Verdwijnen en verdubbelen
Hester van Santen 17 december 2005 NRC

het gemis van duizenden DNA-baseparen kan ook heelgezond zijn


Hele brokken DNA missen we in vergelijking met andere mensen. Drie jaarnadat de DNA-volgorde van de mens is opgehelderd duiken steeds meeraanwijzingen op dat ons afweersysteem baat kan hebben bij diegrootschalige verschillen.

Hester van Santen


Dertig stukjes DNA missen en toch gezond zijn. Het kan. Sterker nog: hetis volkomen normaal. Zelfs is het niet uitzonderlijk dat zo'n fragment zogroot is dat er één of twee genen ontbreken.


Iemand die zulke grote afwijkingen heeft, móet ziek worden, was totvoor kort het idee. Pas het afgelopen jaar is duidelijk geworden dat forsechromosoomafwijkingen, die vooral geassocieerd werden met zeldzame,ernstige aangeboren afwijkingen, ook voorkomen bij gezonde mensen. Het gaatom stukken DNA die verdwenen zijn, althans op één van de twee kopieëndie we van elk chromosoom bezitten. Stukken die verdubbeld zijn, stukkendie omgedraaid zijn of verplaatst. Ieder mens heeft unieke chromosomen.

Vanaf vorig jaar zomer verschenen artikelen in tijdschriften als Scienceen Nature Genetics waarin met nieuwe technieken wordt getoond hoewijdverbreid die zogenaamde structurele variatie' in het genoom is.Structureel, omdat het grootschalige wijzigingen betreft in de genetischecode. Uit dat onderzoek blijkt dat veel mensen een of meerdere stukken DNAmissen van wel een miljoen baseparen lang. Een miljoen baseparen, dat isongeveer een honderdste deel van een chromosoom - een substantieel deeldus. Het is verbazingwekkend dat je deleties van 2, 3 of zelfs 5 genenkan hebben zonder dat dat direct tot een ernstige ziekte leidt, zoverwoordt genoomonderzoeker dr. Joris Veltman het tijdens een gesprek overdie variaties in het Universitair Medisch Centrum Radboud in Nijmegen.

Het is volkomen nieuw. Dé bron van genetische variatie waarover deafgelopen tientallen jaren veel bekend werd, is het type waarbij éénletter van de DNA-code is veranderd in een andere. In eerste instantie ginghet daarbij vooral om de genvarianten die zeldzaam waren en ziektenveroorzaakten, de zogenaamde puntmutaties.

Sinds 2001, toen de eerste versie van het menselijk genoom gepubliceerdwerd, komen ook steeds meer één-letter-varianten bovendrijven waarvanníet meteen duidelijk is dat ze schadelijk zijn
. Deze varianten, de singlenucleotide polymorphisms (SNP's), komen soms bij tientallen procenten vande bevolking voor. Inmiddels staan er al miljoenen van deze SNP's indatabestanden. Ze worden gebruikt in onderzoek naar gevoeligheid voorziekte, naar de verspreiding van de menselijke soort en inevolutieonderzoek.

Maar de techniek waarmee het menselijk genoom in kaart is gebracht, zietde grote, structurele varianten over het hoofd. Dat klinkt vreemd (hoe kanhet dat je minieme varianten vindt en grote niet?) en het is alleen tebegrijpen na technische uitleg (zie kader). Met de nieuwe techniekenwaarmee die grote variaties wél kunnen worden gevonden, dringt deconclusie zich steeds dwingender op dat het menselijk genoom', deDNA-volgorde die als standaard dient voor het genoomonderzoek, nietstandaard is. Er bestaat niet zoiets als hét menselijk genoom. De variatiewordt steeds grootschaliger. En dat brengt wetenschappers op de vraag: watdoet die variatie? Is zij nuttig voor ons, of nutteloos? Of - en daar zijnal de eerste voorbeelden van bekend - zorgen die varianten er misschientoch voor dat sommigen van ons vatbaarder zijn voor ziektes?

Eerst de cijfers. De studie die structurele variatie hot maakte,verscheen in juli 2004 in Science. Jonathan Sebat, genoomonderzoeker aanhet Cold Spring Harbor laboratorium in New York, onderzocht twintig gezondemensen en vond in totaal 76 omvangrijke stukken DNA die anders waren danbij het standaard menselijk genoom. Het ging om missende brokstukken(deleties, waarbij op één van de twee kopieën van chromosoom eengedeelte mist) en verdubbelingen (duplicaties, waarbij op één chromosoomeen stuk verdubbeld is). Gemiddeld waren ze bijna een half miljoenbaseparen lang. Bovendien lagen zo'n zeventig verschillende genen geheelof deels in zo'n variabel fragment. Op één van beide kopieën van eenchromosoom was zo'n gen dus in tweevoud aanwezig - of het was helemaal weg.andere techniek

Een tweede studie, ook naar deleties en duplicaties vanhonderdduizenden basen, verscheen twee maanden later in Nature Genetics.Harvard-onderzoeker John Iafrate gebruikte een andere techniek en wat meerproefpersonen en vond maar liefst 255 variaties op het standaard-genoom.Een derde onderzoek, dat deze zomer verscheen, zocht behalve naar deletiesen duplicaties ook naar omgekeerde en verplaatste stukken DNA. Daarbijkwamen 297 varianten bovendrijven - terwijl maar één proefpersoon werdonderzocht.

In het eerste weekeinde van december verschenen drie wetenschappelijkeartikelen in Nature Genetics. Met verbeterde varianten van de technologiedie Sebat en Iafrate al gebruikten, kwamen meer dan vijfhonderd,grotendeels nieuwe varianten naar boven. Het ging om deleties, en ditmaalwaren ze kleiner: enkele duizenden baseparen. Die precisie was nog nieteerder vertoond. De onderzoekers becijferden dat elke Europeaan gemiddelddertig DNA-fragmenten van die lengte mist. Natuurlijk, die deleties beslaanminder dan een promille van het hele genoom. En ja, een groot deel van dedeleties bevindt zich in het onschuldige, onbruikbare junk-DNA. Uit diegenetische 'rotzooi' (de letterlijke vertaling) bestaat negentig procentvan ons DNA; voor zover bekend heeft het geen functie. Maar eensubstantieel aantal deleties ligt wél in coderend DNA, dus in genen. In267 genen vonden de Nature Genetics-onderzoekers dit soort omissies.

Voor de Nijmeegse genoomonderzoeker Veltman is dat opvallend. Uitervaring weet hij hoeveel schade structurele veranderingen in het DNAkunnen aanrichten. De groep die hij leidt, doet met de nieuwe techniekenonderzoek aan aangeboren afwijkingen. Sommige van die ziekten, zoals hetDiGeorge-syndroom, zijn bijna altijd het gevolg van zo'n deletie - in hetgeval van DiGeorge op het 22ste chromosoom. De gevolgen zijn ernstig:DiGeorge-patiënten hebben een slecht werkend immuunsysteem,hartafwijkingen, en een hazenlip, of ogen en oren die niet op de normaleplek staan. De meeste patiënten zijn verstandelijk gehandicapt.

Toch wist Veltman al enkele jaren dat grote deleties kunnen voorkomenzonder dit soort problemen. Bij onderzoek in families waarin een kind eenaangeboren afwijking had, bleken soms niet alleen de patiënten delen vanhun DNA te missen, maar hun gezonde ouders (die ter controle bestudeerdwaren) ook. Veltman: Maar wat wij niet deden, was een hele groepproefpersonen screenen. Dat was gewoon te duur. Als ik nu zie wat datonderzoek van bijvoorbeeld Jonathan Sebat teweeg heeft gebracht denk ik weleens: hadden wij dat ook maar gedaan.aanhalingstekens

Ook dr. Johan den Dunnen maakte al eerder kennis met onschuldige,grootschalige afwijkingen. Hij werkt net als Veltman aan de genetica vanaangeboren afwijkingen, maar dan in Leiden, als hoofd van het Leiden GenomeTechnology Center. Gezeten aan de keukentafel van zijn huis in Rotterdamtoont hij zich niet overenthousiast over de ontdekking van grotehoeveelheden structurele variatie. Nou, dat was dus nieuw en onverwacht', zegt hij ironisch terwijl hij met zijn vingers aanhalingstekens in delucht schrijft. Je weet toch hoe evolutie gaat. Je gaat verdubbelen envariëren. Uit vergelijkend onderzoek aan het DNA van verschillendediersoorten blijkt vaak dat hetzelfde gen dat de ene diersoort één keerheeft, bij de andere diersoort twee, of zelfs meer keer voorkomt. Dat iseen belangrijke bron van variatie tussen soorten, want als een gen perongeluk verdubbeld raakt, kan de kopie na kleine mutaties een nieuwefunctie op zich nemen. Volgens Den Dunnen kan het niet anders, of ookbinnen de menselijke soort verdwijnen of verdubbelen er soms genen. Alsje ziet hoeveel mensen er op de wereld lopen en je denkt een beetje na, danis het alleen maar logisch dat jij stukken hebt die ik niet heb. gevoeligheid

Voor wetenschappers als Veltman en Den Dunnen heeft al dit nieuws opDNA-gebied direct praktische consequenties. Wanneer ze zoeken naarziekmakende DNA-afwijkingen, moeten ze rekening houden met het feit dat erook allerlei varianten zijn die niks met de ziekte te maken hebben. Veltmandoet daarom nu ook onderzoek naar de kenmerken van de 'gezonde' variatie.In het American Journal of Human Genetics publiceerden hij en zijnNijmeegse collega's deze zomer een studie waarin ze honderd geestelijkgehandicapte patiënten én 72 gezonde ouders met de nieuwe technieken opdeleties en duplicaties onderzochten. Ze vonden veel varianten, en maarliefst 97 procent daarvan had niks met de ziekte te maken: de ouders haddenze ook. Maar ze konden ook afleiden welke variaties vooral onschuldigwaren: dat bleken de relatief kortere variaties, van ongeveer een halfmiljoen baseparen. Betekent dat dan dat die kortere varianten niets tebetekenen hebben? Nee, zegt Veltman. Misschien leiden deze varianten tochtot gevoeligheid voor ziekte, op latere leeftijd bijvoorbeeld.''

Ook Jonathan Sebat stelde in het vooruitzicht hoe dit soort variantenzouden kunnen bijdragen aan allerlei aandoeningen. Eén van zijnproefpersonen bezat bijvoorbeeld drie kopieën van het gen PPYR1 . Heteiwit waarvoor dat gen codeert, reageert in de hersenen op de signaalstofneuropeptide-Y en zou op die manier onder andere de eetlust stimuleren. Ofhet bezit van drie kopieën van dat gen zorgt voor drie keer zoveeleetlust, en een drie keer zo dikke vetlaag - niemand heeft er een idee van.Maar toch hintte Sebat in Science op een relatie tussen dit soortduplicaties en obesitas. Een relatie tussen structurele varianten en degevoeligheid voor gezondheidsproblemen is 'een intrigerende mogelijkheid',schreef de genoomonderzoeker.

De Leidse geneticus Den Dunnen over die claims: Je moet natuurlijkwel een beetje fantaseren als je in Nature of Science wil komen. Maar inprincipe, zegt hij, verwacht je dat een structurele variatie meer aanziekte zal bijdragen dan een single nucleotide polymorphism. Sec gezegdmaakt één letter verschil minder uit dan wanneer ik een heel stuk mis.En bovendien: We hebben die structurele variatie tot nu toe altijd overhet hoofd gezien. Vandaar dat de hoop nu is dat die deleties en duplicatieseen grote rol spelen bij ziektes waar we nog geen vinger achter hebbengekregen. Ik ben ervan overtuigd dat deze variatie bij een deel van dieaandoeningen een rol speelt.

Een aansprekend voorbeeld van die invloed van structurele variatieverscheen in maart van dit jaar in Science. Een internationale groep vanonderzoekers liet zien dat mensen die met hiv geïnfecteerd waren, relatiefvaak een klein aantal kopieën hadden van een bepaald gen. Over dat gen,CCL3L1 genaamd, is bekend dat het het aids-virus helpt onderdrukken.Niet-geïnfecteerden (vierduizend mensen uit bijna zestig etnische groepen)hadden meer kopieën van het gen. Het aantal kopieën kon oplopen tot bovende zeven. Met elke CCL3L1-kopie erbij, zo becijferden de onderzoekers,neemt het risico op infectie af met 5 tot 11 procent.

In het CCL3L1-onderzoek was de relatie tussen gen en effect nietlineair. Wat het mechanisme ook is, een deel van de structurele variantendie in een gen liggen, zullen de gevoeligheid voor ziekte veranderen. Maarals dat altijd zo zou zijn, zullen de ongunstige varianten, algemeengesproken, uiteindelijk verdwijnen. Dat is in ieder geval nóg nietgebeurd. We kunnen aannemen dat sommige structurele variatie in genentoevalligweg niet in de weg zit en dus blijft bestaan, net als bij zoveelsingle nucleotide polymorphismshet geval is. Of zou sommige variabiliteitzelfs een zeker nut hebben? Dat vragen genetici zich nu af - en ze vindenook de eerste, nog speculatieve aanwijzingen.

Ten eerste is er het besef, eerder in dit artikel al genoemd door deLeidse geneticus Johan den Dunnen, dat structurele veranderingen in het DNAeen belangrijke rol spelen in de evolutie. Het is al langer bekend dat onsgenoom grotendeels is opgebouwd uit vermenigvuldigde, afgeknabbelde ofaangepaste genen van andere diersoorten. Let wel: het gaat dan wel omstructurele aanpassingen die álle mensen bezitten. Afgelopen september,toen de eerste versie van het genoom van de chimpansee verscheen in Nature, vergeleken onderzoekers deze aanpassingen tussen chimp en mens. Devariatie bleek alom aanwezig: 33 procent van de genen die bij mensenverdubbeld waren, bestond bij de aap alleen in enkelvoud. Den Dunnen:Als je een gen verdubbelt, kun je met de kopie vrijelijk variëren.Activeer het in de grote teen, of zoiets.

Iets dergelijks lijkt ook aan de hand bij de structurele varianten dieverschillen tússen mensen. Wat elke onderzoeker opvalt die mensen uitverschillende bevolkingsgroepen vergelijkt, is dat die etnische groepen instructurele variaties verschillen. In de Nature Genetics-artikelen diebegin december verschenen bijvoorbeeld. Proefpersonen van Europese afkomsthadden, zoals hierboven genoemd, elk dertig deleties van enkele duizendenbaseparen. Maar Afro-Americans hadden er maar liefst vijftig. Eenzelfdepatroon bleek uit het hiv-onderzoek. Afrikaanse Bantoes hadden gemiddeldruim zes CCL3L1-kopieën; Italianen uit Toscane minder dan twee.

Donald Conrad, auteur van een van de nieuwe Nature Genetics-artikelen,waagt zich aan een begin van een verklaring voor zulke grilligheden. De 267genen waarin zijn onderzoeksgroep deleties vond, sorteerde hij. Wat bleek:de deleties zaten vooral in genen die te maken met de aanpassing aan onzeomgeving. Het ging om genen van het immuunsysteem, genen voor zintuiglijkewaarneming, voor de aanhechting van cellen aan losse moleculen en aanelkaar, en voor het doorgeven van signalen in de cel. Iets dergelijks vondde Amerikaanse onderzoeksgroep van Steven McCarroll die tegelijk metConrads groep in Nature Genetics publiceerde. McCarroll vond deletiesvooral in genen voor geslachtshormonen, geurwaarneming en ontgifting.

Donald Conrad noemt die gebieden op het genoom de regio's vanstructurele dynamiek'. Daar vinden onderzoekers ook veel genverdubbelingenen -omissies. We beschikken blijkbaar over een genoom waarin in sommigegebieden naar hartelust gerommeld wordt. Mogelijk is de uitkomst voorsommige individuen schadelijk, maar in het algemeen lijkt het best nuttig,zo'n genoom dat zijn immuunsysteem of ontgiftingsgenen af en toe een beetjehusselt. De omgeving verandert ook, tenslotte. Als dat werkelijk zo werkt,is het bestuderen van deze structurele variatie niet alleen goed voor onzekennis van ziektes. We zien ook evolutie in actie.


De deleties en duplicaties: we zien evolutie in actie Steeds meer structurele variatie Er is veel meer grootschalige variatie in ons genoom dan verwacht. Erzijn duizenden plaatsen in ons DNA waar een stuk is verdubbeld, verdwenen,omgedraaid of verplaatst ten opzichte van de standaard-versie van hetmenselijk genoom. Deze verschillen worden structurele variatie' genoemd. Dat dit soort variatie voorheen alleen sporadisch ontdekt werd, komtomdat er nauwelijks technieken bestonden om deze verschillen op te sporen.Wie niet wist waar hij moest zoeken naar een weglating (deletie) ofverdubbeling (duplicatie) van een stukje DNA, had eigenlijk maar ééngoede methode: karyotypering met de lichtmicroscoop. Daarbij bekijkt eenanalist de chromosomen tijdens de celdeling, als de lange draden DNA zichoprollen tot rupsvormige kluwens. Elk chromosoom heeft dan een typischuiterlijk, met een vaste lengte en een bandenpatroon (zie foto). Eengeoefend oog ziet de afwijkingen. Op deze manier vonden genetici deletiesen duplicaties met een minimale lengte van vijf miljoen baseparen. Een heelchromosoom is tussen de 50 en 250 miljoen baseparen lange. Het menselijk genoom, waarvan in 2001 de eerste versie werdgepubliceerd, leverde geen gegevens over de deleties, duplicaties of anderestructurele veranderingen. Dat heeft te maken met de techniek van hetsequencen, het bepalen van de basevolgorde. Een sequence-apparaat verwerktgeen hele chromosomen, maar DNA dat van tevoren in kleine stukken isgehakt. Mist er een stuk, dan valt dat niet op. Om structurele variatie teonderzoeken zijn nieuwe technieken ontwikkeld. Een ervan gebruikt hetstandaard genoom, opgedeeld in 32.000 fragmenten van ruim honderdduizendbaseparen, zogenaamde BAC's. Daarmee zijn deleties en duplicaties tothonderdduizend baseparen op te sporen. De BAC-techniek wordt toegepast op een DNA-chip'. Op zo'n chip, dieslechts enkele vierkante centimeters meet, zijn de 32.000 verschillendeBAC's aangebracht. Bekend is welke fragmenten waar zitten. Ze binden lossestukken DNA met overeenkomstige basevolgorde. Nu gebeurt het volgende: aan de DNA-fragmenten van het standaard genoomwordt een rode kleurstof gekoppeld. Het DNA van een proefpersoon is groengekleurd. In oplossing stromen alle fragmenten over de chip. Bindenfragmenten van beide personen aan een overeenkomstig fragment op de chip,dan zijn er drie mogelijkheden. Als de DNA-fragmenten in gelijkehoeveelheden voorkomen, dan mengt het uitstralende licht tot geel. Heeftde proefpersoon een duplicatie, dan komt zijn DNA in meer kopieën voor dannormaal en overheerst dus de groene kleur: de stip wordt groen. Heeft deproefpersoon een deletie, dan is de stip rood. Een verwante techniek, waarbij geen 32.000 BAC's maar 380.000 korterefragmenten (oligonucleotiden) op de DNA-chip gebruikt worden, is hetafgelopen jaar steeds belangrijker geworden. Theoretisch kunnen variatiesvan zo'n 50 baseparen ermee gevonden worden. In de praktijk gaat het omenkele duizenden.

Foto-onderschrift:

Detail van een DNA-chip, waarmee genetici sinds vorig jaarop grote schaal zoeken naar verdwenen en verdubbelde stukken DNA, dezogenaamde deleties en duplicaties. Een stuk DNA dat verdwenen is, verraadtzich als een groene stip; DNA dat verdubbeld is als een rode.Tot enkele jaren geleden was er maar n manier omstructurele afwijkingen in het genoom op te sporen: kijken. Van dechromosomen werd tijdens de celdeling een foto gemaakt, waaraan eengeoefend oog de grootste deleties en duplicaties kon zien. Deze persoonheeft een deletie op chromosoom nummer 11F.Variatie in het genoom Tot enkele jaren geleden was er maar n manier omstructurele afwijkingen in het genoom op te sporen: kijken. Van dechromosomen werd tijdens de celdeling een foto gemaakt, waaraan eengeoefend oog de grootste deleties en duplicaties kon zien. Deze persoonheeft een deletie op chromosoom nummer