actief te zijn. Soms staan ze uit en soms staan ze aan. De omgeving van de cellen bepaalt in hoge mate wanneer genen actief worden. Bij verschillende ziektes, zoals bijvoorbeeld kanker, is de activiteit van genen verstoord. Met een nieuwe techniek, de DNA-chip, kunnen deze verstoringen worden opgespoord.

Genexpressie

De cel is een soort fabriek waarin allerlei (bio)chemische processen plaatsvinden. Een voorbeeld is de verbranding van glucose. Deze processen worden met behulp van enzymen uitgevoerd. Enzymen en andere eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. De informatie die ervoor zorgt dat de aminozuren op een juiste manier aan elkaar gekoppeld worden om een functioneel enzym te krijgen ligt opgeslagen in de celkern op het daar aanwezige DNA. Het DNA is onderverdeeld in genen; grof gezegd codeert ieder gen voor een eiwit. De synthese van een willekeurig eiwit verloopt via twee stappen: 1) transcriptie en 2) translatie (zie afbeelding 1). Tijdens de transcriptie wordt er in de celkern een kopie gemaakt van het DNA door het enzym RNA-polymerase. Deze kopie wordt messenger (m)RNA genoemd. Het mRNA verlaat de celkern en komt in het cytoplasma terecht waar translatie (vertaling) van het mRNA in eiwit plaatsvindt met behulp van de ribosomen.

Afb. 1: Genen zijn stukjes DNA die coderen voor een eiwit. Wanneer een gen “aan” staat (met andere woorden, het gen komt tot expressie) wordt er door een enzym (RNA-polymerase) een kopie gemaakt van het gen. Dit proces wordt transcriptie (1) genoemd. De kopie wordt boodschapper of messenger (m)RNA (2) genoemd. Het mRNA verlaat de celkern en gaat naar het cytoplasma. Daar wordt het mRNA met behulp van de ribosomen (3) vertaald in een eiwit (4). Een eiwit kan vervolgens weer als enzym binnen of buiten de cel fungeren.

Van een gen hoeft niet op ieder moment een eiwit te worden gemaakt. Genen kunnen “aan” of “uit” staan. Wanneer een gen “aan” staat en er dus mRNA wordt gemaakt, zeggen we dat het gen “tot expressie komt”. We spreken dan van genexpressie. Expressie van een gen kun je dus bepalen door de aanwezigheid van het bijbehorende mRNA vast te stellen. Als er meer mRNA van een gen aanwezig is staat het gen “harder” aan dan wanneer er minder of geen mRNA van het gen aanwezig is. Samengevat kunnen genen aan of uit staan en wanneer een gen aan staat wordt er mRNA van gemaakt. Wat bepaalt nu of een gen aan of uit staat?

Afb. 2. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Transcriptiefactoren

Tussen de genen in zitten stukken DNA die niet voor eiwitten coderen. In deze stukken niet-coderend DNA liggen gebieden die de activiteit van genen regelen, de zogenaamde promotors. Voor ieder gen zit zo’n promotor. Aan deze promotor kan het RNA polymerase binden met behulp van andere eiwitten, de zogenaamde transcriptiefactoren. Transcriptiefactoren “duwen” als het ware het RNA polymerase op het DNA. Als het RNA polymerase gebonden is aan de promotor kan de transcriptie plaatsvinden en wordt er mRNA gemaakt van het gen (zie afbeelding 2). De transcriptiefactoren op hun beurt kunnen weer gereguleerd worden door andere in de cel aanwezige stoffen. Bepaalde hormonen kunnen bijvoorbeeld de activiteit van een transcriptiefactor beïnvloeden. Een transcriptiefactor kan dus zelf ook actief of juist niet-actief zijn.

Afb. 3. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Het transcriptoom

Er zijn vele soorten cellen, die elk hun specifieke functie hebben. Zo zijn er zenuwcellen die elektrische signalen geleiden, cellen van het immuunsysteem die bacteriën opruimen, rode bloedcellen die zuurstof vervoeren, etc. Om die functies uit te kunnen voeren beschikken deze cellen over specifieke eiwitten en enzymen. Cellen verschillen dus van elkaar door hun specifieke eiwit-samenstelling en dus ook door hun verschillende mRNA samenstelling. Iedere cel of groep van cellen bevat dus z’n eigen verzameling mRNAs. Zo’n verzameling mRNA van een cel wordt transcriptoom genoemd (op een zelfde manier wordt het in de celkern aanwezige DNA genoom genoemd en het in de cel aanwezige eiwit proteoom). Hoe de samenstelling van het transcriptoom van een cel eruit ziet is dus afhankelijk van welke genen er tot expressie komen (zie afbeelding 3). En dientengevolge ook afhankelijk van welke transcriptiefactoren en bijbehorende regulerende stofjes (hormonen etc.) er actief zijn.

Afb. 4. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Verandering van het transcriptoom

Verandering van genexpressie leidt tot een verandering van het transcriptoom. Veranderingen in de expressie worden veroorzaakt door het activeren of juist deactiveren van transcriptiefactoren. Hormonen kunnen via een aantal tussenstappen de activiteit van transcriptiefactoren veranderen (zie afbeelding 4). Een mooi voorbeeld hiervan is het stresshormoon corticosteron. Dit hormoon wordt in het lichaam verhoogd afgegeven aan het bloed door de bijnier (een orgaan dat boven de nier ligt) in reactie op stress. Vervolgens wordt het hormoon door het hele lichaam getransporteerd en komt het onder andere in de hersenen terecht. Hier beïnvloedt het corticosteron op een bepaalde plek in de hersenen de expressie van verschillende soorten genen, waaronder een gen dat codeert voor een receptor voor een neurotransmitter. Neurotransmitters zijn (signaal)stoffen die de communicatie verzorgen tussen de verschillende zenuwcellen en grijpen aan op receptoren die aan de buitenkant van de zenuwcellen zitten. Het stresshormoon vermindert de expressie van de receptor voor de neurotransmitter serotonine waardoor het serotonine minder aangrijpingspunten krijgt op de zenuwcel. Dit leidt vervolgens tot een vermindering in de zenuwgeleiding. Het stresshormoon beïnvloedt op deze (indirecte) manier de communicatie tussen de zenuwcellen hetgeen als gevolg heeft dat bepaalde hersenprocessen veranderen.

De DNA-chip

Hoe kun je nu de samenstelling van het transcriptoom vaststellen? Eén manier waarop dat kan is met behulp van de DNA-chip.Een DNA-chip is niets meer dan een klein glasplaatje waarop van verschillende genen DNA is gedeponeerd (zie afbeelding 5). Van ieder gen zit op een bepaald gebiedje van de chip een kleine hoeveelheid DNA. Centraal principe is dat mRNA dat afkomstig is van een gen kan plakken aan DNA van dat gen dat op de DNA-chip aanwezig is. Dit werkt als volgt: het DNA op de chip is dubbelstrengs. Wanneer de chip nu verhit wordt zullen de twee DNA strengen van elkaar loslaten. Als er vervolgens complementair mRNA aanwezig is (mRNA waarvan de sequentie precies het tegenovergestelde is van die van het DNA, dus een T van het mRNA tegenover een A van het DNA, etc) zal dit aan een van de twee DNA-strengen plakken. Wanneer er veel verschillende soorten mRNA op de DNA-chip wordt gebracht, zal ieder mRNA aan zijn overeenkomstige, complementaire DNA plakken. In afbeelding 6 wordt uitgelegd hoe dit precies werkt. Omdat het DNA van een bepaald gen op een heel klein oppervlakte van het glasplaatje wordt geprint is het mogelijk om van een paar duizend genen het DNA op de chip te zetten. Op deze manier is het mogelijk om van een paar duizend genen de mate van expressie te bepalen (zie afbeelding 7).

Afb. 5: Een DNA-chip is een glasplaatje waarop DNA van verschillende genen is ‘geprint’.

Afb. 6: Wanneer de DNA-chip wordt gescand zal er op plaatsen waar mRNA is gebonden aan de chip een groen signaal te zien zijn. Op de linkerchip geven 2 verschillende genen een groen signaal terwijl op de rechterchip 5 verschillende genen een groen signaal geven. Je weet nu dus welke genen er in de 2 verschillende cellen tot expressie komen. Ook kan je aan de signaalsterkte zien hoeveel mRNA er van die genen in de cel aanwezig is. Je weet nu dus ook dat wanneer je de zenuwcel met hormoon behandeld er een verandering in transcriptoomsamenstelling plaatsvindt. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Afb. 7: Voorbeeld van een DNA-chip waar mRNA is opgebracht. In plaats van een groen etiket zoals in afbeelding 6 hebben de mRNA’s een fluorescent etiket gekregen. De mate van fluorescentie signaal geeft aan hoeveel mRNA er op die plek van de DNA-chip is ‘geplakt’ (blauw betekent weinig, rood betekent veel). Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Toepassingen van de DNA-chip: identificeren van verschillende soorten kanker

Kanker is een ziekte waarbij cellen zich ongeremd blijven delen. Een normale, gezonde cel kan in een kankercel veranderen door bijvoorbeeld het oplopen van straling. Hierdoor vinden er bepaalde mutaties plaats die de celcyclus verstoren, waardoor de cel vervolgens ongelimiteerd begint te delen. Naar aanleiding daarvan ontstaat er een gezwel (tumor).

Kankercellen kunnen op vele plaatsen in het lichaam ontstaan en daarom zijn er zoveel verschillende vormen van kanker (borstkanker, huidkanker, etc.). De veranderingen die een normale cel ondergaat om een kankercel te worden verschillen ook weer tussen de verschillende soorten cellen. Dit heeft dan ook tot gevolg dat ieder type kanker een andere medische behandeling nodig heeft. Het is daarvoor belangrijk dat bij de patiënt het juiste kankertype wordt vastgesteld (oftewel dat de juiste diagnose wordt gesteld) zodat deze de beste behandeling kan ondergaan.

Om vast te stellen om welk type kanker het gaat wordt in veel gevallen de tumor met een bepaalde kleurstof behandeld en onder de microscoop bekeken (dit wordt een histologische analyse genoemd). Op grond van deze histologische analyse wordt vervolgens een diagnose gesteld en de behandeling bepaald. Er zijn echter gevallen bekend waarin de patiënten niet op de behandeling reageren. Dit zou erop kunnen wijzen dat het niet om 1 type kanker gaat maar dat de kanker die wordt vastgesteld onder de microscoop eigenlijk een verzameling is van meerdere (sub)typen kanker.

Een voorbeeld hiervan is een bepaalde vorm van kanker die B-cell lymphoma heet en waarbij de tumoren bestaan uit kwaadaardige B-lymfocyten (cellen van het immuunsysteem). Wanneer patiënten worden behandeld met chemotherapie slaat in 60% van de gevallen deze behandeling niet aan, terwijl in 40% van de gevallen deze wel een gunstig verloop heeft. Het lijkt erop dat er met de diagnose B-cell lymphoma eigenlijk 2 soorten kanker worden geclassificeerd die met de bestaande histologische analyse niet kunnen worden onderscheiden.

In het jaar 2000 werd door Alizadeh en medewerkers in het gezaghebbende wetenschappelijke tijdschrift Nature een artikel gepubliceerd waarin B-cel lymphoma nader werd onderzocht. Deze groep van wetenschappers ging met DNA-chips aan de slag om te kijken of ze hiermee een onderscheid in transcriptoom samenstelling konden maken in B-cell lymphoma tumoren. Hiertoe werd van een aantal patiënten die deze vorm van kanker hadden tumormateriaal verzameld waarna ze per patiënt het tumor mRNA analyseerden op een DNA-chip. Het bleek dat de tumoren van de patiënten 2 transcriptoom samenstellingen konden hebben, waarbij het verschil tussen de 2 transcriptomen werd gekenmerkt door een verschil in expressie van een aantal honderd genen. Door na verloop van tijd te kijken welke van deze patiënten gunstig reageerden op de chemotherapie kon men vaststellen dat een succesvolle behandeling verband hield met het transcriptoom type van deze twee patiëntengroepen. Dat wil zeggen dat de chemotherapie bij patiënten waarvan de tumor transcriptoomtype 1 bevatte in de meeste gevallen een gunstiger verloop had dan bij patiënten waarvan de tumor transcriptoomtype 2 had. Op deze manier was het dus mogelijk om met de DNA-chip onderscheid te maken tussen de 2 verschillende vormen van B-cell lymphoma, terwijl het niet mogelijk was om met de histologische analyse dit onderscheid te maken.

De DNA-chip bewijst een veelbelovend diagnostisch instrument te worden dat kan worden ingezet om kankerpatiënten een betere en passender behandeling te geven. Uiteraard geldt dit niet alleen voor kankerpatiënten maar ook voor patiënten met andere ziektes. Daarnaast wordt de DNA-chip al veel gebruikt om ziekteprocessen te bestuderen en om meer inzicht te krijgen in de manier waarop cellen functioneren. Kortom, de DNA-chip kent vele toepassingen die zullen leiden tot een enorme toename in onze kennis over het transcriptoom.

Bronnen:

Alberts B. et al., Molecular Biology of the Cell. Third edition, 1994.

Alizadeh A.A., et al., 2000. Distinct types of diffuse large B-cell lymphoma identified by gene expression profiling. Nature 403, 503-511.

Liotta L. and Petricoin E., 2000. Molecular profiling of human cancer. Nature Reviews Genetics, volume 1, 48-56.

Vreugdenhil E., et al., 2001. Genetic dissection of corticosterone receptor function in the rat hippocampus. European Neuropsychopharmacology 11: 423-430.

Zie ook:

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 september 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.