Als je zo’n kop boven een stukje kunt bedenken, moet je het ook wel schrijven. Dit stuk gaat over ENCODE, een studie die anderhalve week geleden werd gepubliceerd in Nature. ENCODE gaat verder waar het humaan genoom project ophield: na het lezen van de menselijke DNA-code heeft ENCODE in kaart gebracht hoe DNA-elementen samenwerken om de expressie van genen in goede banen te leiden.
Eerst maar even een nieuwsbericht dat ik voor het ND tikte, maar dat door ruimtegebrek en door de nogal complexe materie de krant niet haalde. Het was dan ook een poging nogal complexe materie binnen een heel beperkte ruimte te beschrijven. Aangezien ik voor recycling ben, en de lezers van dit blog vermoedelijk meer achtergrondkennis hebben dan de gemiddelde ND-lezer, plaats ik het hieronder ter inleiding van de in de kop aangekondigde materie.
(NB: Net voordat ik dit stuk wilde plaatsen floepte de derde bijdrage van Marleen Roelofs over dit onderwerp binnen, waarin ze enkele van dezelfde thema’s bespreekt. Dus heb ik haar plaatje gepikt alvorens mijn tekst te plaatsen).
ENCODE werpt licht op het genoom
Het klassieke beeld van ons DNA, als een verzameling afzonderlijke genen met daartussen een soort ‘opvul’-DNA zonder waarde, kan in de prullenbak. Een zorgvuldige analyse van het menselijk genoom die in 2003 begon, laat een totaal ander beeld zien.
Het ENCODE-project is door de Amerikaanse overheid in gang gezet na de opheldering van het complete menselijke genoom. Omdat mensen niet of nauwelijks meer genen bleken te hebben dan veel eenvoudiger levensvormen, moest ENCODE een ‘encyclopedie van DNA-elementen’ leveren. In een serie artikelen maken de onderzoekers van dit project nu een voorlopige balans op.
Een belangrijke ontdekking is dat driekwart van al ons DNA wordt vertaald in kleine stukken van het verwante RNA. Eerder werd gedacht dat alleen het DNA van genen (die amper 2 procent van het menselijk genoom beslaan) in RNA werd omgezet, waarna dit RNA weer dient als bouwtekening voor de productie van eiwitten. De laatste jaren zijn al verschillende soorten RNA-moleculen gevonden die niet betrokken zijn bij eiwitproductie, ENCODE maakt duidelijk veruit het meeste RNA niet direct betrokken is bij het maken van eiwitten. Ook ontdekten de wetenschappers dat de informatie op het DNA niet strikt lineair is opgeslagen. Van een stuk DNA kunnen verschillende RNA moleculen worden afgelezen.
Veel van het RNA is betrokken bij de regulering van de werking van genen. Dat doen ze in complexe netwerken. Een onderzoek laat zien dat 119 verschillende RNA moleculen ongeveer een half miljoen interacties aan kunnen gaan. Het hele netwerk stuurt de activiteit van verschillende genen. De manier waarop lijkt op de organisatie van een grote onderneming: er is een topmanagement met veel invloed, een middenmanagement en er zijn ‘voormannen’ die de werkvloer (in dit geval de genen) direct aansturen.
Een opvallende ontdekking is dat een aantal pseudogenen, genen die hun functie hebben verloren, nog wel RNA-moleculen aanmaken. Die leiden niet meer tot de productie van eiwit, maar het RNA heeft wel degelijk effect door bijvoorbeeld andere genen actiever te maken of juist te remmen.
Wat nu precies een ‘gen’ is zullen we opnieuw moeten definiëren, aldus een van de betrokken onderzoekers. Ook de vraag hoe ons DNA precies werkt ligt weer open.
Tot zover het nieuws. Meer is te lezen op deze en deze blog van Marleen Roelofs (die er meer verstand van heeft dan ik). De New York Times schreef er ook over.
Goed, nu naar het junk-DNA. Een term die een poos geleden bedacht is, toen bleek dat slechts een fractie van het DNA bestaat uit genen. De rest leek niets te doen, en werd door sommigen als ‘junk’ (afval) bestempeld. Oude, kapotte pseudogenen, virale sequenties en andere rommel lagen er een beetje niets te doen. Wrakhout op het strand van de evolutie. Hier en daar was er misschien een regulerend stukje, maar dat was het dan wel.
De laatste jaren is dit beeld al flink bijgesteld. Kleine RNA’s werden ontdekt, die een belangrijke rol spelen. En eerdere berichten uit het ENCODE kamp suggereerden al dat de regulerende sequenties meer dan een klein beetje ruimte innamen.
Een groep die zich sterk verzette tegen de benaming ‘junk-DNA’ zijn de creationisten. Ons genoom is immers geschapen en dus ook nuttig. Kort door de bocht geformuleerd, maar het komt daar wel zo’n beetje op neer. Junker en Scherer schrijven in ‘Evolutie, het nieuwe studieboek’: “Zonder twijfel staan we pas aan het begin van de ontdekking van de functie van vele niet-coderende DNA-sequenties, die men uit evolutietheoretisch oogpunt vroeger voorbarig als ‘junk-DNA’, dus evolutionair afval betiteld had.”
Hebben die even gelijk gekregen! Tachtig procent van het DNA is actief. Nou, dat is te nuanceren. Ten eerste: junk-DNA is als zodanig bestempeld omdat het geen functie leek te hebben (dus observationeel). De aanwezigheid van junk is evolutionair te verklaren, maar de hoeveelheid junk is dat niet. Alleen al omdat de ui veel meer niet-coderend DNA heeft dan de mens, en de kogelvis veel minder. We hebben het niet over een noodzakelijke voorspelling vanuit de evolutietheorie, maar over een theoretische verklaring van een observatie.
Er is nu enige discussie over de hoeveelheid DNA die echt functioneel actief is. De schatting die via ENCODE naar buiten is gebracht, lijkt erg hoog te zijn, zie bijvoorbeeld dit kritische stuk. En deze blog legt uit dat activiteit van het DNA of binding van RNA’s die er vanaf komen, niet per se betekent dat er ook evolutionaire selectie is. Ook al wordt het DNA afgeschreven in RNA, het kan nog steeds evolutionair afval zijn.
Panda’s Thumb schrijft al dat de creationisten staan te juichen, maar deze beroepsskeptici schrijven de ui-test voor. Want als het niet-coderend DNA van de mens functioneel is, waarom kan een kogelvis dan met 10 procent van de menselijke hoeveelheid niet-coderend DNA leven, terwijl een simpele ui veel meer niet-coderend DNA heeft dan een mens?
Waarom, inderdaad.
De ui-test is op zich verhelderend, maar roept ook een vraag op. Waarom, als er bij de kogelvis een sterke selectie tegen niet-coderend DNA is, heeft de mens tien keer zo veel en de ui nog meer?
De test werkt dus twee kanten op, dus het kan Panda’s Thumb er de discussie niet mee beëindigen, zoals ze lijken te willen doen. De enige zinvolle conclusie die we uit de uit-test kunnen trekken lijkt mij te zijn: we hebben geen flauw idee waarom het is zoals het is, dus laten we nu eens flink gaan zoeken naar een antwoord.
De bestempeling van niet-coderend DNA tot ‘junk’ heeft de onderzoeksinspanning naar deze donkere materie van ons erfelijk materiaal niet altijd gestimuleerd. Maar fair is fair, zo’n onderzoek is nu ook pas echt uitvoerbaar, dankzij de mogelijkheid grootschalig DNA en RNA te sequencen en interacties op grote schaal te onderzoeken.
En de creationisten? Die hadden misschien wel gelijk, maar om de verkeerde reden. Of alle junk echt functioneel is, is nog maar de vraag. Het kan zijn dat het meerendeel toch rommel blijkt te zijn, die een niet-specifieke functie heeft (bijvoorbeeld een bepaalde concentratie eiwit in de cel in stand houden). Eén ding is zeker: wat er aan de hand is zullen we alleen ontdekken door onderzoek. En ja, soms kan een ongelukkig gekozen naam dat onderzoek negatief beïnvloeden. Ook wetenschappers moeten oppassen voor overmoed.
René,
Je schrijft:
“Het klassieke beeld van ons DNA, als een verzameling afzonderlijke genen met daartussen een soort ‘opvul’-DNA zonder waarde, kan in de prullenbak.”
Hoeveel biologen met verstand van zaken liepen er tot 5 september volgens jou rond met dit ‘klassieke beeld’? Ik vermoed zelf niet één eerlijk gezegd.
“De bestempeling van niet-coderend DNA tot ‘junk’ heeft de onderzoeksinspanning naar deze donkere materie van ons erfelijk materiaal niet altijd gestimuleerd.”
De bedenker van de term, Susumu Ohno, heeft deze term nooit gebruikt voor het niet-coderende deel van het genoom. Dat het misschien in de volksmond die betekenis heeft gekregen kan er toch niet toe hebben geleid dat het de onderzoeksinspanning van vakmensen heeft beïnvloedt ?
Rob, bovenstaande artikel omspant een jaar of veertig. Het ‘klassieke beeld’ is met name het populair-wetenschappelijke beeld dat volgens mij tot een jaar of vijftien, twintig geleden nog opgeld deed. In mijn beleving is dat beeld pas echt gaan kantelen door de ontdekking van actieve RNA’s (zoals de siRNA’s).
Of het de term ‘junk’ echt onderzoek heeft geremd is natuurlijk moeilijk te zeggen. Maar – weer in mijn beleving als observator van wetenschap – lag de focus toch altijd op de genen, met een beetje aandacht voor de naastliggende regulerende sequenties. Zoals ik al aangeef is een praktische verklaring dat echt onderzoek pas mogelijk was toen grootschalige analyses (zoals nu ENCODE) technisch haalbaar waren.
Een duidelijk overzicht. Jammer dat het niet geplaatst kon worden in het ND. Overigens hebben andere grote Nederlandse kranten er ook (nog) niet over geschreven voor zover ik weet.
Het verbaast me dat overal verwezen wordt naar de ‘onion test’. Deze test zegt uitsluitend dat een grote hoeveelheid junk zoals dat van de ui blijkbaar niet bijzonder veel betekenis heeft aangezien verwante plantensoorten het zonder al dat junk net zo goed doen. Een organisme als de mens dat zoveel complexer is dan de ui leeft met veel minder junk DNA. Dus kan junk nooit zo belangrijk zijn voor de ontwikkeling van een organisme en heeft dus geen rol. Dit is de redenering in de ‘onion test’ zoals ik die begrepen heb.
Maar, het zou heel goed kunnen dat een experiment als ENCODE, uitgevoerd op het genoom van de ui, zou laten zien dat het junk in de ui ook veel minder is dan we tot nu toe dachten. Het zou interessant zijn het percentage ‘echte’ junk in de ui te kennen en te vergelijken met dat van de mens (20% volgens ENCODE).
Zie Sandwalk – groot aantal bijdragen.
En vooral deze:
http://selab.janelia.org/people/eddys/blog/?p=683
Daaruit:
“ENCODE’s definition of “functional” includes junk
ENCODE has assigned a “biochemical function” to 80% of the genome. The newspapers add, “therefore it’s not junk”, but that’s a critically incorrect logical leap.”
“ENCODE calls a piece of DNA “functional” if it reproducibly binds to a DNA-binding protein, is reproducibly marked by a specific chromatin modification, or if it is transcribed.”
“But as far as questions of “junk DNA” are concerned, ENCODE’s definition isn’t relevant at all. The “junk DNA” question is about how much DNA has essentially no direct impact on the organism’s phenotype – roughly, what DNA could I remove (if I had the technology) and still get the same organism”
“Thought experiment: if you made a piece of junk for yourself — a completely random DNA sequence! — and dropped it into the middle of a human gene, what would happen to it? It would be transcribed, because the transcription apparatus for that gene would rip right through your junk DNA. ENCODE would call the RNA transcript of your random DNA junk “functional”, by their technical definition.”
“The Random Genome Project is the null hypothesis” – en dat is niet uitgevoerd.
Let wel: transcriptie betekent niet dat er een regulatoire functie. Een hoop getranscribeerd RNA wordt gewoon afgebroken. ” .. it reproducibly binds to a DNA-binding protein” – dat doet het altijd als er een bepaalde sequentie zit, het vertelt je niet dat er sprake is van enige regulatie.
Het genoom is veel rommeliger dan een verhaal over regulatie doet denken. ‘Sandwalk’ zegt: hype, en ik denk dat het dat is. (Hoe verdedig je zo’n groot project als er alleen ruis uitkomt? om maar even te griepen.)
Aansluitend op de reactie van Gerdien over de rommeligheid van het genoom bestaat er de enorme ruis bij transcriptiefactoren waarover het mooie blog van ‘The Finch and pea’ van Mike White verhaalt.
http://thefinchandpea.com/2012/09/07/the-truly-provocative-and-disturbing-stuff-in-encode/
Behalve het ‘Random Genome’ pleit hij ook voor een test met ‘Naked Genome’ d.w.z. zonder histonen.
http://thefinchandpea.com/2012/09/10/random-genome-naked-genome/
De hype die er ontstaan is, is natuurlijk ongelooflijk:
http://www.genomicron.evolverzone.com/2012/09/the-encode-media-hype-machine/
Maar het valt niet te ontkennen dat er een metahype is ontstaan, een blogsfeerhype over de mediahype als het ware.
Tot nu toe heb ik de indruk dat ENCODE veel minder opgeleverd heeft dan de auteurs in Nature beweren.
@ René
Je zegt: “Of alle junk echt functioneel is, is nog maar de vraag. Het kan zijn dat het merendeel toch rommel blijkt te zijn, die een niet-specifieke functie heeft (bijvoorbeeld een bepaalde concentratie eiwit in de cel in stand houden).”
Als een stukje niet-coderend-DNA ervoor dient om een bepaalde concentratie eiwit in de cel in stand te houden, is die functie toch wel specifiek ( n.l om een bepaalde concentratie eiwit in de cel in stand te houden;kan heel belangrijk zijn of niet?) en is dat stukje niet-coderend DNA daarmee geen junk-DNA of zie ik dat verkeerd?
@Nand, ik bedoel de totale eiwitconcentratie – dus welk eiwit er is maakt niet uit.
Hoe kan niet-coderend DNA bijdragen aan de eiwitconcentratie in de cel?
Bedoel je daarmee dat het via transcriptie naar RNA de eiwitconcentratie op peil houdt?
Mensen hebben een mutatie in het MYH16 gen, waardoor er een verkort eiwit wordt gemaakt. Dat is niet functioneel (het zou spiervezels moeten vormen in de kaakspier). Het is dus mogelijk dat een niet-functioneel eiwit wordt gemaakt.
Analoog daaraan is het mogelijk dat er niet-functioneel RNA wordt gemaakt. Het enkele feit dat een stuk DNA wordt afgelezen en vertaalt in RNA betekent dus niet dat het een specifieke functie heeft.