Epigenetica

Nederlandse en uitgebreidere versie van: http://www.sciencemediacentre.org/wpcontent/uploads/2013/04/Epigenetics.pdf

bewerkt door Jan Kooter (Vrije Universiteit, Amsterdam)

Bron: Lesmateriaal bij Stempelset DNA, door VU en HU.

Epigenetica

Wat is epigenetica ?

De term is voor het eerst gebruikt door de ontwikkelingsbioloog Conrad Waddington in de jaren 40 van de vorige eeuw als een metafoor voor de embryonale ontwikkeling. Dit om aan te geven dat cellen die allemaal hetzelfde DNA bezitten, in staat zijn verschillende beslissingen te nemen, m.a.w.  hun genen of althans een deel daarvan anders tot expressie te brengen. Hij introduceerde ook de term 'epigenetic landscape' waarmee de vele differentiatiemogelijkheden en celtypes werden aangeduid.

Echter, een waterdichte definitie van epigenetica die alle observaties omvat, is lastig zo niet onmogelijk. Vaak lees je de definitie dat epigenetica "de studie is van 'overerfbare' veranderingen in cellen die optreden zonder veranderingen in de basenvolgorde van het DNA, genetische code". Als je deze definitie strikt hanteert dan zou de celfysiologie ook tot het domain van epigenetica behoren wat (nog) niet zo is. Maar het zal duidelijk zijn dat genexpressie ook bepaald worden door celfysiologische processen. Kortom, een strikte definitie in één zin is nauwelijks mogelijk en voor de praktijk niet nuttig.

Om het eenvoudig te houden is het raadzaam aandacht te besteden aan de term 'Epi' in het woord epigenetica, wat je kunt interpreteren als 'boven op' de genetica, vrij vertaald: 'toegevoegd aan het DNA'.  Dan kun je ook spreken over de vorm van deze extra informatie die toegevoegd wordt aan DNA. Er zijn er twee : 1) de chemisch modificatie van de DNA basen;  2) de eiwitten die direct of indirect aan DNA gebonden zijn en de chemische modificatie van deze eiwitten.

De combinatie van DNA en deze eiwitten wordt 'chromatine' genoemd. Via veranderingen in de chromatinestructuur, kan de activiteit van genen en andere onderdelen van chromosomen gestuurd en gecontroleerd worden. Epigenetica houdt zich dus bezig met chromatinestructuur en de veranderingen daarin die optreden bij het reguleren van genexpressie.

Tijdens normale somatische celdeling kan deze informatie doorgegeven worden aan dochtercellen, en afhankelijk van het organisme, in zekere mate ook tijdens de meioise bewaard blijven en in de nakomelingen terecht komen.

Hoe werkt het Epigenetica?

Genen worden aan- of uitgeschakeld door middel van een wijzigingen in de informatie die aan DNA is toegevoegd, de chromatinestructuur.

Er wordt nog veel onderzoek gedaan naar de verschillende mechanismen waarmee epigenetische veranderingen plaatsvinden, maar de belangrijkste die tot nu toe zijn geïdentificeerd, zijn:

• Wijziging van DNA door methylering
• Wijziging van eiwitten die betrokken zijn bij de verpakking van het DNA tot chromosomen. De best begrepen eiwitten in dit verband zijn de histonen die naast hun functie als 'verpakkingsmateriaal' om er voor te zorgen dat de 2 meter DNA van een mensencel in een kern past, ook op verschillende manieren chemisch veranderd kunnen worden. Actieve en inactieve genen bezitten andere en daardoor karakteristieke chromatinestructuren.
• (Voor de volledigheid:Binding van niet-coderende RNA aan specifieke DNA -sequenties)

Wat is het verschil met genetica ?

Genetica is gebaseerd op de studie van de genetische code - de DNA base volgorde - dat gezien wordt als de 'blauwdruk' van het leven. Het is een relatief saai molecuul dat, gelukkig, nauwelijks veranderd. Veranderingen treden voornamelijk op tijdens DNA replicatie. Fouten die daarbij optreden, de mutaties, hebben wel of geen gevolg voor het organisme. Naast de genen heeft het genoom  basenvolgordes die bepalen wanneer een gen actief moeten zijn en wanneer niet. Het zijn juist deze stukken DNA en hun chromatinestructuur, ook wel regulerende DNA elementen of promoters genoemd, die de epigenetische veranderingen ondergaan en waarmee genen aan- of uitgezet worden. Doordat verschillende sets van genen aan/uitgezet worden tijdens het celspecialisatie- proces (=celdifferentiatie), krijgen we de bekende celtypes en weefsels. De epigenetica levert dus de moleculaire ingrediënten om dergelijke differentiatie en ontwikkelingvormen mogelijk te maken. Omdat het saaie DNA juist de herkenningsplaatsen geeft waar de veranderingen in het genoom moeten worden aangebracht, kan epigenetica en genetica niet los van elkaar worden gezien. 

Net zoals bij het Humane Genoom Project waarbij de basenvolgorde van het menselijke genoom centraal stond, is er nu veel aandacht voor het Humane Epigenoom waarbij men zich richt op het in kaart brengen van de epigenetische modificaties van het DNA en van het chromatine in verschillende celtypen en weefsels, maar ook dat van afwijkende cellen, waaronder kankercellen.

Waarom is epigenetica en epigenetisch onderzoek belangrijk ?

Ten eerste om te begrijpen welke andere vormen van informatie dan alleen de basenvolgorde van DNA, verbonden is met DNA en hoe deze informatie in de vorm van een bepaalde chromatinestructuren of DNA-modificaties overerfbaar is en eventueel doorgegeven kan worden aan nakomelingen.

Een tweede belangrijke reden is dat de DNA- en eiwitmodificaties bijna allemaal omkeerbaar zijn. Ze kunnen worden aangebracht en ook weer verwijderd. Dit houdt in dat epigenetische informatie dynamisch is terwijl genetische informatie vast ligt en statisch is. Onder normale omstandigheden wordt deze dynamiek nauwkeurig gestuurd en gecontroleerd. Het omkeerbare karakter van epigenetische informatie heeft echter als nadeel, dat het ook gevoelig is voor omgevingsfactoren, toxines in onze leefomgeving, levensstijl, drugsgebruik, stress, voeding, gedrag, etc. waarmee de expressie van onze erfelijke eigenschappen op subtiele manieren beïnvloed kan worden. Een relatief korte blootstelling aan een 'signaal' zou via een epigenetisch mechanisme wel eens voor lange tijd kunnen worden vastgelegd.  

Een andere belangrijke reden om epigenetisch onderzoek serieus te nemen is dat afwijkende epigenetische veranderingen betrokken zijn bij een breed scala aan ziekten, waaronder kanker, psychische, en andere ziekten. Het is natuurlijk bekend dat mutaties in de genetische code kan resulteren in ziekte, maar het blijkt dat afwijkingen in genexpressie als gevolg van epigenetische veranderingen net zo goed verantwoordelijk kunnen zijn voor bepaalde ziekteprocessen. Kennis van deze ziektemakende epigenetische veranderingen is belangrijk voor de diagnostiek maar ook voor de behandeling. Voor het laatste is het dan ook een voordeel dat epigenetische informatie omkeerbaar en te veranderen is. In theorie zou het mogelijk moeten zijn om met specifieke medicijnen deze processen te beïnvloeden en daarmee afwijkende genexpressie te corrigeren. De farmaceutische industrie heeft dan ook grote belangstelling voor epigenetica omdat met de kennis van de mechanismen nieuwe medicijnen ontwikkeld kunnen worden.

Belangrijke termen en concepten

DNA-methylering

Een type chemische modificatie van DNA die kan worden aangebracht en verwijderd zonder de oorspronkelijke DNA-base volgorde te wijzigen is het plaatsen van een methylgroep (CH3) op een base. Bij de meeste dieren is dit methylering van de base cytosine (C) en wel de C die naast een Guanine zit. Men spreekt ook wel van CpG methylering. Dat juist '5-CpG-3' gemethyleerd wordt en niet bijv. 5'-CpA-3', heeft te maken met de 'overerfbaarheid' van deze modificatie. Na DNA replicatie is de CpG in de nieuw gesynthetiseerde DNA streng nog ongemethyleerd maar wordt de methylering van de template streng gebruikt om deze nieuwe CpG te methyleren. Dit gebeurt door DNA methyltransferases (DNMTs) die juist actief zijn tijdens de DNA replicatie. Het methyleringspatroon van de nieuwe dubbele helix is dus een kopie van de oude helix.

Een regel is dat als bij genen de CpGs van regulatorgebieden -promoters of enhancers- gemethyleerd zijn, dan is het gen inactief. Er is een hele collectie genen in bijv. zoogdieren waarbij deze vorm van gen-inactivatie tot het normale regulatiemechanisme behoort. Er zijn echter ook afwijkende vormen van promotermethylering. Voorbeelden daarvan zijn te vinden bij kanker. Alhoewel kanker ten eerste gezien moet worden als een genetische ziekte veroorzaakt door DNA veranderingen (mutaties), wordt bij kanker ook gevonden dat de expressie van bepaalde genen niet meer gebeurt als gevolg van promoter-methylering en inactieve vormen van chromatine.

Tijdens de embryonale ontwikkeling van zoogdieren en de vorming van geslachtscellen wordt het methyleringspatroon van het genoom 'geherprogrammeerd'. Het genoom wordt grotendeels gedemethyleerd en vervolgens weer gemethyleerd. Het DNA van de geslachtscellen krijgt een man- of vrouw specifiek patroon tijdens de gametogenese. Er zijn aanwijzingen dat juist op deze momenten het epigenoom gevoelig is voor verbindingen die epigenetische processen kunnen beïnvloeden.

Histonen en hun modificaties

Histonen behoren tot de belangrijkste eiwitten van het chromatine. Er zijn verschillende types bekend, waaronder H2A, H2B, H3 en H4. Twee van elk type, dus in totaal 8 histon-eiwitten, vormen samen een 'nucleosoom'  met rond de histon-octameer zo'n 150 bp DNA gewikkeld. Nucleosomen hebben minimaal twee functies: (1) compact maken van het DNA, en (2) een functie als 'chemische informatiedrager', waarmee bedoeld wordt een bepaalde chemische modificatie op één of meer histon-eiwitten van een nucleosoom. Het gemodificeerde histon wordt vervolgens herkend door andere eiwitten die op hun beurt weer instructies geven aan andere eiwitten. Deze modificaties zijn uiterst belangrijk voor het reguleren van gen-expressie. De bekendste modificaties zijn acetylering, methylering , ubiquitinering en fosforylering, en sumoylering. Bijna 100 verschillende vormen van wijzigingen aan histonen zijn bekend.

Transcriptie

Genen

RNA synthese in een cel vindt niet plaats van 'naakt' DNA, maar van DNA dat verpakt is in nucleosomen en chromatine. Deze structuur werkt remmend op transcriptie. Om transcriptie van een gen toch te laten starten, is de hulp nodig van zg. transcriptie-factoren. De DNA-bindende transcriptiefactoren assisteren RNA polymerase om aan het begin van het gen geplaatst te worden. Voordat dit gebeurt, moet echter de chromatinestructuur van de promoter en het begin van gen 'opener' gemaakt worden. Via chemische modificatie van histonen in de nucleosomen wordt dit uiteindelijk bereikt. De type histonmodificaties van actieve genen zijn dan ook anders dan die van inactieve genen. Voor genregulatie is het dus essentieel dat de enzymen die de histonmodificaties in het chromatine van de promoter en van het gen aanbrengen, naar de juiste plaatsen worden gedirigeerd, wat gebeurt via eiwit-eiwitinteracties . De moraal van dit verhaal is dat regulatie van transcriptie voor een belangrijk deel een epigenetisch proces is, maar waarvan de aanzet gegeven wordt door DNA-bindende transcriptiefactoren die de plaats selecteren waar dit moet gebeuren: Genetica stuurt de epigenetica.

Junk DNA

Ons genoom bevat veel DNA dat potentieel gevaarlijk is. Als deze stukken DNA actief zouden zijn, zouden mutaties ontstaan en zou een chromosomen 'instabiel' worden. Om dit te voorkomen, worden deze stukken DNA zo inactief mogelijk gehouden via epigenetische mechanismen. Methylering van DNA en specifieke histonmodificaties in het chromatine maken het DNA ontoegankelijk voor DNA-bindende transcriptiefactoren en RNA polymerases en verhinderen daarmee transcriptie en activering van deze parasitaire stukken DNA.

Gen-expressie

Gen-expressie verwijst naar de activiteit van een gen. Als een gen tot expressie komt dan levert het een mRNA op dat in een eiwit vertaald kan worden. Elk celtype heeft naast een collectie dezelfde genen die tot expressie komen ook een collectie die uniek is voor dat celtype. Verschillen tussen de unieke collecties geven de verschillende celtypes en weefsels. Deze zg. 'differentiële' genexpressie wordt gestuurd door epigenetische processen: Gen-specifieke veranderingen in chromatine structuur waardoor het RNA polymerase het begin van gen kan opzoeken, daaraan binden, en vervolgens het gen kan transcriberen in RNA. Genen die niet tot expressie moeten worden gebracht, hebben histonmodificaties die transcriptie juist verhinderen.

Writers  -  Readers  -   Erasers

Het moge duidelijk zijn dat histonmodificaties de activiteit van genen en andere onderdelen van een genoom reguleren. DNA-bindende transcriptiefactoren selecteren de plaatsen waar en welke modificaties aangebracht of verwijderd dienen te worden.

• De enzymen die histonen modificeren, het acetyleren, phosphateren, methyleren, ubiquitineren, etc. worden de WRITERS genoemd. Zij beschrijven het chromatine met epigenetische informatie.
• In veel gevallen worden de gemodificeerde histonen herkend door eiwitten die op hun beurt weer een functie hebben in transcriptie, het inactief houden van DNA, het RNA polymerase in staat stellen om RNA te synthetiseren, etc. Dergelijke eiwitten lezen de modificatie als het ware en worden daarom de READERS genoemd
• Zoals in het voorgaande is uitgelegd, zijn histonmodificaties omkeerbaar. Ze kunnen worden verwijderd door specifieke enzymen, die ERASERS worden genoemd.

'Ouderlijke imprinting' of 'Genoom imprinting'

Onze cellen zijn diploïde en bezitten voor elk gen twee allelen. De genen op de geslachtschromosomen X en Y vormen hierop een uitzondering. Van bijna alle genen kan worden aangetoond dat beide allelen actief zijn en getranscribeerd worden. Er is echter een kleine collectie genen bij placentale zoogdieren, de 'imprinted genen' (schatting is 100-200), waarvan slechts één van de twee allelen actief is. De andere is inactief en levert geen mRNA op. Welke van de twee actief is en welke inactief, is al bepaald tijdens de vorming van cellen die uiteindelijk in de ouders de geslachtscellen gaan leveren. Deze vorm van mono-allelische expressie is dus ouderafhankelijk. Wat wordt hiermee bedoeld? Bij de vorming van geslachtscellen, krijgt het allel in de voorlopers van spermacellen een ander epigenetisch 'patroon' dan het allel in de voorlopers van het eicellen. Bij de vrouw wordt het allel dus anders gemarkeerd, ook wel imprinted genoemd, dan bij de man. Het allel in de ontwikkelende eicel, bijvoorbeeld, kan dus gemethyleerd zijn en histonmodificaties dragen die transcriptie blokkeren. Het allel in de ontwikkelende spermacel is niet gemethyleerd en krijgt histonmodificaties die later transcriptie  wel toelaten. Bij de bevruchting komen de twee epigenetisch verschillende allelen bij elkaar waarna in de cellen van de ontwikkelende embryo of in de placenta, slechts één van de twee allelen getranscribeerd wordt en een eiwit oplevert. In het voorbeeld zal dit het allel zijn dat afkomstig is van de vader. Op deze manier krijg je dus de helft van het eiwit geproduceerd van wat mogelijk is als beide allelen actief zouden zijn. Het is dit resultaat van verminderde productie van het eiwit wat biologisch relevant is en waarop blijkbaar geselecteerd is tijdens de evolutie. Belangrijke vragen hierbij zijn: wat is er zo speciaal aan het eiwit dat maar van één allel gemaakt wordt, en waarom komt het ene eiwit alleen van het 'moeder' allel, en een ander eiwit dat via ouderlijke imprinting wordt gecontroleerd, alleen van het 'vader' allel? Als je kijkt naar de functies van de verschillende eiwitten dan kan globaal worden gezegd dat de eiwitten die afkomstig zijn van 'vaderlijke' (paternale) allelen, dus via het sperma zijn geleverd, groei van de embryo stimuleren, en dat eiwitten die van moederlijke ('maternale') allelen worden gemaakt, groei van de embryo remmen. Er is dus een zekere strijd gaande tussen de geslachten die voor een balans zorgt tussen embryonale groei dat gestimuleerd lijkt te worden door de vader,  en de lichamelijke kosten die door de moeder geleverd moeten worden om de embryo te kunnen laten groeien. En niet onbelangrijk, de baby moet ook nog geboren kunnen worden wat beperkingen aan zijn grootte met zich meebrengt.

Transgenerationele epigenetische effecten

De overdracht van informatie, en daarmee bepaalde eigenschappen, van ouders naar kinderen en mogelijk naar kleinkinderen dat niet in de DNA basenvolgorde zit. Als dit wordt gevonden denkt men al snel aan de epigenetische informatie in de vorm van DNA methylering en histonmodificaties, die wordt doorgegeven.

Transgenerationele eigenschappen staan enorm in de belangstelling maar er moet wel bij gezegd worden dat bij zoogdieren er slechts een paar studies zijn die epigenetische overerving ondersteunen.

Epigenetica en kanker

• Afwijkende genfuncties door genetische veranderingen (mutaties) en veranderde genexpressie patronen a.g.v. afwijkende epigenetische patronen, zijn de belangrijkste kenmerken van kanker en lijken samen te werken in alle fasen van het ontstaan van kanker. Hierbij moet men denken aan afwijkende expressie van z.g. tumorsuppressor genen en proto-oncogenen. Onder normale omstandigheden wordt de expressie van deze genen strikt gereguleerd en wordt tumorvorming voorkomen. Als echter een tumorsuppressorgen geïnactiveerd wordt door een 'verkeerde' DNA methylering dan wordt de cel waarin dit gebeurt gevoeliger voor DNA schade wat de eerste stap kan zijn in de vorming van een tumorcel.
   
• Epigenetische veranderingen leiden tot veranderde chromatinestructuren met een breed scala aan effecten. Als dit niet goed wordt gestuurd resulteert het in afwijkende inactivering van bijvoorbeeld tumorsuppressorgenen en celcyclus-controle genen. Het kan ook leiden tot instabiliteit van het genoom waardoor chromosoombreuken ontstaan, en fouten bij DNA replicatie en de mitose optreden. 
   
• Remmers van twee epigenetische processen, histon-deacetylering en DNA-methylering, worden al gebruikt in de behandeling van bepaalde kankers. Een probleem is echter de specificiteit van dergelijke geneesmiddelen.