GENETISCHE SCHAKELAARS


°
AAN / UIT 
Sluit dit venster

Het DNA is als een grote onderdelenlijst. Maar hoe weet een cel welk onderdeel er wanneer aangemaakt moet worden? Dat is het actuele vraagstuk
van de genregulatie. (Afbeelding: University of Bristol) 
Grootscheeps Amerikaans onderzoek heeft de bedrading in kaart gebracht van de gistcel. Het betreft plaatsen in het DNA die genen aan- of uitschakelen. Volgens Nederlandse experts is het “een enorme stap voorwaarts in het begrip van genregulatie.”

Sluit dit venster

Foto: University of Minnesota 
genetische schakelaars
gistcellen op survival
donderdag 2 september 2004

Sluit dit venster

Bio-informatica, de combinatie van informatica en genetica begint zicht te bieden op de interne organisatie van de gistcel (Foto: Berkeley Lab) 
Zelden zal een organisme zo te lijden hebben gehad als het bakkersgist in Boston. Proefdierwetgeving gaat nu eenmaal niet op voor eencelligen.
Zo konden de Amerikaanse biologen hun gist op alle denkbare manieren mishandelen. Ze gaven het teveel voedsel of juist te weinig, ze onderwierpen het aan barre kou en aan extreme hitte of ze veranderden opeens het dieet van suikers naar vetzuren. Op die manier bootsten de onderzoekers van het Whitehead Institute for Biomedical Research alle mogelijke natuurlijke omgevingen van gist na, en dwongen ze de gistcellen tot extreme aanpassingen.Om dergelijke extremen te overleven, moet de cel zijn stofwisseling omzetten of andere functies aan- of uitzetten.

De gistcel doet dat door moleculaire boodschappers of ‘regulators’ rond te sturen die delen van het DNA (genen) activeren of juist tot zwijgen brengen.
Men wist al wel dat er zulke boodschappers moesten zijn, maar tot nu toe was niemand er in geslaagd om aan te geven welke boodschapper wat deed.
Whitehead-onderzoeker Chris Harbison:
“Door de cellen extreem te behandelen kwamen de ‘regulators’ vrij. Het was alsof we aan de bosjes schudden om het ongedierte eruit te jagen.”Harbison wist op die manier de afzonderlijke boodschappermoleculen te achterhalen.

Vervolgens was de vraag w찼찼r in het DNA de boodschapper aangrijpt. Daartoe werd het gist-DNA in duizenden fragmenten geknipt en samen met de boodschapper op een DNA-chip gebracht. De chip wees uit aan welk DNA-fragment de boodschapper zich hechtte. Maar de onderzoekers wilden meer. Ze wilden de precieze plek van de schakelaar weten.Op de supercomputers van het MIT (Massachusetts Institute of Technology) legden ze uitkomst van de DNA-chip naast de complete genomen van verschillende giststammen en destilleerden hieruit de precieze codes van de genetische schakelaars. Een voorbeeld is de korte sequentie TACCCGG. In totaal legden de onderzoekers 203 genetische schakelaars bloot.

Volgens Prof. Jan Hoeijmakers (Erasmus MC) is het resultaat minder exact dan de Amerikanen doen geloven. De sequenties kennen nog enige variatie -een nucleotide ( ‘DNA-letter’) minder of meer- waarvan de gevolgen onbekend zijn.

Ook mist Hoeijmakers de mate waarin de boodschappers binden aan de schakelaars. Niettemin ziet hij dit onderzoek wel als de nodige vervolgstap op de publicatie het genoom, want de actuele vraag is hoe een cel flexibel gebruik maakt van alle informatie in zijn DNA.

Gist heeft zesduizend genen, de mens ongeveer dertigduizend.
In het menselijke genoom, het volgende onderzoeksdoel, worden circa tweeduizend genetische schakelaars verwacht.
Verkennend onderzoek van menselijke cellen heeft al verschillende bindingsplaatsen opgeleverd voor boodschappermoleculen die geassocieerd worden met diabetes.
De hoop is dat de genetische schakelaars binnen het DNA net zoveel nieuwe aanknopingspunten zullen bieden voor medicijnen.“Typisch Amerikaans onderzoek”, vindt Hoeijmakers,

 â€œVeel geld, grote schaal, risicovol, massaal en weinig innovatief.”
 Hij ziet overeenkomsten met Craig Venter’s onderneming Celera die een hoofdrol speelde in de ontrafeling van het menselijke genoom (juni 2000). Amerikanen zijn niet bang om onderzoek groots op te zetten in het vertrouwen er later geld aan te verdienen.
Betekent dat, dat het resultaat van het gistonderzoek te koop aangeboden wordt aan de farmaceutische industrie? “Ja, zo zijn ze wel”, lacht Hoeijmakers.Overigens is de kennis van de regelknoppen binnen het genoom nog maar het prille begin van een begrip van wat leven nu eigenlijk is.

Want over wie of wat die schakelaars bedient in een levende cel is nog zo goed als niets bekend.

Jos Wassink
Christopher T. Harbison et al.: Transcriptional regulatory code of a eukaryotic genome. In: Nature, Vol. 431, 2 sept. 2004, p. 99 – 104

Moleculair biologen uit Harvard hebben een stofje ontdekt dat een rol speelt in het aan- en uitzetten van genen binnen een cel. Er wordt al veertig jaar naar uitgekeken, maar de onderzoekers liepen er toevallig tegenaan. “Een ontbrekend stukje uit de puzzel,” reageert geneticus Jan Hoeijmakers.
Genetisch puzzelstukje terecht
Ontwarring van de DNA-ketting
donderdag 23 december 2004
Jos Wassink

http://www.vpro.nl/wetenschap/index.shtml?3626936+4257491+20548122

 
Het is de grootste vraag van het leven: hoe regelt een cel zijn zaakjes? Weliswaar heeft iedere cel het gehele kookboek van het leven aan boord in de vorm van een – uitgerold – twee meter lang DNA-molecuul, maar er is geen chefkok die bepaalt welk gerecht er aan de beurt is.
 Levensprocessen, celdeling, differentiatie of geprogrammeerde celdood; de cel regelt het allemaal zelf. En dat op een manier die door de evolutie heen, van gistcel tot mens, opmerkelijk gelijk is gebleven. Alleen… hoe werkt het? Die vraag houdt celbiologen al tientallen jaren bezig.Moleculair bioloog Yang Shi

heeft met zijn groep uit Harvard een ontdekking gedaan die weer wat meer duidelijk maakt over hoe een cel een stuk DNA activeert of juist het zwijgen oplegt.
Ze ontdekten een enzym dat door een kleine chemische verandering het DNA beter of juist moeilijker toegankelijk maakt.
Geneticus Jan Hoeijmakers van de Erasmus Universiteit:
“Ze hebben het puzzelstukje ontdekt waar moleculair biologen al veertig jaar naar op zoek zijn. We wisten dat het er moest zijn, maar niemand kon het vinden. Dat is nu dus gelukt.”

Vroeger dachten we dat het geheim van de genregulatie, welke genen actief worden en welke niet, in het DNA zelf verscholen lag. Er zouden gebieden zijn die de genactiviteit stimuleren, promotoren, of juist smoren. Inmiddels weten we dat het DNA niet het hele verhaal is,” licht Hoeijmakers toe.
Ook qua massa in de celkern, waarin het DNA ligt opgeslagen, is DNA maar de helft van het verhaal. De andere helft bestaat uit eiwitbolletjes, nucleosomen genaamd, waamee het DNA op listige wijze is vervlochten. Stukjes DNA van precies 146 baseparen – AACGTTG – zijn om zo’n bolletje gewikkeld. Wat kortere stukjes, zo’n twintig tot zestig baseparen lang, verbinden de met DNA omrolde bolletjes, als de kralen in een ketting. Op die manier ontstaat uiteindelijk een compacte draad die onder de microscoop als ‘chromosoom’ zichtbaar is.

Het is dankzij deze nucleosomen dat het twee meter lange DNA-lint op een Houdini-achtige wijze in een celkern van slechts vijftien duizendste millimeter past.

Deze compacte verstrengeling heeft ook een nadeel.

Het DNA kan zo strak opgewonden zijn, dat het effectief op slot zit.
Het kan dan niet uitgelezen worden. Op gezette tijden moeten bepaalde delen van het DNA echter toegankelijk gemaakt worden om uitgelezen te worden.Op die manier wordt de erfelijke informatie vertaald in eiwitten en acties in de cel.

Het ‘openen’ en ‘sluiten’ van het DNA gebeurt door chemische sleutels, waaronder methyl en acetyl.
Die sleutels zorgen ervoor dat de DNA-windingen minder strak om de eiwitbolletjes komen te zitten.
Zo ontstaat er ruimte waarin het DNA zich kan ontvouwen en afgelezen kan worden.Om de chemische sleutels in en uit het ‘slot’ te krijgen, zijn enzymen nodig, eiwitten die een chemische reactie versnellen. De enzymen die de acetylsleutel in en uit het slot halen, zijn al eerder gevonden.

 Ook het enzym dat de methylsleutel in het slot steekt, was bekend. Maar het enzym dat die sleutel weer los kon halen, bleef bijna veertig jaar spoorloos.Totdat de groep van Yang Shi erop stuitte.

En ze zochten er niet eens naar.Shi en zijn collega’s waren op jacht naar een enzym dat in z’n eentje in staat was genactiviteit te smoren, en dat bij veel verschillende diersoorten.

Toen ze het enzym eenmaal hadden, bleek het in biochemische tests in staat methylgroepen van de nucleosomen te verwijderen. Aha, dat klonk de onderzoekers bekend in de oren. En zo werd, via een gelukkige samenloop, een lang bestaand gat in de genetische legpuzzel eindelijk gevuld.Hoeijmakers verwacht dat de ontdekking van Shi ertoe zal leiden dat er binnenkort nog meer enzymen gevonden worden met een soortgelijke functie.

 
Nucleosomen bestaan namelijk uit vier verschillende eiwitten, histonen genaamd, met meerdere bindingsplaatsen voor chemische groepen. Wanneer eenmaal duidelijk is hoe die bindingen verlopen, kan het spoor terug gezocht worden naar hoe de genregulatie gereguleerd wordt. Want dat blijft de grote vraag.

Sluit dit venster
Eiwitbolletjes, nucleosomen, rollen twee meter DNA-keten binnen een celkern van vijftien micrometer. De nucleosomen vormen een soort parelketting van elf nanometer dik, die vervolgens verder opgewonden wordt tot een streng van dertig nanometer. Illustratie: Universiteit Marburg, Duitsland 

Sluit dit venster

De parelketting van DNA hier 250.000 keer vergroot onder de microscoop. Het geheel van DNA en nucleosomen (eiwitbolletjes) wordt chromatine genoemd. Foto: Centre Universitaire, Luxemburg.

Sluit dit venster

De rol van nucleosomen, en de vier histonen waar ze uit bestaan, in de genregulatie. Door toevoeging van acetylgroepen (AC) wordt de binding van de DNA-streng losser en springt het stoplicht voor overschrijving op groen. Illustratie: Upstate Group Inc. 
Yang Shi, Yujinang Shi, Fei Lan, Caitlin Matson et. al.: “Histone Demethylation Mediated by the Nuclear Amine Oxidase Homolog LSD1”, Cell, Vol. 119, Issue 7, 16 dec 200

New Enzyme is a Turnoff for Genes
http://sciencenow.sciencemag.org/cgi/content/full/2004/1220/1?etoc

,Science Now, 04/12/20

Mission accomplished.  Scientists have finally found an enzyme acting as a demethylator. Credit: Science

Excerpt  //Buried deep inside a cell’s nucleus, a genetic switch hunted by biologists for decades has finally been identified. The finding could reveal much about how cells control gene activity, and also illuminate cancer, multiple sclerosis, and other diseases spurred by faulty gene expression.The newly discovered enzyme acts upon histones, the specialized proteins that strands of DNA loop around. (…) seen as active cogs in a cell’s gene regulation machinery. It’s well known, for example, that certain enzymes can add methyl groups to histones, which turns genes either on or off.

Transcriptional regulatory code of a eukaryotic genome
Christopher T. Harbison1,2*, D. Benjamin Gordon1*, Tong Ihn Lee1,
Nicola J. Rinaldi1,2, Kenzie D. Macisaac3, Timothy W. Danford3,
Nancy M. Hannett1, Jean-Bosco Tagne1, David B. Reynolds1, Jane Yoo1,
Ezra G. Jennings1, Julia Zeitlinger1, Dmitry K. Pokholok1,
Manolis Kellis1,3,4, P. Alex Rolfe3, Ken T. Takusagawa3, Eric S. Lander1,2,4,
David K. Gifford3,4, Ernest Fraenkel1,3 & Richard A. Young1,2,4
Onze genen en hun schakelaars
http://www.kennislink.nl/web/show?id=102993Het zal vrijwel niemand ontgaan zijn dat er de laatste tijd veel gebeurt op het gebied van DNA-onderzoek. De aankondiging dat het Humaan Genoom Project het grootste deel van de DNA-informatie in onze celkernen in kaart heeft gebracht, leidde zelfs tot religieuze ontboezemingen van de Amerikaanse president. Maar het blijft een ingewikkelde materie, waarbij soms verwarrende termen en metaforen worden gebruikt.

Gelukkig zijn er ook telkens weer mensen bereid het verhaal op een heldere manier uit de doeken te doen en misverstanden recht te zetten. Prof. dr. P. Verrijzer, die zelf onderzoek verricht naar de manier waarop genen aan- en uitgeschakeld worden, besteedde een belangrijk deel van zijn oratie aan een uitleg over het DNA en de genen, die hier in een aantal citaten wordt weergegeven.

‘Het’ genoom bestaat niet
Om te beginnen enkele opmerkingen over het humane genoom, dat de laatste tijd zo vaak in het nieuws is. “Het is nu dus bijna zo ver dat ons genoom een open boek is geworden, voor iedereen ter inzage op het Internet. De ontrafeling van het mechanisme van erfelijkheid, geaccumuleerd in de bepaling van de complete volgorde van ons genoom, is ongetwijfeld een van de grootste intellectuele prestaties in de geschiedenis van de mensheid”. Maar tegelijkertijd is de berichtgeving over het genoom een bron van misverstanden. Om te beginnen wijst Verrijzer erop dat ‘het’ genoom niet bestaat: “Hoewel 99.9% van het humane genoom identiek is in iedereen, bevat ieder van ons een aantal kleine variaties op de basale DNA-sequentie. Deze variaties maken dat we er allemaal iets anders uitzien en verschillende eigenschappen vertonen”.

“Het genoom is dus een soort gemiddelde waar wij allemaal op een unieke wijze een klein beetje van afwijken. Bijvoorbeeld: de een heeft bruine, een ander blauwe ogen; de een heeft bloedgroep A, de ander B; bepaalde medicijnen werken bij de een wel en bij de ander niet. Er is dus een enorme verzameling van kleine varianten die mensen van elkaar doet verschillen”.

Verrijzer: “Het is inmiddels duidelijk geworden dat de totale mensheid is ontstaan uit een kleine oerpopulatie die ongeveer 100.000 jaar geleden vanuit Afrika de wereld bevolkte. In evolutionaire termen is dit slechts een zeer korte tijd, en schattingen geven aan dat bewoners van een willekeurig dorp waar ook ter wereld collectief 90% van de totale humane genetische variatie vertonen”. En: “De uiterlijke verschillen waarop vermeende humane rassen gebaseerd zijn worden bepaald door slechts een uiterst klein percentage van onze genen. Kortom, het begrip “ras” toegepast op de menselijke soort is een sociale misconceptie zonder enige wetenschappelijke basis”.

Genen en JUNK DNA
“Uitgetypt zou ons genoom ruim 100 telefoongidsen van Leiden en omstreken beslaan, en indien ik de base-volgorde van het genoom hier zou voorlezen met een snelheid van een letter per seconde, 24 uur per dag, dan zaten wij hier over honderd jaar nog. Aangezien mij slechts minder dan veertig minuten resten, zal ik u dit besparen”,

vertelde Verrijzer zijn gehoor. Even later bleek dat hij deze leessessie tot ‘slechts’ drie jaar had kunnen beperken door alleen de informatie uit de genen voor te lezen.

“97% van ons DNA codeert voor geen enkel eiwit en heeft geen bekende functie. Dit DNA wordt dan ook ‘junk-DNA’ genoemd. Genen vormen dus slechts 3% van ons gehele genoom en liggen verspreid tussen een enorme massa van junk-DNA”.

“Hoe moet ik mij dit voorstellen? Ons 2-jarige dochtertje Gina vindt niets leuker dan typen op een computer. Soms, wanneer ik thuis een stukje zit te schrijven en opsta zonder mijn laptopje uit te zetten, is zij er altijd als de vinken bij om haar eigen teksten toe te voegen. Het resultaat van haar inspiratie is een document waarin de oorspronkelijke tekst gefragmenteerd is en op allerlei plaatsen ge챦nterrumpeerd met klinkklare nonsens”.

Voor menselijke ogen wordt een tekst zo onleesbaar en de volgorde van DNA-bouwstenen (het ‘genoom’) is evenmin erg begrijpelijk. Dat verklaart waarom men ondanks het Humaan Genoom Project nog altijd niet weet hoeveel genen de mens heeft. De wetenschappelijke weddenschappen lopen uiteen van ruim 30.000 tot meer dan 100.000 genen.

Hulpeloos en passief molecuul

“Hoewel we wekelijks in de krant kunnen lezen over genen ‘voor’ kanker, Alzheimer, intelligentie en wat al niet meer – het enige waar een gen in feite ‘voor’ is, is een eiwit”, aldus Verrijzer.

Eiwitten zijn de bouwstenen van ons lichaam en vormen ook de moleculaire machines die al het werk in onze cellen en ons lichaam verrichten: het eiwit hemoglobine transporteert zuurstof vanuit onze longen naar de rest van ons lichaam, ons haar is opgebouwd uit het eiwit keratine, en als u straks tijdens de receptie een glaasje wijn drinkt dan wordt de alcohol in uw lichaam afgebroken door het eiwit dehydrogenase”.

“Voorzichtige schattingen geven aan dat, hoewel er rond de 60.000 tot 80.000 humane genen zijn, tengevolge van talloze chemische eiwitmodificaties in een cel misschien wel meer dan 10 miljoen chemisch te onderscheiden eiwitten aanwezig kunnen zijn. Een cel bevat dus een complexiteit die niet direct uit het DNA is af te leiden”.

“Het DNA zelf is een hulpeloos en passief molecuul. Het zijn eiwitten gecodeerd in het DNA die dingen ‘doen’. Dit is een reden waarom ik bezwaar heb tegen de metafoor “blauwdruk of bouwtekening van het leven” die vaak gebruikt wordt om het genoom te beschrijven. Op een bouwteken

Opgevouwen genen onleesbaar
Verrijzer vergelijkt het DNA met een boek, het ‘boek des levens’. Toch blijkt uit zijn betoog dat een andere beeldspraak wellicht nog zinvoller is: die van de harde schijf van een computer. Deze bevat niet alleen data en teksten, maar ook instructies voor hoe die data gelezen en verwerkt moeten worden. Datzelfde geldt voor het DNA:

Een van de belangrijkste lessen uit het biologisch onderzoek van de laatste 15 jaar is dat een groot deel van ons genoom bestaat uit genen die andere genen reguleren”.

Verrijzers eigen onderzoek is gericht op regelsystemen die ervoor zorgen dat gespecialiseerde cellen als hersen- of spiercellen precies die verzameling genen aanschakelen die zij nodig hebben. De ‘verpakking’ van het DNA speelt daarbij een belangrijke rol. De twee meter lange DNA-‘draad’ in elke cel ligt immers op een ingenieuze manier opgevouwen in de celkern. De dichtheid van het DNA bepaalt het uiterlijk van de celkern in de microscoop; de korrelige structuur die daarbij zichtbaar is, wordt ‘chromatine’ genoemd. De mate waarin het DNA opgevouwen is, bepaalt of de genen afgelezen kunnen worden door de ‘vertalingsmachinerie’ (RNA en eiwitten) van de cel.

Een belangrijk gevolg van deze verpakking van ons genoom is dat alle genen in eerste instantie ‘uit’ staan. Voordat een gen ge챘xpresseerd wordt, moet het eerst toegankelijk gemaakt worden. Dit ‘openen’ van de chromatinestructuur blijkt een cruciaal controle punt te zijn voor genregulatie”, aldus Verrijzer in zijn oratie. En: “Momenteel staat de functie van chromatine enorm in de belangstelling omdat het zo een belangrijk controlepunt voor genexpressie vormt; maar ook omdat een groot aantal van de genen, geassocieerd met verschillende vormen van leukemie blijken te coderen voor eiwitten die de structuur van chromatine veranderen”.

Evolutionaire verwantschap met vliegjes

Opvallend is dat veel van deze bij leukemie챘n betrokken genen oude bekenden zijn uit onderzoek naar de ontwikkeling van simpele organismen zoals het fruitvliegje. Zij blijken te coderen voor eiwitten die evolutionair sterk geconserveerde regulatienetwerken dirigeren die ten grondslag liggen aan de embryonale ontwikkelingsprogramma’s van nematoden (draadwormen, red.), fruitvliegjes en de mens. De conservering van deze klinisch belangrijke genen geeft een unieke mogelijkheid om simpele organismen zoals het fruitvliegje, wormen of zelfs gistcellen te gebruiken om uit te vinden hoe ze werken”.

Evolutionaire ‘conservering’ betekent dat een gen behouden is gebleven in de loop van de evolutionaire ontwikkeling. Genen die op zo’n manier onveranderd blijven, zijn vaak van bijzonder belang. Verrijzer noemt als voorbeeld de zogeheten ‘Hox genen’, (1)die het globale bouwplan van het lichaam vormen.

Vrijwel alle meercellige dieren hebben deze genen met elkaar gemeen, hetgeen wijst op een gemeenschappelijke voorouder die zo’n 500 miljoen jaar geleden ‘in de modder rondkroop’, aldus de nieuwe hoogleraar.

En zelfs eencellige diertjes als gisten hebben meer met ons gemeen dan men wellicht verwacht.

“De studie van gist, wormpjes en fruitvliegjes is al lang niet meer het domein van wereldvreemde biologen. Integendeel, de farmaceutische industrie maakt meer en meer gebruik van eenvoudige modelorganismen om het netwerk van interacties tussen klinisch relevante, geconserveerde genen uit te zoeken”.

Wisselwerking met omgeving
Ondanks Verrijzers boeiende manier van vertellen blijft zijn vakgebied lastig voor niet-ingewijden. Hij toonde zich een goede hoogleraar door aan het einde van zijn oratie nog een samenvatting te geven:

Het genoom kan opgevat worden als een boek dat voor het grootste deel bestaat uit instructies voor hoe en wanneer een klein deel van dat boek te lezen. De regeleiwitten die genen aanschakelen en uitzetten ontvangen weer instructies van de buitenwereld: dit kunnen buurcellen zijn, de aanwezigheid van een virus, of hormonen in de bloedstroom.

Ook sociaal gedrag kan genexpressie be챦nvloeden, bijvoorbeeld een moederrat die haar jong likt brengt een hele regelcascade op gang die een reeks genen aanschakelt die groei in dat kind bevorderen. Het genoom is dus geen starre wekker die afloopt, maar genen worden gereguleerd in een dynamisch proces en kunnen aan- of uitgezet woorden naargelang de omstandigheden dat vereisen”.

Het moge duidelijk zijn dat de bestudering van zo veel genen, eiwitten en omgevingsfactoren de onderzoekers nog wel even zal bezighouden.

De ontrafeling van het humane genoom is daarmee een mijlpaal die het begin van een boeiende ontwikkeling inhoudt.

 

Bezoek de website van het LUMC


(1)HOX GENES LINKS (<klik)< strong=””>

zie ook Promotor (genetica)

Over tsjok45
Gepensioneerd . Improviserend jazzmuzikant . Instant composer. Jamsession fanaat Gentenaar in hart en nieren

One Response to GENETISCHE SCHAKELAARS

  1. Pingback: VERKLARENDE WOORDENLIJST PALEONTOLOGIE E | Tsjok's blog

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

%d bloggers op de volgende wijze: