‘Junk’ DNA heeft wel functie

NIEUWS - Het menselijke genoom is sinds 2003 volledig bekend, maar beslaat maar een klein deel van ons DNA. De rest van ons DNA werd jarenlang weggezet als ‘junk DNA’, omdat niemand wist wat de functie ervan precies was. Maar wetenschappers krijgen steeds meer inzicht in de werking van dit ‘overbodige’ DNA.

Jarenlang werden de stukken DNA tussen onze genen letterlijk weggezet als afval – junk DNA.  Deze term werd in 1972 door de Japanse wetenschapper Ohno geopperd; hij voorspelde dat er een bovengrens  was aan  het aantal genen in zoogdieren (30.000) en dat de rest van het DNA niks doet. Hij bleek met zijn voorspelling niet ver naast het correcte aantal te zitten.

Maar uit een grote publicatie begin september van dertig artikelen met veel nieuwe informatie over ons genoom, blijkt dat ons junk DNA niet zonder nut is, maar een zeer grote regulerende rol heeft over onze genen. Het lijkt erop dat we nu zelfs meer variatie hebben in deze regulerende DNA-elementen dan in onze genen. Verschillen tussen individuen kunnen we nu waarschijnlijk ook beter verklaren.

Human Genome Project
Na voltooiing van het Human Genome Project in 2003 bleek de mens twintig- tot vijfentwintigduizend genen te bezitten; slechts het dubbele van een ‘simpel’ organisme als de fruitvlieg. Genen worden gebruikt om alle eiwitten in ons lichaam te produceren (en noemen we daarom protein-coding DNA). Maar genen beslaan slechts 2% van ons genoom. Het overige non-coding DNA (en dus niet junk DNA), leidt niet tot de vorming van eiwitten. Er heerste veel onbegrip over de functie van non-coding DNA. Wetenschappers begrepen maar niet waarom, na een evolutionair proces van miljarden jaren, er zoveel onnuttige informatie in ons DNA zou zitten.

ENCODE
Onderzoekers begonnen al gauw te speculeren dat de sleutel tot onze complexheid als organisme wel eens in het onbegrepen stuk DNA zou kunnen zitten. Zo werd negen jaar geleden het ENCODE consortium opgericht, een samenwerking van ruim 400 wetenschappers uit 32 onderzoeksinstituten. ENCODE (Encyclopedia of DNAElements) had zich ten doel gesteld alle functionele elementen van het genoom te achterhalen. Deze aanpak heeft een schat aan informatie opgeleverd over de functies van non-coding DNA. De belangrijkste conclusie uit hethoofdartikel:  80% van ons DNA vervult een biochemische functie in onze cellen. (Over dit getal bestaat overigens nog wel enige discussie: sommige wetenschappers vinden dat ENCODE wel een erg ruime definitie van het woord ‘functie’ heeft genomen.)

DNA-schakelaars en DNA-vouwing

Een van de interessantste vindingen zijn de vier miljoen schakelaars in ons DNA die de activiteit van genen aan en uit kunnen zetten. Deze schakelaars kunnen zowel vlakbij (promotors) als verder weg (enhancers) van het gen zitten (zie plaatje). In verschillende lichaamsceltypen zijn andere combinaties van deze functionele DNA-elementen actief, waardoor in elk celtype andere genen aan of uit staan. Elk lichaamsceltype heeft zo dus een eigen genetische identiteit. Dit is ook nodig want in bijvoorbeeld een levercel moeten hele andere processen plaatsvinden dan in een huidcel.

Met deze nieuwe kennis in het achterhoofd heeft één ENCODE onderzoeksteam de vouwing van DNA in de cel onderzocht. Aan DNA-schakelaars moeten eerst speciale eiwitten (transcriptiefactoren) binden om genen te activeren. Daarvoor zal het DNA – normaal met hulp van zogenaamde histon-eiwitten strak opgevouwen in de kern (zie plaatje) – op die plekken eerst ontvouwen moeten zijn. Wanneer DNA ontvouwen  wordt, een teken dat het wordt gebruikt in de cel, is het ook gevoeliger voor een enzym (DNase) dat het DNA op die plek in stukken knipt. Door gebruik te maken van deze eigenschap kun je uitvinden welke stukken DNA actief zijn in een bepaalde cel. Er wordt eigenlijk een soort ‘vingerafdruk’ van de cel gemaakt, iets wat de onderzoekers van ENCODE ook hebben gedaan. Door cellen nu bloot te stellen aan gifstoffen en/of geneesmiddelen kan men bestuderen hoe de ‘vingerafdruk’ verandert en daarmee achterhalen welke genen betrokken zijn.

De resultaten van ENCODE kunnen ook gebruikt worden om met een frisse blik oude onderzoeken opnieuw te bekijken. Een goed voorbeeld zijn de DNA-onderzoeken die het afgelopen decennium zijn uitgevoerd om de genetica van ziekten beter te begrijpen, zogenaamde genome-wide association studies. Hierbij werd gezocht naar mutaties in het hele genoom die gecorreleerd waren aan het voorkomen van een bepaalde aandoening. In deze studies werden veel zogenaamde SNP’s gevonden, een verandering van één enkele letter in het DNA. Een ENCODE onderzoeksteam heeft data van deze studies gekoppeld aan hun eigen data en vond dat slechts 12 procent van de SNP’s in genen zat. Het merendeel ligt echter in het non-coding DNA, en waarschijnlijk op een plek waar DNA-schakelaars liggen. Door ENCODE kan men nu onderzoeken welke genen hierdoor worden beinvloed. ENCODE zal ons nieuwe aanwijzingen geven over de oorzaken van verschillende ziekten en het zal hierdoor het biomedische  onderzoek in een flinke stroomversnelling brengen.

  1. 1

    Als wetenschappers zoiets beweren…: “De rest van ons DNA werd jarenlang weggezet als ‘junk DNA’, omdat niemand wist wat de functie ervan precies was. (…) Jarenlang werden de stukken DNA tussen onze genen letterlijk weggezet als afval – junk DNA. Deze term werd in 1972 door de Japanse wetenschapper Ohno geopperd; hij voorspelde dat er een bovengrens was aan het aantal genen in zoogdieren (30.000) en dat de rest van het DNA niks doet. (…)”
    … dan verliezen ze mijn respect. Dus omdat zij op dat moment niet snapten waar dat DNA voor was, was het “waardeloos”, niet de moeite van het bestuderen waard?! Eerder andersom, zou ik zeggen. Maar gelukkig zijn er dus ook wetenschappers die dat wel zijn gaan uitzoeken.

  2. 3

    @Ernest, nergens voor nodig om zo te reageren, het laat alleen maar zien dat je niet begrijpt hoe wetenschap werkt.

    Er was vanaf het begin twijfel over Ohno’s argumenten om te beweren dat een groot gedeelte van het DNA wel niets moest doen, nl. dat er een bovenlimiet moest zijn aan het aantal genen omdat anders de kans op mutaties te hoog werd. Maar er was niet echt een betere theorie en zijn voorspelling bleek wel wonderwel te kloppen. Dat er niet echt een betere theorie was betekende niet dat niemand daar naar zocht, het betekende ook niet dat zulk onderzoek niet werd gefinancierd, nog dat men dacht dat het niet de moeite waard was om te bestuderen, geen idee hoe je daar bij komt. Het was juist een interessant probleem, maar duidelijk te groot om in de jaren 70 mee aan de slag te gaan. Vandaar ook het ENCODE project. Elke (goede) wetenschapper wist wel dat er mogelijk een functie voor de rest van het DNA is, het ‘junk’ DNA noemen was gewoon een handige afkorting om te zeggen we weten niet wat het doet, maar het is er en als het echt een functie heeft dan vinden we dat wel, maar we weten ook dat als de kosten (in termen van functioneren) voor een organisme niet te hoog zijn dan kan er zich allemaal troep ophopen in het DNA. Wetenschappers weten dat de wereld grijs is en niet zwart/wit.

    Trouwens ‘junk’ DNA is meer een term uit en voor de populaire media, genetici hebben het al lange tijd liever over noncoding DNA.

    Feit is dat de wetenschappelijke methode na veel puzzelen nu een tipje van sluier aan het oplichten is iets dat echt ons respect verdiend.

  3. 4

    @3 Nou nou, niet zo snel aangebrand zeg. Er is wel wat meer “wetenschap” dan DNA-wetenschap, dus zo algemeen zou je het niet hoeven te stellen. Je merkt toch dat ik op de terminologie aanmerkingen heb, op het noemen van “junk”?

  4. 5

    Helaas begrijp ik van het artikel weinig.
    Wat ik wel begrijp is dat mijn scepsis over het Human Genome Project nog verder is bevestigd, we weten nog minder dan we dachten.

    Dat we heel weinig weten, met alle respect overigens voor wat we wel weten, blijkt b.v. uit de gekke koeien ziekte.
    Voor zo ver ik weet wete nog steeds niemand waarom het eiwit, wat de ellende veroorzaakt, zich in het geval van de ziekte in een andere structuur manifesteert.
    Evenmin heb ik ooit ergens gelezen hoe de ziekte zich van koe tot mens verplaatst.

    Naar ach, zoals een promovendus op pharmaceutisch gebied me bevestigde, van geen enkel geneesmiddel is op moleculair niveau bekend hoe het werkt.

    Nu ik dit opschrijf schiet me te binnen dat enkele jaren geleden werd ontdekt dat het DNA een geheugenfunctie bezit, het DNA onthoudt wat bij één van de ouders is gebeurd.
    Details herinner ik me niet meer.

    Het DNA onderzoek doet me denken aan het fundamentele materie onderzoek, ook daar weten we steeds beter wat we allemaal niet weten.

    Wat de biologische manipulatie van clubjes als Monsanto aanricht, ik huiver.
    Volgens mij hebben ze geen idee wat ze aan het doen zijn.

  5. 6

    @5: Overdrijven is ook een kunst hoor. Ik kreeg 15 jaar geleden tijdens mijn studie al te horen/lezen dat het zogenaamde “junk” DNA een aantal belangrijke rollen vervulde. Maar goed je bent tenminste eerlijk in je openingszin, uit het vervolg maak ik op hoe waar die is.

  6. 9

    Het is boeiend om te volgen hoe de wetenschap met leuke trivialiteiten het publiek gunstig stemt. Geen woord over de Monsanto’s van deze wereld, waarvoor de wetenschap haar beste mensen levert. Het aanzien van de wetenschap, als machtige poot van de corporate wereldorde, is gelegen in een zorgvuldige orkestratie van de werkelijkheid, die dan ook wonderlijk rooskleurig is. Zonder Popper’s zwanen zou de wetenschappelijke praktijk waarschijnlijk nog onwerkelijker zijn voor een onafhankelijke geest. Het geloof in wetenschap als dienaar van de mensheid is net zo naïef als het geloof dat God de vrouw gekloond heeft uit de rib van een man.