October 14, 2009
LA JOLLA, CA—Hoewel de sequentie van het menselijk genoom een getrouwe opsomming geeft van (bijna) elke afzonderlijke DNA-base van de ongeveer 3 miljard basen waaruit een menselijk genoom bestaat, vertelt het biologen niet veel over hoe de functie ervan wordt gereguleerd. Nu bieden onderzoekers van het Salk Institute de eerste gedetailleerde kaart van het menselijke epigenoom, de laag van genetische controle die verder gaat dan de regulatie die inherent is aan de sequentie van de genen zelf.
"In het verleden waren we beperkt tot het bekijken van kleine fragmenten van het epigenoom", zegt senior auteur Joseph Ekker, Ph.D., professor en directeur van het Genomic Analysis Laboratory aan het Salk Institute en lid van het San Diego Epigenome Center. "In staat zijn om het epigenoom in zijn geheel te bestuderen, zal leiden tot een beter begrip van hoe de genoomfunctie wordt gereguleerd in gezondheid en ziekte, maar ook hoe genexpressie wordt beïnvloed door voeding en het milieu."
Hun studie, gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift van 14 oktober 2009 NATUUR, vergeleek de epigenomen van menselijke embryonale stamcellen en gedifferentieerde bindcellen van de long, fibroblasten genaamd, en onthulde een zeer dynamisch, maar strak gecontroleerd landschap van chemische wegwijzers die bekend staan als methylgroepen. De onderlinge vergelijking bracht een nieuw DNA-methyleringspatroon aan het licht dat uniek is voor stamcellen, wat zou kunnen verklaren hoe stamcellen hun pluripotente toestand tot stand brengen en behouden, aldus de onderzoekers.
De opkomst van epigenetica heeft de manier veranderd waarop onderzoekers denken over hoe ziekte ontstaat en hoe artsen het behandelen. Epigenetische veranderingen spelen een cruciale rol bij de ontwikkeling van kanker en sommige geneesmiddelen die direct interageren met het epigenoom zijn goedgekeurd voor de behandeling van lymfoom en longkanker en worden nu getest tegen een aantal andere soorten kanker. "Tenzij we weten hoe deze medicijnen het hele epigenoom beïnvloeden, begrijpen we hun volledige werkingsmechanisme niet echt", zegt Ecker.
Joseph Ecker, Ryan Lister en Mattia Pelizzola in het lab van het Salk Institute.
Afbeelding: met dank aan het Salk Institute for Biological Studies
De National Institutes of Health erkenden de centrale rol van het epigenoom op veel gebieden van de biologie en geneeskunde en lanceerden in 2008 een vijfjarig Roadmap Epigenomics-programma. Het San Diego Epigenome Center, geleid door Bing Ren, Ph.D. Molecular Medicine aan de University of California, San Diego School of Medicine en hoofd van het Laboratory of Gen Regulation aan het Ludwig Institute for Cancer Research, is een integraal onderdeel van de vijf jaar durende, $ 190 miljoen kostende inspanning om het onderzoek naar modificaties die genetische veranderingen teweegbrengen te versnellen. gedrag in het hele menselijke genoom.
De huidige studie, waaraan Ren en andere leden van het Centrum aan de Universiteit van Wisconsin en het Morgridge Institute for Research in Madison, Wisconsin, ook hebben bijgedragen, is niet alleen de eerste volledige kaart met hoge resolutie van een epigenoom bovenop de mens genoom, maar ook de eerste studie die wordt gepubliceerd als een direct resultaat van het Roadmap Epigenomics-programma.
"Dit document is een voorbeeld van de doelstellingen van de NIH Roadmap voor het Epigenomics-programma van Medical Research", zegt Linda Birnbaum, Ph.D., directeur van het National Institute of Environmental Health Sciences, een van de NIH-instituten die dit programma financiert. “De wetenschap is zo volwassen geworden dat we nu het epigenoom van een cel in kaart kunnen brengen. Dit artikel documenteert de eerste volledige mapping van het methyloom, een subset van het gehele epigenoom, van 2 soorten menselijke cellen: een embryonale stamcel en een menselijke fibroblastlijn. Dit zal ons helpen beter te begrijpen hoe een zieke cel verschilt van een normale cel, wat ons begrip van de routes van verschillende ziekten zal vergroten."
Epigenetische signalen kunnen op ten minste twee manieren sleutelen aan genetische informatie: de ene richt zich op histonen, de 'spoelen' waar DNA omheen windt en die de toegang tot DNA regelen. De andere is DNA-methylatie, een chemische modificatie van één letter, C (cytosine), van de vier letters (A, G, C en T) waaruit ons DNA bestaat. De afgelopen jaren is het laboratorium van Ecker begonnen in te zoomen op genomische methylatiepatronen, die essentieel zijn voor een normale ontwikkeling en geassocieerd zijn met een aantal belangrijke cellulaire processen, waaronder carcinogenese.
Door de techniek te perfectioneren in Arabidopsis thaliana, een plant waarvan het genoom 25 keer kleiner is dan het menselijk genoom, ontwikkelde Ryan Lister, Ph.D., een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Ecker en co-eerste auteur van de huidige studie, een ultrahoge verwerkingscapaciteit methodologie om precies te bepalen of elke C in het genoom gemethyleerd is of niet, en de resulterende epigenomische kaart te leggen op het exacte genoom dat het reguleert.
Vervolgens zette hij de gloednieuwe technologie aan het werk om de epigenomen van gedifferentieerde fibroblastcellen en menselijke embryonale stamcellen (hESC's) in kaart te brengen. een pluripotente stamcel, die het potentieel heeft om in een ander celtype te veranderen', zegt Lister.
Zoals verwacht, droeg in fibroblastcellen de meerderheid van C's gevolgd door een G een methylgroep, een patroon dat vaak wordt aangeduid als CG-methylering. Maar tot grote verbazing van de Salk-onderzoekers vond in embryonale stamcellen ongeveer een kwart van alle methyleringsgebeurtenissen plaats in een andere context.
"Niet-CG-methylering is niet helemaal ongehoord - mensen hebben het druppelsgewijs gezien, zelfs in stamcellen. Maar niemand had verwacht dat het zo uitgebreid zou zijn', zegt postdoctoraal onderzoeker en co-eerste auteur Mattia Pelizzola, die samen met Lister de uitgebreide taak op zich nam om de epigenoomgegevens uit deze enorme sequentiegegevenssets te extraheren en te analyseren. "Het hele veld was gericht op CG-methylering en niet-CG-methylering werd vaak als een technisch artefact beschouwd."
Om hun bevinding te bevestigen, richtten de auteurs zich vervolgens op verschillende regio's in een tweede hESC-lijn, evenals op fibroblastcellen die waren geherprogrammeerd tot zogenaamde geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS). "Ze hadden allebei hetzelfde hoge niveau van niet-CG-methylering, dat verloren ging toen we ze dwongen om te differentiëren", zegt Pelizzola.
Omdat ze in staat zijn om kaarten met hoge resoluties van het menselijke epigenoom te maken, zal de groep van Ecker nu beginnen te onderzoeken hoe het verandert tijdens de normale ontwikkeling en een verscheidenheid aan ziektetoestanden onderzoeken. "Voor het eerst zullen we in staat zijn om de fijne details te zien van hoe DNA-methylatie verandert in stamcellen en andere cellen terwijl ze groeien en zich ontwikkelen tot nieuwe celtypen", zegt hij. “Wij geloven dat deze kennis zeer waardevol zal zijn voor het begrijpen van ziekten zoals kanker en mogelijk zelfs psychische stoornissen. Op dit moment weten we gewoon niet hoe het epigenoom verandert tijdens het verouderingsproces of hoe het epigenoom wordt beïnvloed door onze omgeving of ons dieet.”
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door subsidies van de Mary K. Chapman Foundation, de NIH, het California Institute for Regenerative Medicine, het Australian Research Council Centre of Excellence Program en het Morgridge Institute for Research.
Onderzoekers die ook aan het werk hebben bijgedragen, zijn onder meer Robert H. Dowen en Joseph R. Nery van het Genomic Analysis Laboratory, Gary Hon, Leonard Lee, Zhen Ye, Que-Minh Ngo en Lee Edsall van het Ludwig Institute for Cancer Research aan de Universiteit van California San Diego, Julian Tonti-Filippini en A. Harvey Millar bij het ARC Centre of Excellence in Plant Energy Biology in Crawley, Australië, Jessica Antosiewicz-Bourget, Ron Stewart, Victor Ruotti en James A. Thomson bij het Morgridge Institute for Research and aan het Genome Center of Wisconsin, beide aan de University of Wisconsin in Madison.
Over het Salk Instituut voor Biologische Studies:
Het Salk Institute for Biological Studies is een van 's werelds meest vooraanstaande instellingen voor fundamenteel onderzoek, waar internationaal gerenommeerde faculteiten fundamentele levenswetenschappelijke vragen onderzoeken in een unieke, collaboratieve en creatieve omgeving. Gericht op zowel ontdekking als begeleiding van toekomstige generaties onderzoekers, leveren Salk-wetenschappers baanbrekende bijdragen aan ons begrip van kanker, veroudering, Alzheimer, diabetes en cardiovasculaire aandoeningen door neurowetenschappen, genetica, cel- en plantenbiologie en aanverwante disciplines te bestuderen.
Faculteitsprestaties zijn erkend met tal van onderscheidingen, waaronder Nobelprijzen en lidmaatschappen van de National Academy of Sciences. Het instituut, opgericht in 1960 door poliovaccinpionier Jonas Salk, MD, is een onafhankelijke non-profitorganisatie en architectonisch monument.
Bureau voor communicatie
Tel: (858) 453-4100
pers@salk.edu
