17 juni

Nieuwe methode om regulatie van genen in individuele cellen te bestuderen

Terug naar nieuws

De groep van Jop Kind heeft een nieuwe methode ontwikkeld die het mechanisme dat genen aan- en uitzet blootlegt. Met deze nieuwe methode ontstaat er meer inzicht in de vorming van verschillende functies die cellen kunnen hebben. Zo kunnen we bijvoorbeeld meer leren over hoe een complex organisme uit een bevruchte eicel worden gevormd, of hoe kankercellen uit gezond weefsel kunnen ontstaan. Deze methode is op 17 juni gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Biotechnology.

Één genetische code, veel verschillende celtypen
Elke cel in ons lichaam bevat hetzelfde DNA, maar de verschillende cellen, zoals huidcellen of spiercellen, hebben allemaal andere functies. Die functies worden bepaald door de stukjes DNA, ofwel de genen, die actief zijn. Actieve genen worden afgelezen, gekopieerd in messenger RNA (mRNA) en omgezet in eiwitten; de functionele bouwstenen van elke cel. Genen kunnen alleen afgelezen worden als de genetische code toegankelijk en zichtbaar is voor een cel. Deze zichtbaarheid wordt grotendeels bepaald door de mate waarin de genen verpakt zijn in zogenaamde eiwitcomplexen, die samen chromatine heten. Losjes verpakte genen kunnen worden afgelezen – sterk verpakte genen niet. De mate van verpakking bepaalt dus de identiteit van een cel. De wetenschappers van de Kind-groep hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee in dezelfde cel zowel de activiteit als de verpakking van genen kan worden bestudeerd. Deze methode zal leiden tot een beter begrip van het reguleren van de activiteit van genen, en zal ons bijvoorbeeld meer leren over hoe een complex organisme, bestaande uit veel cellen met verschillende functie, kan ontstaan uit een enkele bevruchte eicel.

Cel-identiteit bepalen door mRNA te meten
De functie en identiteit van elke cel kan bepaald worden door te kijken welke mRNA moleculen een cel produceert. Echter, de sleutel tot nieuwe inzichten in het ontstaan van celtypen, ligt in het beter begrijpen van de mechanismen die genen aan- en uitschakelen door middel van het verpakken van het DNA in chromatine. Het in- en uitpakken van genen wordt bepaald door specifieke eiwitten. Door het tegelijk bestuderen van de activiteit van een gen (de mRNA moleculen) en met de eiwitten die de verpakking van dat gen bepalen, krijgen we nieuwe inzichten in het aan- en uitschakelen van genen. Eerder bestond er geen methode om beide metingen in dezelfde cel uit te voeren.

Nieuwe methode
Wetenschappers van de groep van Jop Kind hebben nu een methode ontwikkeld waarmee voor het eerst de gen-activiteit en het type verpakking gemeten kunnen worden in een enkele cel. De meting gebeurt op basis van een moleculair stempel-mechanisme, genaamd DamID. Het DNA wordt daarmee bestempeld op de plekken waar de eiwitten zitten. Door de positie van de stempel op het DNA uit te lezen en tegelijkertijd het mRNA van de cel te meten, kan nu voor het eerst de regulatie van gen-activiteit in één cel bestudeerd worden.

Het lichaam bestaat uit verschillende celtypes die ieder een gespecialiseerde functie vervullen. Hoewel deze cellen van elkaar verschillen in uiterlijk en functie, delen ze toch precies dezelfde genetische blauwdruk: het DNA. Het verschil tussen cellen ontstaat doordat verschillende delen van het DNA actief zijn en worden gebruikt om mRNA te maken, bijvoorbeeld het paarse gedeelte in het neuron en het rode gedeelte in de hartcel. Welke delen van het DNA actief zijn wordt gereguleerd door speciale eiwitten die het DNA stevig verpakken of het juist toegankelijk maken. Deze combinatie van eiwit en DNA heet chromatine. De methode die wij hebben ontwikkeld, scDam&T-seq, combineert twee technieken om van één enkele cel twee verschillende resultaten te krijgen: DamID om te ontdekken welke delen van het DNA worden gereguleerd door een specifiek eiwit, bijvoorbeeld een eiwit dat de verpakking van het DNA reguleert, en CELseq om te detecteren welke genen actief zijn in de cel.

Toepassingen van de methode
Deze nieuwe methode biedt vele nieuwe onderzoeksmogelijkheden. Zo kunnen we meer inzicht krijgen in de embryonale ontwikkeling uit een bevruchte eicel, en hoe tijdens die ontwikkeling een complex organisme met verschillende celtypen en -functies kan ontstaan. Verder biedt deze methode veel mogelijkheden om beter te begrijpen hoe kankercellen kunnen ontstaan uit gezond weefsel.


Publicatie
Simultaneous quantification of protein–DNA contacts and transcriptomes in single cells. Koos Rooijers, Corina M. Markodimitraki, Franka J. Rang, Sandra S. de Vries, Alex Chialastri, Kim L. de Luca, Dylan Mooijman, Siddharth S. Dey and Jop Kind. Nature Biotechnology 2019.

 

 

Jop Kind is groepsleider bij het Hubrecht Instituut en Oncode Investigator.