Uitschakelen X-chromosoom in beeld gebracht
Heel vroeg in de embryonale ontwikkeling wordt bij vrouwen één van de twee X-chromosomen uitgeschakeld. Moleculair bioloog Hendrik Marks (Radboud Universiteit Nijmegen) bekeek met de nieuwste technieken hoe dat uitschakelen zich stapje voor stapje over het chromosoom verspreidt. Deze fundamentele kennis draagt in de toekomst mogelijk bij aan een therapie voor X-chromosomale aandoeningen.
X-chromosoom (links) en Y-chromosoom (rechts). Het X-chromosoom is veel groter en bevat veel meer genen dan het Y-chromosoom. Daarom kan er van het X-chromosoom steeds maar één exemplaar actief zijn in een cel.
Wikimedia Commons, vrijgegeven in het publieke domein
Mensen hebben 23 paar chromosomen, stukken DNA
die onze erfelijke informatie bevatten. De meeste chromosomen zijn bij man en vrouw hetzelfde, maar de geslachtschromosomen zijn verschillend. Vrouwen hebben twee X-chromosomen, mannen hebben een X- en een Y-chromosoom. Dat geeft problemen, want het X-chromosoom is veel groter dan het Y-chromosoom en bevat veel meer genen. Vrouwen hebben als het ware alle kenmerken op het X-chromosoom dubbel en dat werkt niet in een cel. Daarom wordt bij vrouwen, vroeg in de embryonale ontwikkeling, één van de X-chromosomen uitgeschakeld.
Vissen naar verschillen
“Over hoe zo’n chromosoom wordt uitgezet en welke moleculen daarbij betrokken zijn was al veel bekend”, vertelt Marks. “Maar het uitschakelen van zo’n groot chromosoom gaat niet in een keer. Dat gebeurt in stapjes. Samen met de groep van Joost Gribnau (Erasmus MC Rotterdam) hebben wij gemeten hoe het uitschakelen zich over het chromosoom verspreidt. Van de ongeveer achthonderd genen die op het X-chromosoom liggen, wilden we precies weten wanneer ze werden uitgezet.”
Een lastige klus, want je moet achthonderd dingen in één keer meten. Bovendien heb je te maken met twee chromosomen, waarvan er maar één inactief wordt. Die zul je op de een of andere manier uit elkaar moeten houden. Dat kan met RNA-sequencing. Er zijn vaak kleine verschillen tussen X-chromosomen in vrouwen. “Ongeveer 0,3 procent van de 166 miljoen basen (genetische letters, red.) waaruit het X-chromosoom is opgebouwd, waren verschillend tussen het actieve en het inactieve X-chromosoom. Deze verschillen moesten we eruit zien te vissen en daar konden we onze metingen op doen”, aldus Marks.
Knopen aan een snoer
Marks nam embryonale stamcellen van vrouwelijke muizen, waarin allebei de X-chromosomen nog actief zijn, en liet deze vervolgens differentiëren richting volwassen cellen. Iedere dag bekeek hij welke genen er aan en uit stonden. “We zagen dat het uitschakelen begint in het midden van het chromosoom en zich langzaam verspreidt naar buiten”, legt hij uit. “De stapjes waarin dat gaat, worden bepaald door domeinen. Drie jaar geleden ontdekte een Amerikaanse onderzoeksgroep dat alle chromosomen bestaan uit domeinen, een soort opeenvolgende knopen aan een snoer. Wij hebben nu ontdekt dat het uitschakelen van het X-chromosoom aangrijpt op die knopen.”
Spreiding van X-inactivatie. De inactivatie begint in het midden van het chromosoom (bij start) en verspreidt zich over een aantal dagen steeds verder naar buiten. De stapjes van uitschakeling (rode pijlen) worden bepaald door domeinen op het chromosoom. Binnen die domeinen moet ook weer een vorm van spreiding zijn (zwarte pijlen), maar die is tot nu toe nog niet onderzocht.
Hendriks Marks
Marks merkte in de muizencellen op dat bij het inactiveren soms zo’n hele knoop niet uitgaat. Niet een stukje van de knoop, maar precies een hele knoop. In de literatuur zocht hij naar data over het menselijke X-chromosoom. Toen hij die nog eens goed bekeek, zag hij dat ook bij mensen soms een hele knoop niet uitgaat. Dat doet sterk vermoeden dat het uitschakelen bij muizen en mensen op dezelfde manier verloopt.
Celkern (rood) met een inactief X-chromosoom (groen). Die inactieve X opnieuw aanzetten is mogelijk een effectieve therapie voor X-chromosomale aandoeningen.
Hendrik Marks
Elegante oplossing
Dat domeinen het doelwit zijn voor uitschakeling is duidelijk. Maar wat binnen zo’n domein nou bepaalt wie wanneer uitgeschakeld wordt, is nog onduidelijk. Marks: “Ik had ook heel graag binnen domeinen naar spreiding willen kijken, maar daar was helaas niet genoeg resolutie voor. We kunnen maar een klein deel van de genen gebruiken en als je nagaat dat er honderd tot tweehonderd knopen op een chromosoom liggen, blijven er maar een of twee genen per domein over om te analyseren. Dat is te weinig om er iets over te kunnen zeggen.”
De resultaten van Marks worden binnenkort gepubliceerd in Genome Biology. Zijn werk biedt vooral fundamentele inzichten, maar kan in de toekomst ook bijdragen aan een therapie voor X-chromosomale aandoeningen, zoals het syndroom van Rett. Bij die aandoeningen is een verkeerd gen aanwezig op het X-chromosoom. “Mannen hebben maar één X-chromosoom, dus als die een verkeerd gen krijgen worden ze sowieso ziek”, vertelt Marks. “Maar bij vrouwen wordt soms het ‘verkeerde’ chromosoom uitgeschakeld. Dan is er nog een goede kopie op het inactieve X-chromosoom. Het zou een elegante oplossing zijn als we op dat inactieve X-chromosoom het stukje dat we nodig hebben weer aan konden zetten.”
Lapjeskat
De vacht van de lapjeskat is een mooi voorbeeld van X-inactivatie. De genen voor vachtkleur, rood of zwart, zijn bij katten gekoppeld aan het X-chromosoom. Bij vrouwelijke poezenembryo’s wordt tijdens de ontwikkeling in iedere cel willekeurig één van de twee X-chromosomen inactief. Soms wordt de kleur zwart uitgeschakeld en soms rood. Zo ontstaat het bekende lapjespatroon. Omdat hiervoor twee X-chromosomen nodig zijn, zijn lapjeskatten bijna altijd vrouwtjes.
Riosafari, Wikimedia Commons
