HOOFDSTUK 1 – GESCHIEDENIS EN DEFINITIE VAN EPIGENTICA
1. Inleiding
Het is lang geweest dat mensen geloofden dat alle ziekten te
verklaren zouden zijn door variaties in de genetische
sequenties. Maar niets in minder waar. Ook de complexiteit
van een organisme bleek niet te kloppen met het aantal
genen dat men vond, de complexiteit werd niet gereflecteerd
in het aantal genen.
Misschien moet men niet alleen kijken naar genetische mutaties in het coderend, maar ook kijken naar
polymorfismen in promotorgebieden. Daar zijn een aantal SNPs geïdentificeerd die men kan koppelen
aan ziekterisico’s. Toch bleek dat voor een heel aantal ziekten op geen enkele manier een genetische
oorzaak kon gevonden worden, vooral voor complexe ziekten zoals diabetes.
Wat ook opmerkelijk was, was dat men bij MZ tweelingen zag dat soms 1 van de 2 een ziekte kreeg.
Het blijkt dat bepaalde fenotypische kenmerken of ziekten meer te wijten zijn aan verschillen in
omgevingsfactoren en minder te wijten aan genetische factoren. Een fenotype wordt niet alleen
bepaald door de juiste eiwitten aan te maken, maar ook in de juiste hoeveelheden. Het is een nieuwe
tak van de wetenschap om na te gaan hoe de expressie van eiwitten gebeurd en hoe de hoeveelheid
van eiwitten gereguleerd wordt als antwoord op omgevingsfactoren. Daarnaast hebben cellen een
soort trainingseffect. Een cel kan bij bepaalde stimuli een soort trackrecord bijhouden en bij een
volgende blootstelling kan de respons sterker of zwakker zijn. Er lijkt een soort adaptatie te zijn bij
bepaalde omgevingsfactoren.
Om de diversiteit aan fenotypes te begrijpen, moet men naast genoom en omgeving ook naar de
informatie opgeslagen in het genoom gaan karakteriseren. Dit is alle informatie bovenop de genetische
sequentie, dus histon modificaties, enzymen die de modificaties aanbrengen enzovoort, zonder de
nucleotiden aan te passen. Een algemene definitie van
epigenetica is alles wat men door genetica niet kan
verklaren. Een meer juiste definitie is: de studie van
mitotische en meiotische overerfbare veranderingen
in genfunctie die niet verklaard kunnen worden door
veranderingen in DNA sequentie. Het begrip van
overerfbaarheid is hier belangrijk.
Epigenetica is een vrij jonge onderzoekstak. Het is pas eind jaren 90, begin jaren 2000 dat men tot de
constatatie kwam dat er meer informatie in het genoom zit dan dat men dacht. DNA methylatie
patronen en histonmodificatie patronen hebben een belangrijke invloed op de structuur van het
genoom. Een aantal onderzoekers beweren dat de structuur van het genoom net zo belangrijk is als
de opvouwing van een eiwit.
2. Van genetica naar epigenetica
Er zijn 4 niveaus van epigenetische informatie. Er is methylatie van cytosines, dit is een belangrijke
merker voor genregulatie. Dan is er de afstand tussen nucleosomen en ook de post translationele
modificaties zijn belangrijke eigenschappen die de densiteit bepalen en de toegankelijkheid voor
transcriptiefactorcomplexen. De densiteit van chromatine wordt heel sterk gereguleerd door master
transcriptiefactoren zoals Polycomb complexen. De nieuwe speler zijn de RNA moleculen of de niet-
coderende RNA moleculen die als een soort template de juiste eiwitcomplexen naar DNA kunnen
1
,brengen om daar iets te veranderen. Ons lichaam bevat 1 DNA sequentie maar bijna onbepaald aantal
epigenomen. Elk celtype heeft zijn unieke software dat die ene DNA sequentie kan omzetten. Een
epignoom is continu variabel, er is een bepaalde marge van plasticiteit voor adaptatie afhankelijk van
de omgevingsfactoren en beschikbare energie. Het regulatiemechanisme kan over het algemeen
herleid worden tot het programmeren van 2 functionele statussen van het genoom: heterochromatine
en euchromatine. Euchromatine is de actieve vorm en heterochromatine is de inactieve vorm. Dus
alle DNA modificaties zijn mee bepalend of men te maken heeft met euchromatine of
heterochromatine.
Er zijn ook enzymen nodig die de epigenetische informatie toevoegen. Er zijn epigenetische writers,
readers en erasers. De writers zullen de informatie op DNA of histonen opzetten. De readers moeten
signalen herkennen, ze zijn meestal de boodschappers die writers of erasers op het juiste moment op
de juiste locatie moeten zetten. Erasers zijn degene die modificaties gaan verwijderen.
2.1. De origine van de term epigenetica
Men moet terug gaan naar de tijd van Aristoteles. Er waren 2
hypotheses voor hoe een baby groeide en geboren werd. De
eerste hypothese was preformatie. Deze zei dat er al een mens
was in soort van germcel formaat, in de kop van de zaadcel. Bij
bevruchting zou de eicel voedingsstoffen bevatten waardoor het
embryo zou groeien. De tweede hypothese was epigenese. Deze
zei dat zaadcellen eicellen instructies bevatten om uit een niet-
gedifferentieerde celmassa een organisme te laten vormen. Het
heeft geduurd tot de eerste microscopen beschikbaar waren voordat men kon zien dat in de spermacel
geen voorgevormde mens zit.
2.2. Aard van erfelijkheid
Mendel en Darwin waren de eerste die onderzoek hebben gedaan naar overerfbaarheid van
fenotypische kenmerken. Genetische informatie in organismen kunnen doorgegeven worden naar
volgende generaties, maar er is ook een soort selectiedruk die zit op bepaalde fenotypische
kenmerken.
Er zit een verschil in wat Darwin zei en wat Lamarck zei. Darwin geloofde erin dat er genetische selectie
was waarbij dieren die het meest aangepast waren aan
de omgeving zouden overleven. Kenmerken die geen
overleving opleveren, gaan sterven. Hier is een metafoor
met giraffen gegeven. Volgens Darwin is genetische
selectie een random proces. Er is in de geschiedenis een
spontane selectie gebeurd waardoor giraffen een lange
kregen en dat gaf een groot voordeel en daardoor is
alleen de populatie met lange nek overgebleven.
2
,Volgens Lamarck was er een co-evolutie geweest van bomen en giraffen. De bomen werden hoger
omdat ze probeerden te ontsnappen aan de giraffen. De giraffen kregen een langere nek omdat de
bomen steeds hoger werden.
Later is gebleken door experimenten dat de theorie van Darwin de correcte is. Er is geen positieve
evolutiedruk, maar waar Darwin verkeerd in was, is dat de omgeving geen invloed kan uitoefenen op
het functioneren van het genoom. Nu spreekt men over neodarwinisme, dat zegt dat een omgeving
epigenetische informatie kan overbrengen op het genoom. Die epigenetische informatie kan goed of
slecht zijn en is ook onderhevig aan random selectiedruk. Een voorbeeld is blootstelling aan
luchtvervuiling. Als men 100 mensen heeft die roken, dan gaan er enkele zijn die longkanker krijgen op
hun 40ste jaar, terwijl er andere zijn die dat nooit zullen krijgen. De mensen die op jonge leeftijd
longkanker ontwikkelen, daar zullen er random epigenetische veranderen gebeurd zijn waardoor de
rook meer carcinogene processen zal veroorzaken. Degene die nooit kanker zullen ontwikkelen, daar
zullen er epigenetische processen gebeurd zijn waardoor die carcinogene processen minder toxisch
zijn en zij zullen dus beschermd worden.
2.3. Waddington
Waddington is een bioloog uit de jaren 40, die zich al aan het afvragen was wat verantwoordelijk is
voor het sturen van de embryogenese. Hij postuleerde dat tijdens het differentiatieproces er een soort
van master-regulatoren zijn die aan de touwtjes trekken en het ontwikkelingsproces in een bepaalde
richting sturen. Hij ontwikkelde het Waddington landscape, aan de hand hiervan kan men
epigenetische processen uitleggen. Hij vergeleek
processen met een soort berglandschap met verschillende
valleien. Op een bepaald moment moeten er bepaalde
beslissingen gemaakt worden. Eenmaal er een weg werd
ingeslagen, moeten er nog een aantal processen
gebeuren, maar niet alle processen meer. Eenmaal een
bepaalde weg werd ingeslagen, is er geen weg meer terug.
Sommige van deze reliëfstructuren zijn geconnecteerd aan verschillende master-regulatoren. Er is
geen 1 op 1 correlatie. Als er iets kleins veranderd, heeft het organisme soms nog een buffercapaciteit
om de rest van het fenotype te redden of te compenseren. De homeostase heeft te maken met
buffercapaciteiten en een aantal epigenetische regulatiemechanismen.
2.4. Ontdekking DNA methylatie als epigenetische modificatie
De volgende doorbraak was de beschikbaarheid van nucleotide analogen die niet meer gemethyleerd
konden worden. Men vroeg zich af wat de software was die verscholen ligt in het genoom. Hoe kunnen
gedifferentieerde cellen het genexpressiepatroon reproduceren nadat ze gedeeld waren. Men dacht
dat er nog extra informatie was buiten de nucleotidesequentie. Bepaalde genen die aanstonden in de
cel, moeten ook aanstaan na celdeling. Er is ergens een mitotisch overervingsmechanisme. Men
postuleerde dat er methylatie zou kunnen zijn van nucleotiden.
In 1975 postuleerde men al dat cytosine een methylatie zou dragen op de 5 de positie en dat dat een
schakelfunctie zou zijn om bij DNA een geen aan of af te zetten. Het heeft geduurd tot chemici
analogen konden maken van cytidine vooraleer men dit kon meten. Als men cellen groeit in
aanwezigheid van deze analogen, dan kan het DNA niet meer gemethyleerd worden en is de hele
genregulatie verstoord. Dit was een eerste indicatie dat methylatie een rol zou kunnen spelen bij
genregulatie. Dan heeft het nog tot de jaren 90 geduurd om de enzymen betrokken te ontdekken. Men
heeft DNA transferases ontdekt, er zijn er 2. DNMT1 en DNMT3 zijn de belangrijkste. Deze gaan
3
, methylgroepen gaan zetten op cytosine op CpG eilanden. Dit geeft palindroom sequenties waardoor
de DNA methylatie patronen een soort spiegelfunctie hebben. Van DNMT3 zijn er 2 isovormen, deze
zijn voor de novo methyltransferases. Deze zijn sterk responsief voor omgevingsfactoren en de novo
veranderingen. DNMT1 is maintenance en is belangrijk in de ontwikkeling. DNMT2 vertoont homologie
met DNMT1 en 3, maar is verkeerd geclassificeerd omdat het een RNA methylase is. DNMT3L is een
speciale variant en speelt een rol bij de spermatogenese.
Nu alle methyltransferase enzymen geïdentificeerd zijn, moet men kijken van waar die methylgroepen
komen. De methylgroepen worden gehaald uit S-adenosyl-L-methionine. Dit is een metaboliet
geproduceerd via het mitochondriale metabolisme. Dus om methylatie te hebben, zijn er enzymen
nodig, maat ook methyldonoren. Als er iets mis is met het epigenoom, dan kijkt men naar enzymen of
naar de methyldonor.
Het is ook gebleken dat gemethyleerde C’s veel kwetsbaarder zijn voor spontane deaminatie. Deze
worden dan omgezet in een thymine en er is geen herstelmechanisme voor deze deaminatie. Als men
kijkt in functie van de evolutie, verdund het genoom in functie van tijd voor de hoeveelheid CpG. Dit
komt doordat er meer spontane deaminaties optreden die niet hersteld kunnen worden. DNA
methylatie is een katalysator van genetische evolutie. Het zou kunnen dat DNA methylatie de evolutie
versneld heeft. Het risico op genetisch muteren ligt 12 keer hoger. Er zijn evolutionaire voordelen
omdat men het nog steeds heeft, maar het is niet universeel want niet alle species hebben het nog.
Op de afbeelding hieronder kan men zien dat een cytosine kan gemethyleerd worden naar een 5-
methylcytosine. Door spontale deaminatie veranderd het dan in thymine. Er is geen weg terug en blijft
een thymine. Deaminatie van een cytosine naar een uracil is wel reversibel.
Er is ook nog een andere definitie van DNA methylatie die gelinkt is aan de densiteit van CpG motieven.
Men ziet dat in promotorgebieden er CpG rijke gebieden zijn die sterk onderhevig zijn aan DNA
methylatie. Vooral in gebieden die sterk overschreven worden zijn vrij van methylatie waardoor er
sterke transcriptie kan plaatsvinden. Wanneer er methylatie gaat voorkomen in die CpG eilanden, gaat
er geleidelijk aan uitdoving ontstaan van transcriptie van die genen en dit kan leiden tot het ontstaan
van ziekten. Een voorbeeld in kankercellen. Hypermethylatie in de promotorsequentie van tumor
suppressorgenen waardoor het gen uitgeschakeld
wordt. Hierdoor krijgt men een stop signaal. DNA
methylatie komt niet alleen voor in CpG eilanden,
maar ook verspreid in het genoom. In het genoom
heeft het wel een andere functie, namelijk
stabiliteit. Hypermethylatie heeft dus een
belangrijke functie bij genregulatie en
genoomstabiliteit.
4
