Ontwikkelen van nieuwe tools voor het bestuderen van epigenetica in enkele cellen en DNA-moleculen – Promotie Joe Verity-Legg

Ieder mens begint als een enkele cel, de bevruchte eicel. Deze cel deelt zich heel vaak en de nieuwe cellen specialiseren zich tot weefsels. De blauwdruk voor het maken van cellen zit in ons DNA. De eerste cel heeft toegang tot alle informatie die nodig is om een mens te maken, maar naarmate de cel zich deelt, wordt de toegang tot een deel van die informatie beperkt. Dit is vergelijkbaar met vakken laten vallen op school: als je biologie laat vallen, word je waarschijnlijk geen bioloog. Zo ook is de kans kleiner dat een cel een spiercel wordt naarmate deze de toegang tot deze informatie in het DNA verliest.

De functie van een cel wordt bepaald door welke genen aan of uit staan. Een manier om dit te regelen is via epigenetica. Epigenetica bestaat uit meerdere lagen, bijvoorbeeld chemische modificatie van DNA of eiwitten die histonen worden genoemd en waar het DNA omheen is gewikkeld. Deze lagen kunnen elkaar afwisselen en zo complexe netwerken vormen die genen reguleren. Hoewel bekend is dat deze lagen bestaan, is nog niet volledig bekend hoe de lagen werken of hoe ze met elkaar samenwerken. Dit komt deels doordat de technologie die nodig is om dit te onderzoeken nog niet was uitgevonden.

Chime

“Het is een kwestie van voortbouwen op het werk van anderen. Je moet veel technologieën combineren en die technologieën zijn nog erg jong en nieuw. Om al die informatie uit één cel te halen, heb je zeer gevoelige technologie nodig,” legt Verity-Legg uit. Met dit gedachte creëerde hij tijdens zijn promotieonderzoek een nieuwe tool, die hij ChIMe-seq noemde.

Deze tool kan worden gebruikt om drie lagen van epigenetische modificatie te meten: DNA-methylatie, histonmodificatie en nucleosoompositionering. Met ChIMe-seq kunnen onderzoekers deze lagen tegelijkertijd meten in individuele cellen of zelfs in individuele stukjes DNA. “Door al deze epigenetische lagen tegelijkertijd te meten, krijgen we een beter beeld van hoe ze met elkaar samenwerken,” legt Verity-Legg uit.

Toeters en bellen?

Maar waarom is het zo belangrijk om deze lagen tegelijkertijd in individuele cellen of stukjes DNA te meten? Epigenetica wordt vaak in veel cellen tegelijkertijd bestudeerd omdat huidige technieken niet gevoelig genoeg zijn om individuele cellen te meten. Dit heeft echter enkele nadelen. “Elke cel is net iets anders. Als je een miljoen cellen tegelijk bestudeert, zie je alleen maar een gemiddelde,” legt Verity-Legg uit, “alleen de grootste verschillen tussen de groepen zijn zichtbaar en er gaat veel informatie verloren.”

ChIMe-seq kan daarentegen alle individuele epigenetische modificaties binnen één cel of stukje DNA laten zien en de interacties tussen epigenetische lagen. “De toegevoegde waarda van ChIMe-seq is dat je kunt zeggen dat twee processen zeker met elkaar verband houden, omdat ze in één cel of stukje DNA plaatsvinden,” zegt Verity-Legg.

Ontwikkeling en ziekte

Tijdens zijn PhD gebruikte Verity-Legg ChIMe-seq in gastruloïden, een model voor het bestuderen van vroege embryonale ontwikkeling. Hij ontdekte dat twee afwisselende systemen voor het uitschakelen van genen helpen bij het reguleren van vroege differentiatie van cellen. “DNA in embryonale cellen is in het begin bedekt met één epigenetische modificatie die verband houdt met genen die zijn uitgeschakeld, maar klaar staan om te worden ingeschakeld. Kort daarna, wanneer cellen zich beginnen te specialiseren, wordt een andere modificatie verspreid die vaak gepaard gaat met een meer permanente uitschakeling van genen, waardoor de toegang tot bepaalde delen van het DNA wordt beperkt,” legt Verity-Legg uit.

Verder heeft ChIMe-seq ook geholpen bij het bestuderen van de ziektemechanismen van kanker. Kanker wordt veroorzaakt door genetische en epigenetische veranderingen die leiden tot ongecontroleerde celgroei, wat een kenmerk is van de ziekte. Door epigenetica te onderzoeken, kunnen we mogelijk een manier vinden om dit proces en daarmee kanker te beheersen. “Ik hoop dat dit onderzoek kan bijdragen aan betekenisvolle vooruitgang in het begrip en de behandeling van kanker en andere complexe ziekten bij de mens,” zegt Verity-Legg.

Vrijheid en tegenslag

Wat Verity-Legg het meest waardeerde aan zijn PhD-ervaring, is de vrijheid die hij kreeg om ideeën te onderzoeken uit pure nieuwsgierigheid. Aan de andere kant kan vrijheid ook lastig zijn, zoals blijkt uit een van zijn grootste uitdagingen: planning. “Soms mislukken experimenten en is het niet meteen duidelijk waarom, maar als het uiteindelijk wel lukt, geeft dat enorm veel voldoening,” zegt Verity-Legg. Dat leidt tot zijn advies voor beginnende onderzoekers: “Sommige dingen zullen falen. Faal zo snel mogelijk.”

Eén van Verity-Legg’s inspiraties is zijn samenwerkingen. Hij maakte deel uit van het Marie Curie-netwerk en bezocht veel laboratoria in verschillende steden: Milaan, München, Istanbul, Parijs en meer. “Ik heb altijd genoten van gesprekken over onderzoek met andere wetenschappers. Ik ben begonnen met 14 andere promovendi en we gingen allemaal samen naar symposia en andere evenementen,” blikt Verity-Legg terug.