De afgelopen jaren is gebleken dat het maken van genetisch gewijzigde planten en dieren onverwacht lastig is. Lang niet alle behandelde organismen vertonen de gewenste eigenschap. Bij het overgrote deel komt het ingebrachte gen niet tot uiting. Onderzoek naar de celkern verklaart waarom.

Februari 1997 bracht een bericht dat de wereld op zijn kop zette. De wetenschap was erin geslaagd om een uiercel te laten uitgroeien tot een schaap. Hoewel dit voor het grote publiek als een donderslag bij heldere hemel kwam, illustreerde het experiment een principe dat biologen al heel lang kenden. Een volwassen cel, zoals een uiercel, heeft precies hetzelfde erfelijk materiaal als een bevruchte eicel. Ze heeft what it takes om een volledig organisme te doen ontstaan. Wat een uiercel tot een uiercel maakt, is dat slechts een klein gedeelte van haar erfelijk materiaal leesbaar is; de cel kan het overgrote deel van het erfelijk materiaal niet aflezen. De verdienste van de Engelse wetenschappers bestond erin dat ze een volwassen cel van een zoogdier zover kregen dat deze onleesbaar erfelijk materiaal weer ging gebruiken. Een vergelijkbaar experiment met darmcellen van padden slaagde al in 1963. Bij planten vormt klonen al helemaal geen probleem: stekken is een alledaagse techniek.

Huishoudgenen

Tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaat uit één bevruchte eicel een organisme met een waaier aan celtypen. Het menselijk lichaam telt meer dan tweehonderd celtypen, waaronder bijvoorbeeld levercellen, zenuwcellen, huidcellen en spiercellen. Elk celtype kiest vanuit het totale repertoire van zo’n honderdduizend genen een eigen set van tien- tot twintigduizend genen die leesbaar is. Een gen is leesbaar als de cel het kan vertalen in het eiwit waarvoor het de informatie draagt. Sommige leesbare genen worden voortdurend vertaald, zoals de zogenaamde huishoudgenen die nodig zijn bij de energiehuishouding van de cel. Andere genen zijn weliswaar altijd leesbaar, maar worden alleen op specifieke ogenblikken vertaald. Dat geldt bijvoorbeeld voor genen die een rol vervullen bij de celdeling. Op het ogenblik dat de cel een leesbaar gen vertaalt in een eiwit, is het gen actief. De cel zet haar genen niet rechtstreeks om in eiwitten. Eerst moet ze de ‘tekst’ van een gen, in DNA-taal, overschrijven in RNA-taal. DNA en RNA zijn de twee typen erfelijkheidsmoleculen. De volgorde van de DNA-bouwstenen bepaalt de volgorde van de RNA-bouwstenen. Die bepaalt op zijn beurt de volgorde van de bouwstenen van een eiwit, de aminozuren. En van hun volgorde hangt weer de functie van het eiwit af, en zo de eigenschappen van de cel en het organisme.

Regeleiwitten

De uiteindelijke vertaling van een gen in een eiwit start vanaf de RNA-kopie. Deze tussenstap geeft de cel de kans om nauwkeurig te sturen welke genen actief zijn en welke niet. Het overschrijven gebeurt door het enzym RNA-polymerase. Als dit enzym samen met een groot aantal regeleiwitten aan de DNA-draad kan binden en kan beginnen met overschrijven, is het gen actief. Regeleiwitten binden aan daarvoor bestemde stukjes van de DNA-keten in de buurt van het gen. Deze DNA-stukjes zijn de regelelementen. Aangezien ze voor elk van de honderdduizend menselijke genen gedeeltelijk anders zijn, kan de cel de activiteit van elk gen apart coördineren. Alleen als de cel het regeleiwit voor dat unieke DNA-regelelement bevat, is het gen actief. De cel kan echter ook hele groepen genen tegelijk activeren of inactiveren. Dat is bijvoorbeeld belangrijk voor de reeks eiwitten van het afweersysteem, die gezamenlijk moeten werken. De regelelementen van die genen komen gedeeltelijk overeen.

Puzzel

Wetenschappers hebben voor een groot aantal genen het exacte regelmechanisme in kaart gebracht. Voor deze genen weten ze welk regeleiwit bij welk DNA-regelelement past. Zo is het bijvoorbeeld mogelijk de activiteit van een gen op voorspelbare wijze te veranderen door de regelelementen in het DNA aan te passen. Het bedrijf Pharming paste dat principe al meerdere malen toe. De dochters van stier Herman bezitten een menselijk gen dat voorzien is van een regelelement specifiek voor melkklieren van koeien. Zo zorgt Pharming dat een menselijke (therapeutische) eiwit in de koemelk terechtkomt. Ook in het fundamenteel onderzoek knutselt men met regelmechanismen. In Basel maakten wetenschappers jaren geleden een vlieg die over haar hele lijf ogen had. Ze koppelden het gen dat ogen doet ontstaan los van het regelelement dat ervoor zorgt dat het oog-gen alleen op die specifieke plaats in de kop actief is.

Lapjeskat

Het systeem van regeleiwitten en regelelementen geldt voor alle levende organismen op Aarde. Er bestaat echter zoiets als het mysterie van de lapjeskat. Een dergelijke kat heeft een vacht met een willekeurig vlekkenpatroon in wit, ros en zwart. Toch kan het gen dat de vachtkleur bepaalt slechts de code wit/zwart of wit/ros bevatten. De code wit/zwart/ros bestaat niet. De waarneming dat lapjeskatten zonder uitzondering vrouwtjes zijn, levert het ontbrekende stukje van de puzzel. Het gen voor de vachtkleur ligt op het X-chromosoom. Mannetjes hebben slechts één X-chromosoom, vrouwtjes twee. Een kater heeft in elke cel dezelfde code voor de vachtkleur. Bij een poes kunnen twee verschillende codes aanwezig zijn. In de bevruchte eicel waaruit een vrouwtjeskat groeit, zijn beide X-chromosomen actief. Tijdens de embryonale ontwikkeling, als het embryo al uit een flink aantal cellen bestaat, schakelt elke cel een van beide X-chromosomen uit. Het toeval bepaalt in elke cel welk chromosoom actief blijft. In het geval van de lapjeskat zullen sommige cellen de wit/zwart-code uitschakelen en de wit/ros-code leesbaar houden, of omgekeerd. De embryonale cel deelt zich een aantal maal ter vorming van een groep volwassen huidcellen. Een eenmaal uitgeschakeld chromosoom blijft ook na celdeling uitgeschakeld. Het resultaat is een vlek wit/zwart of een vlek wit/ros op de vacht.

Transgene organismen

Het idee van uitgeschakelde X-chromosomen levert dan wel een logische oplossing van het mysterie van de lapjeskatten, maar brengt het klassieke regelsysteem in de problemen. Regeleiwitten en DNA-regelelementen kunnen onmogelijk verklaren dat een volledig X-chromosoom wordt uitgeschakeld terwijl het andere intact blijft, laat staan dat die uitschakeling op willekeurige wijze gebeurt. Het tweede voorbeeld waarin het klassieke gen-regelsysteem niet volstaat, komt uit de biotechnologie. Transgene organismen ontstaan als wetenschappers een gen uit het ene organisme halen en samen met alle bijbehorende regelelementen in het erfelijk materiaal van een ander organisme inbouwen. Dankzij de universaliteit van het gen-regelmechanisme kunnen ze hierbij de soortgrenzen tussen planten, dieren en micro-organismen gemakkelijk overschrijden. Toch stuiten biotech-bedrijven steeds weer op hetzelfde probleem. Vaak moeten ze enorm veel pogingen doen om een dier of plant met de gewenste eigenschappen te verkrijgen. Dat maakt de productie van transgenen duur en inefficiënt. Het overgrote deel van de organismen bezit wel het vreemde gen en alle benodigde DNA-regelelementen, maar maakt het overeenkomstige eiwit niet aan en vertoont dus ook niet de beoogde nieuwe eigenschap. Controles wijzen echter steevast uit dat het organisme alle benodigde regeleiwitten bezit en RNA-polymerase, het enzym dat DNA overschrijft in RNA, ter beschikking heeft. Met het klassieke model voor genregulatie valt niet te verklaren waarom het ingebrachte gen inactief is.

Knoop

‘Berg twintig kilometer dunne visdraad op in een bol ter grootte van een tennisbal.’ Deze opdracht komt precies overeen met die waarvoor elke menselijke cel staat: het opvouwen van het DNA in de celkern. De totale lengte van het DNA in een menselijke cel bedraagt twee meter. Die draad past in een celkern met een diameter van zo’n tien micrometer, of eentien- duizendste van een millimeter. Bij het opvouwen mag de draad niet in de knoop raken. Bovendien moet hij bij celdeling precies verdubbeld kunnen worden. Tenslotte moet de erfelijke informatie die op de draad aanwezig is, feilloos af te lezen zijn. De cel is niet alleen gedwongen om haar DNA goed te beschermen, maar ook om het op een speciale en dynamische manier te verpakken. De lange draadvormige DNA-moleculen bestaan uit twee ketens die spiraalsgewijs om elkaar zijn gewonden. Deze dubbele helix wikkelt zich rond een aantal eiwitten en vormt zo een chromatinedraad. Over de verdere manier van opvouwing van deze draad tast de wetenschap nog in het duister. Zeker is dat de draad zich verder om zichzelf heen draait, om vlak voor de celdeling de typische chromosoomvormen te doen ontstaan. Grofweg zijn er twee typen DNA-opvouwing in een celkern te onderscheiden. Heterochromatine is extra compact opgevouwen DNA, terwijl euchromatine iets minder strak opgerold is. Op een chromosoom, één lange DNA-draad, wisselen gebieden met heterochromatine en euchromatine elkaar af. Onder de microscoop vertoont de celkern van een rustende cel donkere gebieden met heterochromatine en lichtere gebieden met euchromatine.

Activiteit

Hetero- en euchromatine zijn geen betekenisloze fantasieën van de natuur. Tussen de lokale opvouwing van DNA en de activiteit van genen bestaat een sterke samenhang. Dat bleek toen wetenschappers technieken ontwikkelden om de plaats van actieve genen waarneembaar te maken. Het verschil tussen hetero- en euchromatine is op een individuele DNA-streng alleen zichtbaar als dezelfde toestand over een groot gebied voorkomt. Gelukkig heeft de natuur in zulke gevallen voorzien. Keren we even terug naar de lapjeskat met haar uitgeschakelde X-chromosoom. Een specifieke kleuring van de twee X-chromosomen van een volwassen vrouwelijke cel geeft steevast een beeld met een normaal X-chromosoom en een ineengeschrompeld chromosoom. Opvouwing staat hier niet los van activiteit. Na kleuringen blijkt het normale chromosoom steevast actief te zijn, terwijl het ineengeschrompelde nauwelijks actieve genen bevat.

Fruitvlieg

Het tweede argument voor de relatie tussen opvouwing en activiteit komt van een favoriet onderzoeksdier van moleculair-biologen: de fruitvlieg Drosophila melanogaster. De speekselklieren van dit insect bezitten reuzenchromosomen. Elk van deze chromosomen bestaat niet uit één maar uit honderden parallelle DNA-draden. Onder een gewone lichtmicroscoop vertoont een reuzenchromosoom een karakteristiek licht/donker-bandenpatroon, dat het verschil tussen eu- en heterochromatine weerspiegelt. Heterochromatine- en euchromatine-gebieden kunnen zich langs de DNA-draad uitbreiden als een soort eendimensionale olievlek. Dat bleek toen een onderzoeker reuzenchromosomen bestraalde met ultraviolet licht. Ultravioletbestraling maakt breuken in het DNA. Soms plakken de DNA-herstelmechanismen van de cel de chromosoomfragmenten weer verkeerd aan elkaar. Op zo’n manier kan een heterochromatine-gebied, dat vrijwel geheel inactief is, vlak naast een stuk chromosoom terechtkomen dat euchromatisch is en actieve genen bevat. Heterochromatine bleek euchromatine te overheersen. De heterochromatine-structuur breidt zich langs de DNA-streng uit en maakt de aanvankelijk actieve genen in het naburige DNA inactief. Het euchromatine verandert van structuur en heterochromatiniseert.

Toevallig

Geleidelijk krijgen we een beeld van de relatie tussen opvouwing en activiteit. Aangezien chromatine compact is opgevouwen, kunnen het RNA-polymerase en de regeleiwitten het DNA van veel genen niet bereiken. Deze genen zijn inactief. Slechts een klein deel van het DNA in een cel is enigszins ontvouwd en daardoor toegankelijk. Die genen kunnen actief zijn, tenminste als de juiste regeleiwitten beschikbaar zijn. Nauwkeurig gecontroleerde veranderingen in chromatinestuctuur zijn belangrijk bij de activering en inactivering van genen. Het lijkt erop dat dit mechanisme het klassieke regelmechanisme met DNA-bindende regeleiwitten en RNA-polymerase domineert. Kennelijk zijn er tenminste twee lagen van genregelmechanismen. Eerst besluit de cel of een bepaald stuk van een chromosoom in de euchromatine- of de heterochromatine-toestand hoort. In euchromatine-gebieden, en alleen daar, kan vervolgens het klassieke regelmechanisme zijn gang gaan. De sterke samenhang tussen de lokale opvouwing van het DNA en de activiteit van genen, levert de sleutel tot het begrijpen van het onvoorspelbare gedrag van de nieuw ingebrachte genen in transgene organismen. Een voorlopig nog onbekend moleculair proces zorgt voor de inbouw van vreemd DNA in een van de chromosomen. De plaats van inbouw is niet voorspelbaar en lijkt toevallig. Als het transgen terechtkomt in een gebied waar het DNA een compacte heterochromatine-opvouwing heeft, neemt ook het transgen-DNA de heterochromatine opvouwing aan en wordt inactief. Als het transgen daarentegen in een euchromatine-gebied gaat zitten, kan het wel actief zijn. Alles wijst erop dat de opvouwing van het omringende chromatine bepaalt of het transgen actief dan wel inactief zal zijn.

Kennis beperkt

Het maken van transgene planten en dieren is, hoe we ook over de ethische aspecten ervan denken, van snelgroeiende economisch betekenis. Tegelijk groeit het idee dat gentherapie een oplossing kan bieden voor een aantal ernstige ziekten, inclusief bepaalde vormen van kanker. We kunnen de activiteit van nieuw ingebrachte genen in een cel echter nog niet goed sturen. Om in beide disciplines vooruitgang te boeken, is een gedetailleerd begrip van de genregulatie door opvouwing essentieel. Op dit moment is onze kennis nog heel beperkt. De manier waarop cellen in staat zijn om, bijvoorbeeld tijdens de embryonale ontwikkeling, op gecontroleerde wijze DNA in de actieve euchromatine- of de inactieve heterochromatine-toestand te brengen, is grotendeels nog onduidelijk. Wél hebben genetische analyses laten zien dat bij deze processen tientallen eiwitten betrokken zijn. Het lijkt erop dat de mechanismen in de meeste organismen in essentie hetzelfde zijn. Ook hier heeft de natuur tijdens de evolutie ooit een regelsysteem ontwikkeld en is dat vervolgens blijven gebruiken. Mogelijk levert de theorie rond opvouwing van DNA ook een verklaring voor een oud biologievraagstuk. Meer dan de helft van het menselijk DNA bevat helemaal geen genen. De functie van dit ‘junk-DNA’, dat ook bij andere hogere organismen voorkomt, is volledig onbekend. Het is twijfelachtig dat dit DNA volledig overbodig zou zijn. Speelt het misschien een rol in de opvouwing van het DNA in de celkern of is het op andere manieren belangrijk voor de regeling van de genactiviteit? Er zijn genoeg andere vragen waarop de wetenschap het antwoord schuldig blijft. Wat bepaalt in de cel de precieze grenzen van de gebieden die heterochromatiniseren of euchromatiniseren op een chromosoom? Hoe zit DNA precies opgevouwen in euchromatine en heterochromatine? Hoe slaagt de cel erin het DNA zo te verpakken? Wie op deze vragen een goed antwoord vindt, heeft niet alleen een zeer fundamenteel wetenschappelijk probleem opgelost, maar heeft ook een sleutel in handen om transgenese efficiënter en gentherapie betrouwbaar te maken.

recisie

Van ingrepen in erfelijk materiaal hebben veel mensen een intuïtieve afkeer. Ook de evolutie heeft voorzien in een aantal rigoureuze maatregelen die het DNA in onze cellen goed beschermt. Alle DNA ligt veilig verpakt in de celkern. Alleen bij de celdeling komt het even naar buiten. Bij die celdeling verdubbelt het erfelijk materiaal en verdeelt het zich gelijk over de twee nieuwe cellen die bij deling ontstaan. De precisie van dit proces is extreem groot, veel groter dan welk door machines of mensenhanden gestuurd proces dan ook. Een ongewenste chemische reactie of straling, zoals ultraviolet licht bij het zonnebaden of kosmische straling bij het reizen in een vliegtuig op grote hoogte, beschadigt ons DNA. Als dat gebeurt, komt een batterij van enzymen en andere eiwitten in actie om de schade nauwkeurig te herstellen. Kennelijk is de cel beducht voor veranderingen in haar DNA. Die zorg is begrijpelijk. Immers, een cel geeft een verandering in het DNA (een mutatie) bij elke deling door aan haar dochtercellen. Een mutatie kan de eigenschappen van de cel veranderen. Op die manier ontstaan ernstige ziekten zoals kanker.

Klonteren

Zullen we het raadsel van de activering en inactivering van genen bij planten en dieren hebben opgelost na de ontrafeling van de twee lagen van regelmechanismen uit dit artikel? Misschien, maar mogelijk is naast de lokale opvouwing van de chromatinedraad ook de ruimtelijke rangschikking van chromosomen in de celkern belangrijk voor genactiviteit. We weten al heel lang dat genen die op verschillende chromosomen liggen, op een bepaalde plek in de celkern kunnen samenklonteren. Eén voorbeeld is het kernlichaampje in de celkern. In dit gebied drommen alle genen samen die vereist zijn voor de aanmaak van de ribosomen, het organel waar de eiwitsynthese plaatsvindt. Met moderne immunologische technieken worden de laatste jaren steeds meer speciale compartimenten in de celkern ontdekt. Of, en zo ja hoe dergelijke domeinen een rol spelen bij de regeling van genactiviteit is nog onduidelijk. Niettemin is de kans dat ze belangrijk zijn, in de ogen van de auteurs, heel groot.