de Laat: Biomedische genetica

Organisatie en genexpressie in de celkern

In het genoom van een zoogdier bevinden zich miljoenen niet-coderende sequenties. Deze hebben een mogelijke functie als transcriptiefactor die de genexpressie kunnen verhogen of juist verlagen. De De Laat groep probeert te begrijpen hoe deze duizelingwekkende hoeveelheid genetisch materiaal functioneel is gekoppeld aan de ongeveer twintigduizend bestaande genen, zodat hun expressie zich voltrekt in de goede tijd en plaats, en hoe fouten in dit proces kan leiden tot ziekte.

Met dank aan het werk van vele onderzoekers, waaronder die uit onze eigen groep, wordt de vorm van het genoom nu gezien als een belangrijke speler bij de controle van het aflezen van genetisch materiaal. Vooral de Chromosome Conformation Capture (3C)-technologieën hebben bijgedragen aan dit gegeven, en hebben een hiërarchische organisatie van het genoom aan het licht gebracht, die samenhangt met de regulatie van genexpressie. Enhancers, stukjes niet-coderende informatie in het genoom die de expressie van genen reguleren, beïnvloeden hun doelgenen door middel van 3D-chromatinelooping. Deze enhancers en loops zijn geordend in topologically associating domains (’topologisch geassocieerde domeinen’, TADs): micro-omgevingen waarin genen en regulatoire elementen met elkaar in contact komen. In een groter verband clusteren deze TADs in actieve (A) en inactieve (B) compartimenten. Deze kunnen ook weer worden opgedeeld in subcompartimenten met elk een afzonderlijke opbouw van chromatine.

Eerder werk

Het grootste deel van ons onderzoek is gebaseerd op het begrijpen van genregulatie bij ontwikkeling en ziekte (b.v. kanker) en hoe dit wordt gecontroleerd door enhancers, niet-coderende regulatoire DNA-elementen, die op het lineaire chromosoom vaak niet in de buurt van de bijbehorende genen liggen. Eerder waren wij de eersten die de 3C-technologie aanpasten voor onderzoek naar DNA-topologie bij zoogdieren, en die aantoonden dat enhancers en promoters die ver van elkaar liggen elkaar beïnvloeden bij het reguleren van genen (Tolhuis, Mol Cell 2002; Palstra, Nat Genetics 2003). We waren ook de eerste onderzoeksgroep die aantoonden dat transcriptiefactoren chromatineloops mediëren (Drissen, Genes and Dev 2004). In 2006 waren wij de eersten die aantoonden dat CTCF chromatineloops vormt (Splinter, Genes and Dev 2006) en publiceerden wij de inmiddels veel gebruikte 4C-technologie (Simonis, Nat Genetics 2006).

De afgelopen tien jaar hebben wij belangrijke bijdragen geleverd aan dit onderzoeksveld:

• We leverden het eerste bewijs dat niet-coderende RNA-moleculen de topologie van chromosomen kunnen veranderen (Splinter et al., Genes and Dev 2011).
• We leverden het eerste genetische bewijs in zoogdieren dat een enhancer een gen op een ander chromosoom kan transactiveren, en dat celspecifieke 3D-genomen kunnen bijdragen aan transcriptionele ruis (Noordermeer, Nat Cell Biol 2011).
• We lieten zien dat ES-cellen een unieke genetische conformatie aannemen die is georganiseerd rond pluripotentie-factoren (de Wit, Nature 2013).
• We identificeerden pericentromeric associated domains (PADs) en lieten zien dat ze sterk lijken op lamin associated domains (LADs) (Wijchers, Mol Cell 2016).
• We lieten zien dat de DNA-bindingspolariteit van CTCF belangrijk is voor de vorming van chromatineloops (de Wit, Mol Cell 2015).

Een kenmerk van ons onderzoek is dat we, naast onze basale studies naar genregulatie in het driedimensionale genoom, manieren onderzoeken om onze expertise en technieken naar de kliniek te brengen.

• We waren de eersten die lieten zien dat 3C-technologieën geschikt zijn voor de identificatie van structurele chromosomale herverdelingen (Simonis, Nat Methods 2009; Homminga, Cancer Cell 2011).
• Samen met Cergentis, onze spin-off, ontwikkelden wij de TLA-technologie. Dit is een nieuwe methode waarmee genen gesequenced kunnen worden. Met TLA kunnen we het complete spectrum van genetische variatie identificeren, inclusief mutaties in kankergenen die eerder werden gemist (de Vree, Nat Biotech 2014).
• We gebruikten TLA voor de ontwikkeling van een niet-invasieve prenatale diagnostische test voor monogene ziekten (Vermeulen, AJHG 2017).

Samenvattend heeft ons werk inzichten geleverd in genoomstructuren en genregulatie, en heeft het genomics-technieken opgeleverd die veel worden gebruikt in de onderzoeksgemeenschap. Wij verkennen de toepassing van deze nieuwe technologieën in de klinische diagnostiek, wat heeft geleid tot de oprichting van biotechbedrijf Cergentis.