Kopie-aantal-variatie: waarom niet iedereen evenveel van hetzelfde gen heeft
Stel je het menselijk DNA voor als een enorme kookboekencollectie, opgedeeld in 23 delen (de chromosomen), waarbij elk recept een gen is. Van bijna elk recept heb je normaal gesproken precies twee exemplaren: één geërfd van je vader, één van je moeder. Kopie-aantal-variatie, in het Engels copy number variation (CNV), is het verschijnsel dat sommige mensen van bepaalde recepten geen twee, maar nul, één, drie of zelfs meer exemplaren hebben. Een stuk DNA is dan bij het kopiëren van generatie op generatie per ongeluk extra vaak gekopieerd, of juist helemaal weggevallen.
Dit klinkt als een zeldzaamheid, maar het tegendeel is waar: zulke verschillen in kopieaantal komen bij vrijwel iedereen voor en samen beslaan ze een aanzienlijk deel van het menselijk genoom — meer DNA-letters dan alle bekende ziekteverwekkende puntmutaties bij elkaar. De meeste van die variaties zijn onschuldig, een soort typefoutje zonder gevolgen. Maar een deel raakt genen die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van de hersenen, het immuunsysteem of de celdeling, en dan kan een extra of ontbrekende kopie wél ziekte veroorzaken. Daarom is kopie-aantal-variatie inmiddels een centraal begrip in de genetica, van prenatale diagnostiek tot kankeronderzoek.
Wat is het precies?
DNA is opgebouwd uit twee lange, in elkaar gedraaide strengen (de bekende dubbele helix) van vier soorten bouwstenen, aangeduid met de letters A, C, G en T. Een gen is een stukje van die streng dat de code bevat voor een eiwit of een ander bruikbaar product van de cel. Mensen zijn diploïd: van vrijwel elk gen hebben we twee kopieën, één per ouder.
Bij het kopiëren van DNA — wat voortdurend gebeurt bij celdeling en bij de vorming van eicellen en zaadcellen — gaat het meestal goed, maar niet altijd. Het genoom bevat veel stukken die sterk op elkaar lijken en dicht bij elkaar liggen. Tijdens een proces dat crossing-over heet, waarbij chromosomen stukjes DNA uitwisselen, kan het kopieerapparaat van de cel per ongeluk op het verkeerde, gelijkende stuk aansluiten. Het resultaat is dat het ene chromosoom een extra kopie van een DNA-segment krijgt (een duplicatie), terwijl het andere er juist een kwijtraakt (een deletie). Wetenschappers noemen dit mechanisme non-allelic homologous recombination: recombinatie tussen stukken DNA die op elkaar lijken, maar net niet op de juiste plek liggen.
Een CNV is doorgaans groter dan duizend baseparen (de losse DNA-letters) en kan oplopen tot miljoenen baseparen, soms hele genen of clusters van genen omvattend. Dat onderscheidt het van de kleinere, veelvoorkomende spellingsfoutjes van één letter (SNP's, single nucleotide polymorphisms) die vaker in de media opduiken.
Om CNV's op te sporen bestaan verschillende technieken. Array-CGH (comparative genomic hybridization) vergelijkt de hoeveelheid DNA van een patiënt met een referentiemonster op duizenden punten in het genoom tegelijk. SNP-arrays doen iets vergelijkbaars maar gebruiken bekende variabele posities in het DNA. Tegenwoordig wordt vooral next-generation sequencing (NGS) gebruikt: het hele genoom wordt in korte stukjes 'uitgelezen' en met een computer weer in elkaar gepuzzeld, waarna afwijkende aantallen leesfragmenten een CNV verraden. Het probleem van die korte leesjes is dat ze in sterk repetitieve DNA-gebieden — waar juist veel CNV's ontstaan — moeilijk uniek te plaatsen zijn. Long-read sequencing, met technologie van bijvoorbeeld PacBio en Oxford Nanopore, leest veel langere DNA-stukken in één keer af en kan daardoor ook complexe, herhalende regio's beter in kaart brengen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het eerste doel is simpelweg begrijpen: welke variatie in het menselijk genoom is normaal, en welke hangt samen met ziekte? Pas als daar een betrouwbaar overzicht van bestaat, kan een gevonden CNV bij een patiënt correct geïnterpreteerd worden.
Daaruit vloeit een tweede, klinisch doel voort: vroege en nauwkeurige diagnostiek. Bij ongeboren kinderen kan onderzoek naar kopie-aantal-variatie wijzen op ontwikkelingsstoornissen. Bij kanker kunnen bepaalde CNV's — zoals een teveel aan kopieën van een gen dat celgroei aanjaagt — de agressiviteit van een tumor verklaren en de keuze van behandeling sturen.
Een derde ambitie is gepersonaliseerde geneeskunde: behandeling afstemmen op de individuele genetische opmaak van een patiënt. Het aantal kopieën van bepaalde genen beïnvloedt namelijk ook hoe snel iemands lichaam bepaalde medicijnen afbreekt, een vakgebied dat farmacogenomica heet. Tot slot gebruiken evolutiebiologen kopie-aantal-variatie om te begrijpen hoe soorten zich aanpassen: extra kopieën van een gen kunnen evolutionair 'grondstof' leveren voor nieuwe functies.
Voorbeelden uit de praktijk
Een bekend voorbeeld is het 22q11.2-deletiesyndroom (ook wel DiGeorge-syndroom genoemd), waarbij een stukje van chromosoom 22 ontbreekt. Dit kan leiden tot hartafwijkingen, immuunproblemen en ontwikkelingsstoornissen. Gegevens over dit en talloze andere CNV-gerelateerde syndromen worden verzameld in DECIPHER, een internationale database die door onder meer het Wellcome Sanger Institute wordt onderhouden en die artsen wereldwijd helpt om zeldzame chromosoomafwijkingen bij patiënten te herkennen.
In de verloskunde wordt kopie-aantal-variatie gebruikt bij de niet-invasieve prenatale test (NIPT), waarbij DNA-fragmenten van de placenta in het bloed van de zwangere worden geanalyseerd op afwijkende chromosoomaantallen en grotere structurele afwijkingen. Commerciële testen zoals Panorama van het Amerikaanse bedrijf Natera maken hier sinds het begin van de jaren 2010 gebruik van, naast de reguliere screening op het syndroom van Down.
In de oncologie is de HER2-status bij borstkanker een schoolvoorbeeld: bij een deel van de patiënten is het HER2-gen in extra kopieën aanwezig (amplificatie), wat de tumor agressiever maakt maar ook aangrijpingspunt biedt voor het gerichte medicijn trastuzumab (merknaam Herceptin). Deze test behoort inmiddels tot de standaardzorg.
Op onderzoeksniveau bracht het internationale 1000 Genomes Project in een veelgeciteerde publicatie in Nature (Sudmant en collega's, 2015) een gedetailleerde kaart van structurele variatie, inclusief CNV's, in duizenden menselijk genomen samen. Dat werk vormt nog altijd een referentiepunt waarmee nieuwe patiëntgegevens vergeleken worden.
Ook in de farmacogenomica speelt CNV een rol: het gen CYP2D6, dat betrokken is bij de afbraak van veel gangbare medicijnen, komt bij sommige mensen in meerdere kopieën voor en bij anderen juist helemaal niet. Klinische testen die het kopieaantal van dit gen meten, worden gebruikt om te voorspellen of iemand een medicijn ongewoon snel of juist traag afbreekt.
Hoe ver is de techniek?
Het opsporen van grote, duidelijke CNV's is inmiddels routine: array-gebaseerde technieken worden al sinds het begin van de jaren 2000 in laboratoria gebruikt en zijn goed gevalideerd. De komst van betaalbare next-generation sequencing heeft de gevoeligheid verder vergroot en maakt het mogelijk CNV-analyse te combineren met andere vormen van DNA-onderzoek in één test.
Toch is de techniek niet af. Kortlezende sequencingmethoden hebben aantoonbare blinde vlekken in sterk repetitieve DNA-gebieden, juist de plekken waar veel CNV's ontstaan. Long-read sequencing verbetert dit, maar is nog duurder en minder wijdverspreid in de reguliere zorg. Een belangrijke recente mijlpaal is het Human Pangenome Reference Consortium, dat in 2023 een nieuw, veel diverser referentiegenoom publiceerde, opgebouwd uit de DNA-sequenties van tientallen individuen in plaats van vrijwel één persoon zoals bij het oorspronkelijke Humaan Genoom Project. Dit pangenoom maakt het mogelijk om complexe en eerder onzichtbare structurele variatie, waaronder CNV's, veel beter te herkennen.
Daarnaast worden steeds vaker algoritmen op basis van machine learning ingezet om CNV's automatisch te herkennen in de enorme hoeveelheden sequencingdata die laboratoria produceren. Dat versnelt de analyse, maar het blijft een uitdaging om onderscheid te maken tussen onschuldige variatie en klinisch relevante afwijkingen. Veel gevonden CNV's worden geclassificeerd als variant van onzekere betekenis (VUS): de verandering is aantoonbaar aanwezig, maar het is nog niet duidelijk of ze ook daadwerkelijk gezondheidsgevolgen heeft. Die onzekerheid is voor patiënten en artsen vaak lastiger te verteren dan een duidelijk 'ja' of 'nee'.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar kopie-aantal-variatie wordt gedreven door een mix van academische instituten, ziekenhuizen en bedrijven. Het Broad Institute (verbonden aan MIT en Harvard) en het Britse Wellcome Sanger Institute behoren tot de grootste genomica-onderzoekscentra ter wereld en zijn nauw betrokken bij databases als DECIPHER en bij grootschalige sequencingprojecten. Het IJslandse bedrijf deCODE genetics heeft door zijn toegang tot uitgebreide bevolkingsgegevens veel bijgedragen aan kennis over de verspreiding van CNV's.
Op technologisch vlak leveren Illumina (kortlezende sequencing en arrays), Pacific Biosciences (PacBio) en Oxford Nanopore Technologies (beide long-read sequencing) de apparatuur waarmee CNV's worden opgespoord. In de klinische diagnostiek zijn bedrijven als Natera en Ambry Genetics actief, met testen voor onder meer prenatale screening en erfelijke kankerrisico's.
Internationale samenwerkingsverbanden zoals het 1000 Genomes Project-consortium en het Human Pangenome Reference Consortium brengen onderzoekers uit tientallen landen samen om referentiegegevens te verzamelen waarop de hele sector voortbouwt. Ook Nederlandse universitair medische centra dragen bij aan internationale genoomdatabases en gebruiken CNV-diagnostiek in de reguliere klinische genetica.