Functional Consequences of Variable Tandem Repeats within the Yeast Cyc8 Transcriptional Regulator

Ons genoom op de vuilnisbelt

Elk levend wezen heeft zijn eigen blauwdruk, het genoom. Hierin staat alle nodige informatie om een cel te maken, namelijk de genen. Deze beschrijven hoe proteïnen gemaakt worden welke vervolgens hun functie in de cel vervullen. Echter tussen al deze vitale info zit veel non-sense. Maar liefst 80% van ons genoom bestaat uit DNA waarvan we niet weten wat het doet. We noemen het rommel- of junk DNA. Maar waarom is het er? Evolutie dicteert dat eigenschappen verdwijnen als ze niet bijdragen aan de overleving van het organisme. Kijk naar ons staartbeentje: een gedegradeerde staart die voor mensapen niet meer nuttig was. Dus dat wij mensen en alle andere organismen rondzeulen met zo’n enorme hoeveelheden nutteloos DNA, lijkt onwaarschijnlijk. Is dit raadselachtig DNA daadwerkelijk rommel? Recent onderzoek probeert deze vraag op te lossen.

Vinyl

De term junk DNA ontstond in de sixties en net als de oude vinylplaten van ma en pa lag het een lange tijd stof te vangen. Wel waren er verschillende soorten junk bekend, onder andere de tandem repeats (TR). Dit zijn kop-staart herhalingen van eenzelfde stukje DNA. Het enige wat we wisten was dat deze herhalingen snel muteren, door langer of korter te worden bij het kopiëren. Tot 1993. Na jaren van onderzoek waren wetenschappers er eindelijk in geslaagd de oorzaak van een mysterieuze ziekte te ontrafelen. Huntington syndroom is een neurodegeneratieve aandoening, lees als: je hersenen kwijnen weg en dit wordt na jaren van aftakeling je dood. Een prettig vooruitzicht is het niet en daarom werd wanhopig gezocht naar de oorzaak ervan. De onderzoekers toonden aan dat de verantwoordelijke een verlengde TR was in een bepaald gen. Wacht eens even? Een stukje rommel zonder functie wordt langer en ineens ben je ziek? Meer zelfs, dit was geen alleenstaand geval. Momenteel staat de teller reeds op meer dan 20 TR-ziekten.

Het beeld van TRs veranderde drastisch. Wat eerst aanzien werd als neutrale stukken DNA veroorzaakte nu ziektes. ‘Rommel’ of ‘ziekmakend’ werden de twee termen onlosmakelijk verbonden met TRs. Hoewel, sommige onderzoekers waren niet tevreden met deze verklaring. Alles wat niet nuttig blijkt, gaat uiteindelijk verloren doorheen de evolutie, geen overbodige bagage in de natuur. Was er toch iets meer aan de hand?

Troebel bier

Studenten en bier, een onafscheidelijk duo. Soms leidt dit echter tot meer dan een kater of gênante momenten the morning after. Zo vaarde dit ook voor een Leuvense student, Kevin Verstrepen. Hij deed onderzoek op een bierlabo -de droom van elke student- en bestudeerde de gisten waarmee we het goddelijke gerstenat brouwen. Pils is doorschijnend en witbier troebel, maar waarom? Na het brouwproces zakken pilsgisten naar de bodem van het brouwvat omdat ze aan elkaar kleven. Witbiergisten doen dit niet en het bier blijft troebel. Verstrepen bestudeerde de proteïnen die de gisten aan elkaar lieten kleven. De genen voor deze kleefproteïnen bevatten TRs. Geen nieuwe vondst, maar wat Verstrepen vervolgens ondernam was iets totaal nieuw.

Ondertussen in Amerika kwam hij op het idee de lengte van deze TRs kunstmatig aan te passen. Kinderspel dankzij de moderne biotechnologie. Zijn giststammen waren genetisch identiek, op de lengte van de TR in het kleefgen na. Gisten met een lange TR zakten naar de bodem omdat ze sterk kleefden (zoals pilsgisten) terwijl gisten met een kort stukje TR bleven rondzweven in hun cultuur (zoals witbiergisten). Hiermee was deze studie een van de eerste experimenten die aantoonden dat TRs wel degelijk een biologische rol kunnen hebben: Gisten die rondzweven groeien sneller dan plakkende, maar de klevers zijn beter beschermd tegen toxische stoffen en andere stress-situaties.

Ok, TRs hebben misschien wel een functie… in gist. Relevant? Meer dan je zou denken! Gistcellen hebben verrassend veel gelijkenissen met menselijke cellen. De algemene werking van de cellen is gelijkaardig en gist deelt veel van dezelfde genen met ons. Tegenwoordig dient gist zelfs als een model voor kanker- en Alzheimeronderzoek. Prof Verstrepen kwam uiteindelijk terug naar Leuven. Ondergetekende zocht nog een plaatsje om zijn masterthesis te schrijven en zo begon een nieuw verhaal.

Vuilnisbelt

Gist heeft ongeveer 5000 genen en dit is nog maar een fractie van het aantal dat wij hebben. Een cel is iets heel complex en op het juiste moment alle vereiste proteïnen maken, is een hele karwei. Deze taak wordt uitgevoerd door de regulatieproteïnen. Opmerkelijk worden TRs vooral in deze genen gevonden en het zijn net deze regulatoren die het in de menselijke TR-ziekten laten afweten. We kunnen er ziek van worden, maar hebben ze ook een functie? Terug naar ons gistmodel.

We vonden een gist regulatiegen met maar liefst drie TRs. Net als Verstrepen maakte ik nu mijn eigen mutante gistbaby’s met verschillende TR-lengtes. Het onderzochte gen regelt voornamelijk stress-responsen, oftewel welke proteïnen de cel moet maken om zich te beschermen in nare situaties. Hieronder vallen ook de kleefproteïnen. Toen we onze gisten lieten opgroeien zagen we iets opmerkelijk: Variaties in de TRs zorgde ervoor dat de gistcellen kleefden of net niet. De lengte van de TRs bepaalde hoe snel gist zijn stressrespons aanschakelde en dit leidde tot meer of minder productie van kleef- en andere stressproteïnen. Hiermee toonden we aan dat variatie in regulator-TRs de expressie van vele ondergeschikte genen kan beïnvloeden.

Deze resultaten geven ons een dieper inzicht in de effecten die TRs kunnen hebben op organismen, gaande van gist tot mensen. Ook geeft het een hint naar de complexiteit van TR-ziekten, daar we merken dat niet één maar verschillende normaal strikt gecontroleerde processen in de cel plots fout lopen. Bovenal toont deze studie echter aan dat onstabiele TRs evolutie kunnen versnellen. Immers, natuurlijke selectie kiest individuen met mutaties die ze beter laten presteren in een bepaalde omgeving. TRs zijn elementen die een enorme hoeveelheid aan deze variatie genereren en dit heel snel. Dit laat organismen toe zich snel aan te passen aan een veranderende omgeving, zoals de bacteriën die ons immuunsysteem proberen te snel af te zijn. Beetje bij beetje herontdekken we de vergeten 80%, maar er blijft nog veel werk over om de hele vuilnisbelt te recycleren.