Junk DNA is niet troep

Een duizelingwekkende reeks van meer dan 30 artikelen gepubliceerd in Natuur, Wetenschapen andere tijdschriften deze maand, verwerpt ten stelligste het idee dat, afgezien van de 1% van het menselijke genoom dat codeert voor eiwitten, het grootste deel van ons DNA "rommel" is dat zich in de loop van de tijd heeft opgehoopt als een evolutionair wrak en jetsam.
De papers, die 10 jaar werk van het ENCODE-project ("Encyclopedia of DNA Elements") vertegenwoordigen, voltooid door honderden wetenschappers van tientallen laboratoria over de hele wereld, onthullen dat 80% van het menselijk genoom een ??bepaald doel dient en biochemisch actief is, bijvoorbeeld bij het reguleren van de expressie van genen die zich in de buurt bevinden.
De sequentiebepaling van het menselijk genoom hielp om erachter te komen welke mutaties in eiwit-coderende genen ziekte kunnen veroorzaken. Nu zal een kaart van de niet-coderende regio's helpen om uit te vinden hoe mutaties in de regulerende elementen leiden tot ziekten zoals lupus en diabetes.
John A. Stamatoyannopoulos, universitair hoofddocent genoomwetenschappen en geneeskunde aan de Universiteit van Washington, leidde een van de teams die de mapping en analyse hebben uitgevoerd. Hij vertelde de pers:
"Genen nemen slechts een heel klein deel van het genoom in, en de meeste pogingen om de genetische oorzaken van ziekte in kaart te brengen, werden gefrustreerd door signalen die op genen wezen."
"Nu weten we dat deze inspanningen niet tevergeefs waren en dat de signalen in feite naar het 'besturingssysteem' van het genoom wezen - de instructies zijn verborgen op miljoenen locaties rond het genoom, 'voegde hij eraan toe.
Ben Raphael is universitair hoofddocent computerwetenschappen aan de Brown University in de VS, en zijn onderzoeksinteresses omvatten kankergenomica en het toepassen van wiskundige methoden op biologische vragen. Hij zei dat de ENCODE-bevindingen ons zouden moeten helpen de menselijke biologie beter te begrijpen en hoe genomische variaties ziekten kunnen veroorzaken.
"Het meest opwindende onderdeel is dat we nu een annotatie van functionele elementen in het hele genoom krijgen", zei Raphael, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"Telkens wanneer je wilt weten wat een bepaald stuk van het genoom aan het doen is, kun je de gegevens van dit project gebruiken," voegde hij eraan toe.

Portal of Information

In totaal brachten de ENCODE-wetenschappers meer dan 4 miljoen regelgevende regio's in kaart in het menselijk genoom.
Uit genetische sequentiegegevens voor 140 soorten cellen identificeerden ze duizenden DNA-regio's die de genactiviteit helpen bijstellen en beïnvloeden welke genen aan en uit worden gezet in verschillende soorten cellen.
Ze ontdekten dat deze niet-coderende eenheden van DNA nog lang geen dingen doen, zoals het aanbieden van landingsplaatsen voor eiwitten die de genactiviteit controleren of die dienen als locaties voor chemische veranderingen die genexpressie controleren.
De ENCODE-gegevens en -resultaten zijn zo complex dat een aantal tijdschriften zich hebben aangesloten om een ??portaal van gepubliceerde informatie te maken, zodat lezers er op een systematische manier mee kunnen werken.
U kunt de portal openen op de Natuur ENCODE-website.

Het niet-coderende DNA in kaart brengen

De ENCODE-wetenschappers bestudeerden de chemische modificaties van individuele stukken DNA die bepalen welke genetische regio's actief zullen zijn. De modificaties, gezamenlijk bekend als het epigenoom, zijn verschillend voor verschillende cellen en bewerkstelligen hun beheersing ofwel direct op DNA of door het veranderen van de histoneiwitten die DNA omwikkelt.
Om de wijzigingen in kaart te brengen, verzamelden de teams veel verschillende soorten gegevens van verschillende celtypen. Sommige labs hebben gemeten hoe toegankelijk stukjes DNA waren door het in stukjes te snijden met enzymen. Anderen maten modificaties aan DNA of histonen.
Een team van computationele wetenschappers was dat onder leiding van Manolis Kellis, een universitair hoofddocent bij de afdeling Elektrotechniek en Computerwetenschappen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de VS.
Teamlid Anshul Kundaje, een onderzoeker in de Computational Biology Group van MIT, heeft het werk begeleid bij het analyseren en integreren van de enorme hoeveelheid gegevens die uit de verschillende laboratoria kwamen. Ze hebben hiervoor een bijna puur geautomatiseerd systeem ontwikkeld:
"Aangezien we meer dan 1.000 datasets kregen, moesten we manieren bedenken om experimenten automatisch te kalibreren", zei Kundaje.
De onderzoekers ontdekten dat 80% van het genoom een ??soort biochemische gebeurtenis ondergaat die significant is, zoals binding aan eiwitten die bepalen hoe vaak een naburig gen wordt gebruikt.
Ze vonden ook dat hetzelfde regulerende gebied verschillende rollen kan spelen, afhankelijk van de cel die het reguleert.

Gemeenschappelijke ziekten en klinische eigenschappen

Om verbanden met veel voorkomende ziekten en klinische kenmerken te vinden, analyseerden de teams genetische varianten die eerder aan hen waren gekoppeld in genoom-brede associatiestudies (GWAS).
GWAS vergelijkt genetische informatie tussen groepen mensen met en zonder een bepaalde ziekte of eigenschap. De laatste tien jaar of zo hebben een schat aan dergelijke onderzoeken met betrekking tot meer dan 400 ziekten en eigenschappen gezien en met honderdduizenden mensen over de hele wereld.
Maar 95% van de tijd wezen de studies op genetische varianten die buiten eiwitcoderende gebieden van het genoom liggen.
Toen de ENCODE-wetenschappers de bevindingen via de lens van hun nieuwe kaarten van niet-coderende regelgevingsregio's onderzochten, ontdekten ze dat eerdere GWAS-inspanningen nog lang niet waren verspild, omdat ze ontdekten:

• 76% van de niet-coderende regiovarianten die verband houden met ziekten liggen binnen of nauw verbonden met regulerend DNA, suggererend dat veel ziekten worden veroorzaakt door veranderingen in wanneer, waar en hoe proteïne-coderende genen worden ingeschakeld in plaats van mutaties van de genen zelf.


• 88% van de regulerende regio's die DNA-varianten gekoppeld aan ziekten hebben, zijn actief in de vroege stadia van de menselijke foetale groei. Hoewel veel van hen gebonden zijn aan ziektes die zich voordoen in de volwassenheid, suggereren de ENCODE-ontdekkingen wat zich voor de geboorte afspeelt op het circuit van het genoom kan de kansen op het krijgen van een ziekte veel later in het leven beïnvloeden.


• DNA-mutaties gekoppeld aan specifieke ziekten lijken op te treden in specifieke secties van korte DNA-codes die worden gelezen door eiwitten die processen van die ziekten reguleren of de organen of cellen die de ziekten beïnvloeden. Mutaties die voorkomen met diabetes hebben bijvoorbeeld de neiging zich te bevinden in de DNA-codes die worden gebruikt door eiwitten die het suikermetabolisme en de insulinesecretie reguleren. En mutaties die zijn gekoppeld aan auto-immuunziekten zoals multiple sclerose, astma en lupus, komen vaak voor in DNA-codes die specifiek worden gelezen door eiwitten die de immuunfunctie reguleren.


• Veel ziekten die men als niet-gerelateerd zou kunnen beschouwen, lijken gemeenschappelijke regulatorische circuits in het genoom te delen. Deze omvatten ziekten van het immuunsysteem, bepaalde kankers en een reeks neuropsychiatrische stoornissen.


• Duizenden varianten die verband houden met de ziekte die werd gevonden in GWAS-onderzoeken die eerder waren genegeerd, werden ook significant bij onderzoek via de lens van regulerend DNA. Deze zijn zeer selectief gelokaliseerd in regulerend DNA van ziektespecifieke celtypen.


• Een verrassende bevinding was dat de regulerende DNA-kaarten kunnen helpen bij het lokaliseren van celtypen die een rol spelen bij specifieke ziekten, zonder te hoeven weten hoe de ziekte werkt. Er zijn bijvoorbeeld genetische varianten die verband houden met de ziekte van Crohn, een veel voorkomende vorm van inflammatoire darmaandoening, die de wetenschappers vonden in de regulerende regio's van twee soorten immuuncellen: dezelfde typen die onderzoekers vroeger tientallen jaren nodig hadden om aan de ziekte van Crohn te linken.

Conservering van nucleotiden

De ENCODE-onderzoekers keken ook naar de bouwstenen van DNA, de nucleotiden A, T, C en G, en hoe ze werden bewaard in de nieuw in kaart gebrachte reguleringsgebieden. Geconserveerd betekent dat ze niet zijn veranderd gedurende lange perioden van evolutie. De wetenschappers kunnen dit zien door variabiliteit in die DNA-regio's binnen en tussen soorten te analyseren.
Kellis en zijn collega's publiceerden onlangs een artikel waarin werd aangetoond dat 5% van het niet-coderende DNA in zoogdieren wordt geconserveerd.

In een van de ENCODE-documenten die online zijn gepubliceerd in Wetenschap op 5 september onthullen Kellis en Lucas Ward, een postdoctoraal onderzoeker aan het MIT, dat nog eens 4% van het niet-coderende DNA wordt geconserveerd bij de mens, wat suggereert dat die gebieden controle trekken die recent zijn geëvolueerd en waarvan sommige uniek zijn voor mensen.
Veel van de genen in de nieuw geïdentificeerde regulerende gebieden coderen voor regulatoren die andere genen inschakelen, zoals Ward uitlegde:
"Genen die betrokken zijn bij de zenuwgroeipaden en kleurenvisie, waarvan beide zijn verondersteld dat ze recente innovaties in de primatenlijn zijn, zijn verrijkt aan elementen die beperkt zijn tot de mens in niet-geconserveerde regio's."
De wetenschappers ontdekten ook dat de nucleotiden die het meest waarschijnlijk in verband worden gebracht met ziekte wanneer ze gemuteerd zijn, ook de meest geconserveerde waren.
In hun papieren laten ze zien hoe mutaties geassocieerd met auto-immuunziekten zoals lupus en reumatoïde artritis zich bevinden in regio's die alleen actief zijn in immuuncellen. En regio's met varianten gekoppeld aan stofwisselingsziekten zijn alleen actief in levercellen.

Volgende stap

De nieuwe onderzoeken brengen effectief een reeks referentienoten over gemeenschappelijke menselijke genoomfuncties in kaart.
In hun volgende werkfase willen de ENCODE-teams weten hoe variaties leiden tot ziekte, door de kaarten te personaliseren, zoals Kellis uitlegt:
"... om in principe te vragen hoe ze van nature verschillen tussen individuen, door verschillende celtypen van verschillende mensen te profileren en hoe hun variatie zich verhoudt tot menselijke ziekten en complexe menselijke eigenschappen."
Geschreven door Catharine Paddock PhD