Het moet ergens begin 1998 geweest zijn. De Rotterdamse promovendus Jan de Boer komt aarzelend de kamer van zijn promotor ingelopen: ‘Die muizen worden grijs…’ Promotor Jan Hoeijmakers reageert aanvankelijk hoogst verbaasd: ‘Wat? Worden ze grijs?!’
‘Maar natuurlijk,’ schiet het daarna door zijn hoofd, ‘deze muizen verouderen misschien heel vroeg, net als bij de menselijke variant Cockayne Syndroom. Dit kan wel eens het bewijs zijn dat DNA-repair ons beschermt tegen veroudering. Dat we daar niet aan gedacht hebben? Maar ja, we waren bezig met DNA-repair en het ontstaan van kanker, niet met veroudering.’
Vervolgens komt Hoeijmakers met een spervuur van vragen: ‘We weten dat de muizen ook eerder doodgaan, maar hebben ze ook last van botontkalking? En vermagering? Gaat hun algehele conditie versneld achteruit? Krijgen ze soms een bochel?’
Jan de Boer gaat aan de slag en kan de vragen bevestigend beantwoorden: een nieuw muismodel voor veroudering is geboren. Het resultaat is nog niet gepubliceerd, maar is al wel beschreven in het in allerijl toegevoegde hoofdstuk van De Boers proefschrift. Hoeijmakers en zijn groep hebben inmiddels subsidie gekregen om veroudering in het muismodel verder te bestuderen.
Bochel
Over de moleculaire basis van veroudering zijn vele theorieën geopperd: oxidatieve schade, kapotte mitochondriën, membraanschade, verkorte telomeren, etc. Voor die theorieën bestaan meestal slechts indirecte aanwijzingen.
‘Voor het eerst hebben we een direct bewijs voor de rol van DNA-repair bij veroudering,’ vertelt Hoeijmakers nu. ‘De nieuwe, grijs wordende muis was een dubbele mutant; zowel het DNA-herstelmechanisme als de transcriptie was verstoord. De ene mutatie leidt tot een verstoord DNA-repairmechanisme en sterk verhoogde gevoeligheid voor huidkanker. Het andere geeft problemen bij het aflezen van DNA waardoor de ontwikkeling niet meer goed meer verloopt. Maar tezamen leiden ze tot verschijnselen van vroege veroudering: kale en verschrompelde huid, een bochel, botontkalking etc.’
‘Het bleek dus dat de dubbelmutant nog sneller verouderde dan muizen met alleen een verstoorde transcriptie. Dat vormde – voor het eerst – het bewijs dat de combinatie van ongestoorde transcriptie én efficiënte repair beschermt tegen veroudering.’
10.000 letters per dag
De link met ouder worden kon worden gelegd omdat het onderzoek naar DNA-herstel de afgelopen jaren twee belangrijke inzichten heeft opgeleverd. Op de eerste plaats blijkt DNA-herstel wezenlijk voor het leven, daarnaast is er nu het inzicht dat het repareren en aflezen van chromosomen nauw met elkaar verbonden zijn.
Over dat eerste doceert Hoeijmakers: ‘Het DNA-molecuul is chemisch niet oneindig stabiel. Sterker nog: per dag vallen in een cel spontaan maar liefst 10.000 letters uit het DNA. Daarnaast lijdt ons erfelijk materiaal onder externe invloeden: schade door straling als UV of röntgen, en door chemicaliën als asbest of sigarettenrook. Op de derde plaats ontstaan er fouten bij replicatie van DNA.’
‘We beseffen nu eigenlijk pas dat dat een heel fundamenteel probleem is. Er ontstaan voortdurend foutjes in de erfelijke code. Die moeten ook voortdurend hersteld worden. Waarschijnlijk is dat mede de reden dat planten en dieren dubbele, complementaire strengen DNA hebben.’
In dat licht klinkt de volgende hypothese heel logisch. Het leven is ooit begonnen met zich voortplantende RNA-moleculen. Maar DNA is stabieler en genoot dus al snel de voorkeur als replicerende eenheid. Om daarin eventuele fouten te kunnen opsporen en repareren is het makkelijk te vergelijken met een andere, complementaire streng, die nog wel de juiste informatie bevat.
Wanneer bij replicatie een verkeerde nucleotide is ingebouwd, een A tegenover een G bijvoorbeeld, kan het herstelsysteem herkennen welke base fout is. Bij de bacterie Escherichia coli ‘kijken’ repair-eiwitten naar de methylgroepen: de fout bevindt zich in de net aangemaakte streng en die is minder gemethyleerd. Men denkt dat herstelsystemen bij zoogdieren de jongste streng herkennen aan activiteiten van het replicatiemechanisme elders op de streng.
Geen leven
De stelling “Zonder DNA-herstel geen leven” laat zich makkelijk met cijfers onderbouwen. Neem de celdeling waarbij de chromosomen zich vermenigvuldigen. Gemiddeld zet het replicatie-enzym DNA-polymerase in eerste instantie bij elke duizend basen een verkeerde base in de nieuwe streng. Notabene: ons genoom bestaat uit drie miljard basen en elke cel heeft een dubbele set chromosomen, dus dat zou maar liefst zes miljoen foute basen per celdeling betekenen.
Gelukkig rijden er verschillende ‘wegenwachten’ over het DNA. Zo corrigeert een reparatie-enzym van het DNA-polymerase zelf zo’n 999 van de duizend fouten; de foutkans wordt daarmee gereduceerd tot één op de miljoen.
De tweede herstelploeg die replicatiefouten herstelt, heet mismatch repair. Deze haalt er ook nog zo’n 999 van de duizend fouten uit. Daarmee is de foutkans teruggebracht tot minder dan één op de miljard.
Na deze welhaast perfecte start, loert er echter meer gevaar om de hoek. Basen kunnen spontaan uitvallen. Bij straling en chemicaliën kunnen bovendien veel verschillende soorten fouten ontstaan: loslatende basen, grotere hiaten, enkelstrengs- en dubbelstrengsbreuken, stoffen tussen twee basen of sterke bindingen tussen twee naast elkaar liggende basen. Voor die verschillende schades bestaan verschillende reparatiesystemen.
Eerste DNA-repairgen
NER is hier het meest interessante herstelmechanisme; daaruit bleek hoe zeer reparatie en transcriptie bij elkaar horen. Het staat voor Nucleotide Excision Repair. NER repareert onder meer door UV-B veroorzaakte covalente (sterke) bindingen tussen twee naast elkaar gelegen nucleotiden (bijvoorbeeld T-T).
Een aanzienlijk bijdrage aan DNA-repaironderzoek wordt geleverd door Hoeijmakers en zijn Rotterdamse afdeling Celbiologie en Genetica. In 1984 heeft de groep het eerste DNA-repairgen bij de mens ontdekt, ERCC-1, en een groot deel van de inmiddels zestig bekende DNA-repairgenen zijn in Rotterdam gekloneerd. Een jaar of drie geleden hebben de Rotterdammers een model voor NER ontwikkeld.
Dat model laat zien dat 25 tot 30 eiwitten bij een NER-reparatie betrokken zijn – zie illustratie. Let vooral op de eiwitten XPB en XPD, zij trekken de dubbele streng uit elkaar waardoor anderen de fout eruit kunnen knippen. Het scheiden van de twee strengen doen ze niet alleen bij herstel van DNA, maar (waarschijnlijk) óók bij het aflezen ervan. Ziedaar de link: de eiwitten zijn in beide processen actief.
Kindertijd
Bekend was al dat een mutatie in de genen voor XPB of XPD leidde tot een van de toen drie bekende NER-ziektes. De eiwitten zijn genoemd naar de ernstige ziekte die ontstaat bij een mutatie in het gen voor XPB en XPD: Xeroderma Pigmentosum (XP).
Bij XP-patiënten functioneert het DNA-herstelsysteem slecht. Ze zijn extreem gevoelig voor zonlicht, hebben een grote kans op huidkanker en hun huid is leerachtig en vertoont afwijkende pigmentatie. Ook patiënten met een van de twee andere NER-afwijkingen zijn gevoelig voor zonlicht, maar hebben daarentegen géén verhoogde kans op huidkanker. Bij deze afwijkingen, Cockayne Syndroom en Trichothiodystrofie, is de (neurologische) ontwikkeling zozeer verstoord dat ze tijdens hun kindertijd al overlijden.
De drie ziektes worden veroorzaakt door één mutatie in een van ruim tien betrokken genen. Opmerkelijk genoeg bleek dat alledrie de afwijkingen veroorzaakt kunnen worden door één mutatie in XPB of XPD. Bij Xeroderma Pigmentosum is dat niet raar, de grote kans op huidkanker is te verklaren door een verstoord systeem van DNA-herstel. Maar bij die andere twee ziektes bestaat geen verhoogde kans op huidkanker en lijkt de DNA-repair-functie dus niet aangetast – hoe kunnen ze dan toch veroorzaakt worden door mutaties in de twee repair-eiwitten XPB en XPD?
Telefoon uit Straatsburg
Een telefoontje uit Straatsburg bracht duidelijkheid. Daar werkt de groep van Jean-Marc Egly aan het aflezen van genen. Toen Egly onverwachts het reparatie-eiwit XPB vond in een complex van transcriptie-eiwitten, dacht hij met een verontreiniging van doen te hebben. Hij belde naar de plek waar het herstel-eiwit was ontdekt. Een paar weken nadat Hoeijmakers opnam, bleek het geen contaminatie te zijn. Het XPB-eiwit zit óók in het complex dat zorgt voor transcriptie. Tevens bleek dat XPD nog een extra functie in de transcriptie heeft.
Een uitzonderlijk Rotterdams Trichothiodystrofie-patiëntje en veel muizenonderzoek lieten later de opmerkelijke rol van XPB en XPD in Trichothiodystrofie en Cockayne syndroom zien. De oorzaak van deze “NER-ziektes” ligt namelijk in het foutief aflezen van genen.
Vorige maand nog meldde de Texaanse genetica Victoria Lundblad een dergelijk dubbelfunctie van het gen mrt-2. In de worm Caenorhabditis elegans is het eiwit Mrt-2 verantwoordelijk voor het vermeerderen van telomeren, terwijl het ook beschadigd DNA opspoort.
Fluorescerend groen
Vorig jaar vonden Wim Vermeulen en Adriaan Houtsmuller in Rotterdam aanwijzingen dat reparatie-eiwitten voortdurend van functie kunnen wisselen. Ze koppelden een fluorescerend GFP-eiwit een voor een aan één van de reparatie-eiwitten. Vernuftige trucs met tijdelijke uitdoving van het fluorescerend groen in een levende cel toonden vervolgens aan dat reparatie-eiwitten met verschillende snelheden door de kern heen bewegen.
Hoeijmakers: ‘In tegenstelling tot wat wij dachten, is er dus niet één groot vast eiwitcomplex, maar bestaan er losse delen. En wanneer we met UV-licht het systeem van DNA-herstel activeren, bewegen ze meteen veel minder. Dat duidt erop dat ze direct actief zijn bij DNA-herstel. Mogelijk worden de eiwitcomplexen ter plekke aan elkaar gezet.’
Hoeijmakers kende natuurlijk al de dubbelfunctie van XPB en XPD. Ook weet hij van andere herstel-eiwitten dat ze betrokken zijn bij verschillende DNA-repairsystemen.
‘We zien dus dat verstoring van één eiwit leidt tot aantasting van meerdere functies. Daarvoor hebben we nu reeds een muismodel. We vermoeden dat het zo ook werkt bij natuurlijke verouderingsprocessen als botontkalking, aderverkalking en dementie. Kun je je voorstellen wat dat voor mogelijkheden biedt?’