Chromatinedomein: de onzichtbare 'wijken' in ons DNA die bepalen welke genen aan of uit staan
Stel je het DNA in een van je cellen voor als een draad van ruim twee meter lang, die opgevouwen moet worden in een celkern die duizenden keren kleiner is dan een speldenknop. Dat opvouwen gebeurt niet willekeurig. Het DNA wordt samen met eiwitten verpakt tot een soort verfrommeld maar zorgvuldig georganiseerd geheel, dat chromatine heet. Binnen die verpakking bestaan er afgebakende gebieden die zich gedragen als afzonderlijke buurten in een stad: genen en de schakelaars die ze aan- of uitzetten liggen vaak dicht bij elkaar in zo'n gebied, en er zitten als het ware hekken omheen die voorkomen dat het ene gebied zomaar het andere beïnvloedt. Zo'n gebied noemen wetenschappers een chromatinedomein.
Waarom is dat belangrijk? Elke cel in je lichaam heeft dezelfde DNA-tekst, maar een huidcel en een hersencel zien er totaal anders uit en doen iets volledig anders. Dat verschil zit niet in de tekst zelf, maar in welke hoofdstukken ervan 'open' liggen en welke stevig op slot zitten. Chromatinedomeinen bepalen grotendeels welke genen in een bepaalde cel bereikbaar zijn voor het leesapparaat van de cel, en welke juist verstopt blijven. Pas sinds het afgelopen decennium kunnen onderzoekers deze driedimensionale vouwstructuur echt in kaart brengen, en dat opent de deur naar een beter begrip van ziektes en, in de verdere toekomst, naar precisere manieren om genen aan of uit te zetten zonder de DNA-tekst zelf te veranderen.
Wat is het precies?
DNA bestaat uit de bekende dubbele helix, maar die wordt eerst om kleine eiwitbolletjes gewikkeld, histonen genoemd. Dat levert een structuur op die op een ketting van kralen lijkt. Die kralenketting wordt vervolgens verder opgevouwen tot lussen, en die lussen clusteren weer tot grotere gebieden: de chromatinedomeinen.
De belangrijkste categorie heet een topologisch associërend domein, vaak afgekort tot TAD. Binnen zo'n domein komen stukjes DNA statistisch gezien veel vaker met elkaar in fysiek contact dan met stukjes DNA net buiten het domein. Onderzoekers ontdekken dit met een techniek genaamd Hi-C: ze 'bevriezen' het DNA in zijn gevouwen vorm, knippen het in stukjes, en lezen af welke stukjes aan elkaar vastzaten. Zo ontstaat een contactkaart die laat zien welke delen van het genoom dicht bij elkaar liggen in de ruimte, ook al liggen ze in de lineaire tekst soms ver van elkaar.
De grenzen tussen domeinen worden meestal gevormd door een eiwit genaamd CTCF, samen met een ringvormig eiwitcomplex, cohesine, dat als een soort rubberen band over het DNA glijdt en er een lus van maakt totdat het twee CTCF-ankerpunten tegenkomt. Dit proces heet lusextrusie. Binnen zo'n lus kunnen regelschakelaars, enhancers genoemd, contact maken met de genen die ze moeten aan- of afzetten. Buiten de lus kan dat niet, waardoor de grens functioneert als een hek dat voorkomt dat een enhancer per ongeluk het verkeerde gen activeert.
Op een nog grotere schaal clusteren domeinen zich tot twee hoofdtypen gebied: actief, los gepakt chromatine met veel actieve genen (euchromatine) en dicht opeengepakt, grotendeels uitgeschakeld chromatine (heterochromatine). Deze twee typen mengen nauwelijks en vormen wat onderzoekers A- en B-compartimenten noemen, te vergelijken met hoe een stad zich vanzelf opdeelt in een levendige binnenstad en rustige buitenwijken.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel van dit onderzoeksveld is simpelweg beter begrijpen hoe één en dezelfde DNA-tekst kan uitgroeien tot honderden verschillende celtypen. Dat is fundamentele kennis, maar met grote praktische gevolgen.
Ten eerste helpt het verklaren waarom sommige erfelijke aandoeningen optreden zonder dat er iets mis is met een gen zelf. Als de grens van een chromatinedomein beschadigd raakt, kan een enhancer plotseling bij een gen komen dat hij nooit had mogen bereiken, met ernstige ontwikkelingsstoornissen als gevolg. Begrip van domeinen helpt dus bij diagnose van ziektes die eerder onverklaarbaar waren.
Ten tweede hoopt men op termijn gericht in te kunnen grijpen op de vouwing van het genoom in plaats van op de DNA-tekst zelf. Dat zou een vorm van epigenetische geneeskunde mogelijk maken: een gen tijdelijk of blijvend afschermen of juist bereikbaar maken, zonder de tekst te wijzigen en dus zonder de risico's van klassieke gentherapie die DNA knipt. Dit zou relevant kunnen zijn voor kankerbehandeling, zeldzame erfelijke syndromen en mogelijk ook voor veroudering, omdat de nette indeling in domeinen met de leeftijd geleidelijk verslechtert.
Ten derde willen onderzoekers in de synthetische biologie leren hoe je zelf nieuwe chromatinedomeinen kunt 'ontwerpen', om bijvoorbeeld gekweekte cellen voor celtherapie preciezer te laten functioneren.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal mijlpalen illustreert hoe dit veld zich heeft ontwikkeld. In 2009 publiceerden Erez Lieberman Aiden en collega's in het tijdschrift Science de eerste Hi-C-kaart van het menselijke genoom, waarmee de A- en B-compartimenten voor het eerst zichtbaar werden.
In 2012 beschreven twee onafhankelijke onderzoeksgroepen, onder leiding van Jesse Dixon en van Elphège Nora, in het tijdschrift Nature voor het eerst de topologisch associërende domeinen in muizen- en menselijke cellen, en legden daarmee de basis voor het hele TAD-concept.
In 2015 toonden Darío Lupiáñez en collega's, werkend met de groep van Stefan Mundlos, in Cell aan dat het verstoren van een domeingrens bij mensen en muizen ledafwijkingen kan veroorzaken, doordat een gen voor een verkeerde enhancer bereikbaar werd. Dit was een van de eerste directe bewijzen dat domeingrenzen klinisch relevant zijn.
In Nederland ontwikkelde Wouter de Laat, verbonden aan het Hubrecht Instituut in Utrecht, al in 2002 samen met Job Dekker de voorloper-techniek 3C (chromosome conformation capture), waarop Hi-C later is gebouwd. Zijn lab zette deze kennis later ook om in diagnostische toepassingen, onder meer via het spin-offbedrijf Cergentis, dat genoomvouwing gebruikt om structurele DNA-afwijkingen bij patiënten op te sporen.
Sinds 2015 loopt het 4D Nucleome-project, een door de Amerikaanse National Institutes of Health gefinancierd internationaal samenwerkingsverband dat systematisch in kaart brengt hoe de vouwing van het genoom verandert per celtype en in de tijd.
Hoe ver is de techniek?
Het in kaart brengen van chromatinedomeinen is inmiddels een volwassen, breed toegepaste techniek in laboratoria wereldwijd. De resolutie is sterk verbeterd: waar vroege Hi-C-kaarten gebieden van miljoenen baseparen konden onderscheiden, kunnen nieuwere varianten zoals Micro-C en single-cell Hi-C nu bijna op het niveau van individuele nucleosomen kijken, en zelfs in losse cellen afzonderlijk. Met superresolutiemicroscopie kunnen onderzoekers inmiddels ook live toekijken hoe een lus binnen enkele minuten wordt gevormd en weer losgemaakt.
Het daadwerkelijk gericht aanpassen van chromatinedomeinen bij patiënten staat echter nog in de kinderschoenen. Er zijn veelbelovende experimenten met CRISPR-gebaseerde epigenetische schakelaars die genen reversibel kunnen uitzetten in muizen en celkweken, maar klinische toepassing bij mensen is nog zeer beperkt en experimenteel. Een belangrijk obstakel is dat chromatinevouwing sterk dynamisch en celtype-afhankelijk is, en lastig te voorspellen is uit de DNA-tekst alleen; machine-learningmodellen zoals Akita en Orca (vanaf 2020) kunnen vouwpatronen al redelijk voorspellen, maar nog niet feilloos. Daarnaast blijft het, net als bij reguliere gentherapie, een uitdaging om bewerkingsinstrumenten precies in de juiste cellen van het lichaam te krijgen. Kortom: de kaart is er grotendeels, het sturen van de vouwing is nog grotendeels toekomst.
Wie werken eraan?
Job Dekker, verbonden aan UMass Chan Medical School in de Verenigde Staten, en Erez Lieberman Aiden, verbonden aan Baylor College of Medicine en Rice University, worden beschouwd als grondleggers van respectievelijk de 3C- en Hi-C-technieken en het loopextrusiemodel. In Nederland speelt Wouter de Laat van het Hubrecht Instituut in Utrecht een vergelijkbare pioniersrol en zet dat onderzoek nog altijd voort, mede gericht op diagnostiek. Edith Heard, directeur van het European Molecular Biology Laboratory (EMBL) en voorheen verbonden aan het Institut Curie in Frankrijk, onderzoekt hoe chromatinedomeinen betrokken zijn bij het uitschakelen van een volledig X-chromosoom. Luca Giorgetti van het Friedrich Miescher Institute in Zwitserland werkt aan het synthetisch nabouwen van chromatinelussen om gericht genexpressie te sturen. Op institutioneel niveau coördineert het door de Amerikaanse NIH gefinancierde 4D Nucleome Network tientallen laboratoria wereldwijd, en ook Chinese genomica-instituten zoals BGI investeren fors in grootschalige chromatinekartering.