Chromatine-toegankelijkheid: hoe cellen bepalen welke genen aan mogen staan
Stel je het DNA in een cel voor als een heel lang stuk garen: bij de mens zou het, helemaal uitgerold, ongeveer twee meter lang zijn. Dat garen moet in een celkern passen die duizenden keren kleiner is. Dat lukt doordat het DNA strak wordt opgewonden rond kleine eiwitspoelen, histonen genaamd. DNA plus die histonen samen heet chromatine. Op sommige plekken zit het garen los gewonden, op andere plekken juist muurvast.
Chromatine-toegankelijkheid is de mate waarin zo'n stukje DNA "los" genoeg ligt om afgelezen te kunnen worden door de eiwitten die genen aan- of uitzetten. Vergelijk het met een bibliotheek: sommige boeken liggen open op tafel en kan iedereen zo pakken, andere staan potdicht opgeborgen in verzegelde kratten op zolder. Alleen de opengeslagen boeken kunnen op dat moment gelezen worden — ook al staat alle informatie in principe in elk boek. Zo bepaalt toegankelijkheid van chromatine welke genen een cel op een gegeven moment daadwerkelijk kán gebruiken, ook al bevat elke cel in je lichaam dezelfde volledige DNA-tekst.
Wat is het precies?
Elke cel in je lichaam heeft in principe hetzelfde DNA. Een levercel en een huidcel verschillen niet in hun genetische code, maar wel in welke genen ze aflezen. Dat verschil wordt voor een groot deel geregeld via chromatine: in een levercel liggen andere stukken DNA open dan in een huidcel.
Of een stuk DNA open of dicht ligt, hangt af van hoe strak het om de histonen gewonden zit en van chemische "labels" die op die histonen geplakt kunnen worden (zogeheten histonmodificaties). Daarnaast zijn er speciale eiwitcomplexen, chromatineremodelaars, die actief histonen kunnen verschuiven om DNA open of juist dicht te vouwen. Dit hele samenspel van chemische labels en verpakkingsstructuur, zonder dat de DNA-letters zelf veranderen, valt onder het onderzoeksveld epigenetica.
Om te meten welke delen van het genoom op een bepaald moment toegankelijk zijn, gebruiken onderzoekers laboratoriumtechnieken die selectief inknippen op open plekken. De belangrijkste techniek van dit moment heet ATAC-seq (Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing). Hierbij wordt een knip-enzym, een transposase, op het chromatine losgelaten. Dit enzym kan alleen bij open, toegankelijk DNA komen; op dichtgevouwen plekken wordt het tegengehouden door de histonen. Waar het enzym wél kan knippen, plakt het meteen kleine DNA-"adapters" vast — stukjes DNA die nodig zijn om het geknipte fragment daarna te kunnen aflezen met een sequencer. Door miljoenen van die fragmenten uit te lezen en tegen het genoom te leggen, ontstaat een kaart van welke gebieden open lagen op het moment van meten.
Oudere technieken werkten volgens hetzelfde principe maar met andere gereedschappen: DNase-seq gebruikt een enzym dat DNA in kleine stukjes knipt (DNase I) en dateert al uit de jaren tachtig, terwijl FAIRE-seq gebruikmaakt van chemische fixatie om open DNA te scheiden van dicht verpakt DNA. ATAC-seq is sinds 2013 populairder geworden omdat het minder cellen nodig heeft en sneller uit te voeren is.
Wat wil men ermee bereiken?
Het uiteindelijke doel is beter begrijpen hoe cellen hun identiteit krijgen en behouden, en wat er misgaat bij ziekte. Genmutaties in de DNA-tekst zelf verklaren namelijk lang niet alles: veel ziektes, waaronder de meeste vormen van kanker en veel erfelijke aandoeningen, hangen samen met foutieve regeling van welke genen aan- of uitstaan, zonder dat de onderliggende DNA-letters per se zijn veranderd.
Door chromatine-toegankelijkheid in kaart te brengen, hopen onderzoekers regulatoire schakelaars te vinden — stukjes DNA die zelf geen genen coderen maar wel bepalen wanneer en waar een gen wordt afgelezen. Veel erfelijke ziekterisico's die uit grootschalig DNA-onderzoek naar voren komen, blijken juist in dit soort niet-coderende, regulerende gebieden te liggen. Toegankelijkheidskaarten helpen om te begrijpen wát die gebieden doen.
Een tweede ambitie is het volgen van celontwikkeling: hoe verandert een stamcel stap voor stap in een zenuwcel of hartspiercel? Chromatine-toegankelijkheid verandert vaak eerder dan de uiteindelijke genexpressie, waardoor het een vroeg signaal kan geven over welke richting een cel opgaat. Dat is relevant voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor toepassingen zoals het kweken van cellen of weefsels in het lab.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete mijlpalen en projecten illustreren waar het veld staat:
- ATAC-seq (2013): de techniek werd ontwikkeld door onderzoekers Jason Buenrostro, Howard Chang en William Greenleaf aan Stanford University en gepubliceerd in het tijdschrift Nature Methods. Het maakte metingen van chromatine-toegankelijkheid mogelijk met veel minder cellen dan voorheen nodig was.
- Single-cell ATAC-seq (vanaf 2015): dezelfde onderzoeksgroepen en anderen breidden de methode uit zodat toegankelijkheid gemeten kon worden in individuele cellen in plaats van in een gemiddelde van duizenden cellen tegelijk. Dit maakte het mogelijk om verschillende celtypen binnen één weefsel van elkaar te onderscheiden.
- sci-ATAC-seq bij muizen (2018): de onderzoeksgroep van Jay Shendure aan de University of Washington publiceerde in Cell een grootschalige toegankelijkheidskaart van tienduizenden individuele cellen uit meerdere muizenorganen, met behulp van een combinatorische indexeringsmethode waarmee veel cellen tegelijk goedkoop gemeten konden worden.
- ENCODE-project (doorlopend sinds begin jaren 2000): dit door de Amerikaanse National Institutes of Health gefinancierde consortium brengt systematisch alle functionele elementen van het menselijk genoom in kaart, met chromatine-toegankelijkheid als een van de belangrijkste gemeten eigenschappen, over honderden celtypen en weefsels.
- Human Cell Atlas (gestart in 2016): dit internationale samenwerkingsverband probeert alle celtypen in het menselijk lichaam te catalogiseren; toegankelijkheidsdata wordt hierbij vaak gecombineerd met metingen van welke genen daadwerkelijk worden afgelezen, om celtypen preciezer te definiëren.
Hoe ver is de techniek?
ATAC-seq en verwante technieken zijn inmiddels standaard gereedschap in onderzoekslaboratoria wereldwijd; het is geen experimentele nieuwigheid meer maar een routinematige meting, vergelijkbaar met hoe RNA-sequencing wordt gebruikt om genactiviteit te meten. Commerciële platforms, zoals dat van het bedrijf 10x Genomics, hebben single-cell metingen sinds ongeveer 2018 toegankelijker gemaakt voor labs die niet zelf de complexe protocollen willen ontwikkelen.
Een belangrijke recente ontwikkeling is multiomics: het tegelijk meten van chromatine-toegankelijkheid én genexpressie in dezelfde individuele cel, zodat directer te zien is welke open regio's daadwerkelijk tot geninschakeling leiden. Ook wordt geëxperimenteerd met spatiale versies van de techniek, die toegankelijkheid meten terwijl de positie van cellen in een weefselplakje bewaard blijft.
Toch zijn er reële beperkingen. Single-cell metingen leveren relatief schaarse data per cel op: van elke cel wordt maar een klein deel van het genoom daadwerkelijk gevangen, waardoor statistische trucs nodig zijn om betrouwbare conclusies te trekken. Er is nog geen volledige standaardisatie tussen laboratoria in protocollen en data-analyse, wat vergelijking tussen studies bemoeilijkt. Bovendien is het vertalen van een toegankelijkheidssignaal naar een concreet biologisch mechanisme vaak niet triviaal: dat een gebied open ligt, zegt nog niet precies welk eiwit daar bindt en wat het effect is. Klinische toepassingen — bijvoorbeeld toegankelijkheid gebruiken als diagnostisch hulpmiddel bij kanker — bevinden zich nog vooral in de onderzoeksfase, met een paar experimentele testen die de weg naar de kliniek proberen te vinden.
Wie werken eraan?
Het veld is sterk academisch gedreven, met belangrijke bijdragen van Amerikaanse universiteiten zoals Stanford University (waar ATAC-seq is ontwikkeld), de University of Washington en het Broad Institute (verbonden aan MIT en Harvard). Ook het Allen Institute for Brain Science in Seattle gebruikt de techniek uitgebreid om hersencellen te karakteriseren.
Op instellingsniveau speelt het Amerikaanse ENCODE-consortium, gefinancierd door de National Institutes of Health (NIH), een centrale rol in het systematisch in kaart brengen van toegankelijkheid over celtypen heen. Het internationale Human Cell Atlas-initiatief, met deelnemers uit tientallen landen en gedeeltelijk gefinancierd door de Chan Zuckerberg Initiative, gebruikt de techniek als een van de bouwstenen voor een complete celatlas van het lichaam.
Aan de commerciële kant heeft het Amerikaanse bedrijf 10x Genomics zich ontwikkeld tot een belangrijke leverancier van apparatuur en kits voor single-cell toegankelijkheidsmetingen, wat de techniek toegankelijker heeft gemaakt voor een breder publiek van onderzoekers buiten gespecialiseerde epigenetica-labs. Daarnaast zijn er in Europa en Azië, onder meer in het Verenigd Koninkrijk, Duitsland, Nederland (bijvoorbeeld het Hubrecht Instituut en diverse universitair medische centra) en China, actieve onderzoeksgroepen die de techniek toepassen op eigen ziektemodellen en ontwikkelingsvraagstukken.