Nieuwe ‘Codebook’ laat zien hoe menselijke cellen DNA lezen — en hoe methylatie de regels verandert

Twee studies binnen één internationaal onderzoeksprogramma werpen nieuw licht op de manier waarop menselijke cellen genen reguleren. De eerste studie, onder leiding van Timothy Hughes van de University of Toronto, levert een uitgebreid ‘Codebook’ op van de DNA-bindingsvoorkeuren van transcriptiefactoren. Het begeleidende onderzoek van het team van Bart Deplancke introduceert een methode om te testen hoe DNA-methylatie die voorkeuren verandert.

De belangrijkste conclusie: genregulatie wordt niet alleen bepaald door de DNA-volgorde zelf. Methylatie kan veranderen hoe een transcriptiefactor een bepaalde sequentie herkent. Daardoor kan de binding zwakker worden, kan een andere sequentie de voorkeur krijgen of kan de affiniteit juist toenemen.

Een nieuwe kaart van de DNA-code

Transcriptiefactoren zijn eiwitten die de genactiviteit helpen regelen. Ze herkennen korte DNA-sequenties, zogenoemde bindingsmotieven, en kunnen zo bepalen of een gen wordt afgelezen.

Van veel menselijke transcriptiefactoren was tot nu toe weinig of geen experimentele informatie over die herkenning beschikbaar. Het Codebook-consortium combineerde vijf experimentele platforms met computationele analyses. In totaal voerden de onderzoekers meer dan 4.800 experimenten uit met 332 veronderstelde of slecht gekarakteriseerde menselijke transcriptiefactoren. Voor 177 daarvan — 53 procent — konden ze een DNA-bindingsmotief vaststellen. Daarmee kwamen ongeveer 130 nieuwe motieven bij de bekende ‘woordenschat’ van de menselijke genregulatie.

De nieuw gevonden motieven kwamen veel vaker voor op transcriptiefactor-bindingsplaatsen die al in cellen waren waargenomen. Op basis daarvan konden de onderzoekers tienduizenden eerder onbekende, geconserveerde en directe bindingsplaatsen in het genoom aanwijzen. Veel daarvan liggen in promotorregio’s, de gebieden die de activiteit van genen helpen aansturen. De gegevens verbeteren bovendien de mogelijkheid om transcriptiefactorbinding te koppelen aan patronen van genexpressie.

De nieuwe bron brengt informatie over bindingsmotieven samen voor ongeveer 1.421 van naar schatting 1.600 menselijke transcriptiefactoren. Het is geen volledige verklaring voor genregulatie, maar het verkleint wel een belangrijke lacune: welke eiwitten kunnen welke DNA-sequenties herkennen?

Wat meSMiLE-seq toevoegt

De tweede studie richtte zich op een vraag die gewone motievenkaarten niet kunnen beantwoorden: bindt een transcriptiefactor anders wanneer een DNA-base chemisch is gemodificeerd?

Daarvoor ontwikkelden de onderzoekers meSMiLE-seq. De naam staat voor methylation-sensitive selective microfluidics-based ligand enrichment followed by sequencing. De microfluïdische test vergelijkt de binding van een transcriptiefactor aan gemethyleerd DNA met de binding aan een overeenkomstige, niet-gemethyleerde sequentie. Zo kunnen zowel de sequentievoorkeur als de gevoeligheid voor methylatie worden gemodelleerd.

In 23 experimenten testten de onderzoekers 114 menselijke transcriptiefactoren. Voor 48 daarvan konden ze bindingsmodellen opstellen. Volgens de dataset hadden 13 factoren een afkeer van gemethyleerd DNA. Bij 11 factoren was er juist sprake van een voorkeur voor gemethyleerd DNA of van een alternatieve bindingsplaats waarin de modificatie voorkwam. Bij de overige factoren veranderde de binding onder de omstandigheden van de test niet aantoonbaar door methylatie.

Dat onderscheid is belangrijk, omdat sommige samenvattingen het aantal factoren met een voorkeur voor of gewijzigde binding door methylatie als 14 noemen. Het abstract van de aangehaalde dataset vermeldt 11. De meest voorzichtige lezing is daarom dat methylatie-afhankelijke effecten bij een deel van de onderzochte factoren werden gezien: 13 vertoonden minder binding en 11 een sterkere of gewijzigde voorkeur in deze dataset.

Methylatie is geen universele uitknop

De resultaten zetten het vereenvoudigde beeld van DNA-methylatie als automatisch remsignaal op losse schroeven. Methylatie kan de herkenning van een motief door een transcriptiefactor verstoren, maar kan ook een chemische context creëren waaraan een factor juist de voorkeur geeft. Soms verandert daardoor zelfs de sequentie waaraan de factor bindt. Het effect hangt af van zowel de transcriptiefactor als de geteste DNA-sequentie.

Dat helpt verklaren hoe cellen met hetzelfde genoom toch verschillende regelprogramma’s kunnen onderhouden. Celtypen verschillen in de transcriptiefactoren die ze produceren en in de plekken waar DNA gemethyleerd is. Dezelfde DNA-sequentie kan daardoor in het ene celtype genegeerd worden, in een ander celtype door een andere factor worden herkend of met een andere sterkte worden gebonden wanneer de lokale methylatietoestand verandert.

De studies verbinden daarmee twee lagen van genregulatie: de sequentiecode die in de DNA-letters staat en de epigenetische toestand die bepaalt hoe die letters worden gelezen.

Mogelijke betekenis voor ziekteonderzoek

De uitgebreidere catalogus van motieven kan helpen bij de analyse van genetische varianten in niet-coderend DNA. Dat zijn veranderingen buiten de gebieden die rechtstreeks voor eiwitten coderen, maar die wel de genregulatie kunnen beïnvloeden. Een variant kan een bestaand bindingsmotief vernietigen of een nieuw motief creëren. Methylatie kan vervolgens bepalen of die gewijzigde plek in een bepaald celtype daadwerkelijk wordt herkend.

Dat maakt de bron mogelijk relevant voor onderzoek naar regulatiestoornissen bij ontwikkeling, veroudering en kanker. Voorlopig gaat het echter om een fundamentele onderzoeksreferentie, niet om een klinische diagnostische test. De bindingsmodellen bieden een sterker vertrekpunt voor vervolgonderzoek en interpretatie, maar de biologische gevolgen hangen af van de cellulaire context en moeten in relevante systemen worden gevalideerd.

Een realistischer beeld van genregulatie

Het Codebook-project is het resultaat van een samenwerking tussen meer dan twee dozijn instellingen in Noord-Amerika, Europa en Rusland. De waarde zit niet alleen in het aantal onderzochte factoren, maar ook in de combinatie van verschillende meetmethoden, computationele analyses en validatie in cellen.

Samen laten de studies zien waarom genregulatie niet als een vast woordenboek moet worden opgevat, waarin elk motief altijd dezelfde betekenis heeft. Menselijke cellen lezen DNA in samenhang met chemische modificaties, de aanwezige transcriptiefactoren en hun bredere cellulaire omgeving.

Het Codebook begint de woordenschat van die sequenties systematisch te catalogiseren. meSMiLE-seq laat vervolgens zien dat methylatie kan veranderen hoe die woordenschat wordt geïnterpreteerd.