Met DNA-chip zoeken naar een speld in de hooiberg

Een van de meer curieuze afkortingen uit het wetenschappelijkabracadabra is PIONIER, wat staat voor 'Persoonsgerichte Impulsvoor Onderzoeksgroepen met Nieuwe Ideeën voor ExcellenteResearch'. In 1989 werd de Pionier-subsidie dooronderzoeksorganisatie NWO in het leven geroepen om jonge,veelbelovende onderzoekers in staat te stellen ervaring op te doenals leider van een omvangrijk onderzoeksproject. Inmiddels zijnlandelijk éénentachtig PIONIER-subsidies van rondanderhalf miljoen gulden per persoon uitgereikt, waarvan zeventienaan Utrechtse onderzoekers. Dit jaar zijn in Utrecht vier nieuweprojecten van start gegaan. Na geoloog Frits Hilgen en bioloog BenScheres presenteert het Ublad deze week bio-medisch onderzoekerMarc Timmers.

Het eiwit dat DNA 'vertaalt', krijgt instructies vaneen netwerk van meer dan duizend andere eiwitten. Met dit soortcomplexiteit stoeit pionier dr Marc Timmers. Uiteindelijk wil hijregeleiwitten in verband brengen met bepaalde ziektes.

Eén van de nieuwe technieken waarmee pionier dr. MarcTimmers in de toekomst wil gaan werken is die van de DNA-chips. Datzijn silica-plaatjes van ongeveer één centimeter bijéén centimeter, waarin maar liefst honderdduizend kleineputjes zitten. In elk putje zit een ander stukje synthetisch DNA.Enkele chips zijn voldoende om het totale erfelijke materiaal vande mens, dat ruim honderdduizend genen bevat, op te slaan.

Een belangrijke toepassing van de chips wordt de mogelijkheid omweefselmateriaal van patiënten door te lichten op biochemischeafwijkingen, bijvoorbeeld in het geval van kanker. Maar naast ditsoort klinische toepassingen denkt Timmers dat de chips ook zijneigen pionieronderzoek in een stroomversnelling kunnen brengen.

Hij springt in feite in op een techniek die pas een half jaaroud is en die tot nu toe alleen in de Verenigde Staten ineenvoudiger proeven met bakkersgist is toegepast (het DNA van gistis tweehonderdvijftig maal zo kort als dat van de mens). Maar dechip-techniek is veelbelovend, het Universitair Medische CentrumUtrecht (UMCU) heeft haar zelfs tot een van zijn speerpunten binnenhet zogeheten genvlag-stimuleringsprogramma gemaakt.

Het is een van de voordelen van de vijfjarige looptijd van eenpionierbeurs (ongeveer 3 miljoen gulden, verstrekt dooronderzoeksorganisatie NWO en de universiteit samen): je kuntrekening houden met toekomstige ontwikkelingen. En in ditspecifieke geval zijn die ontwikkelingen zelfs vrij precies tevoorspellen, iets dat in de wetenschap zeldzaam is. Timmersverwacht bijvoorbeeld dat het totale menselijke DNA binnen driejaar volledig in kaart is gebracht, zodat er DNA-chips gemaaktkunnen worden.

Timmers: "Toen een aantal jaren geleden in de VS het plangelanceerd werd om de DNA-volgorde van de mens te bepalen, zeidenveel mensen ikzelf inbegrepen: wat een verspilling van geld! Maarnu moet ik toegeven dat door het project de technologie ontzettendveel verbeterd is. Een Amerikaans bedrijf heeft pas nog eenapparaat ontwikkeld waarmee je tien keer grotere stukken DNA indezelfde tijd kunt ophelderen. Daarmee zal binnen een paar jaarbekend zijn op welke plekken in het DNA die honderdduizend genenallemaal liggen."

Bouwtekening

Timmers werkt maar op een klein deelgebied binnen de immense encomplexe genetische machinerie van de cel. Als er straks een soortgenetische bibliotheek op Internet te vinden zou zijn waar de driemiljard genetische puzzelstukjes van de mens keurig op volgordestaan, zou hij slechts een klein deel van die informatie nodighebben. Maar hij zal er dankbaar gebruik van maken.

Het radertje waarmee Timmers zich bezighoudt is een eiwitcomplexin de cel dat het DNA 'vertaalt'. DNA-moleculen hebben de vorm vantouwladders waarbij de sporten de genetische informatie bevatten.Er zijn namelijk vier verschillende soorten sporten en hunonderlinge volgorde is in ieder gen steeds verschillend. Desportvolgorde vormt zo een soort streepjescode voor het gen.

Het eiwitcomplex, RNA-polymerase II geheten, gebruiktéén van de strengen van de touwladder als matrijs om eenkopie te maken. Die kopie heet RNA. Dat RNA wordt vervolgens in decel gebruikt als bouwtekening voor eiwitten. De honderdduizendgenen van de mens staan zo model voor honderdduizend bouwtekeningenen dus honderdduizend verschillende eiwitten.

Eiwitten zijn in feite de werkers in de cel. Sommige eiwittenhebben echter de taak van regelaar en beïnvloeden deactiviteit van andere. Zo ontstaat een ongelooflijk ingewikkeldsturingsnetwerk. Die ingewikkelde organisatiestructuur probeertTimmers voor een deel te ontrafelen. Centraal in zijn onderzoekstaat het RNA-polymerase II dat op zijn beurt door andere eiwittenwordt gestuurd.

"Je kunt dat complex vergelijken met een motorblok in eenauto",vereenvoudigt Timmers. "In een auto wordt de motor gestuurddoor de versnellingen en de brandstoftoevoer. Bij RNA-polymerase IIwordt dat gedaan door een tweede set eiwitten, enkele duizenden inaantal. Er is de laatste tien jaar overal ter wereld veel aangewerkt. Het voordeel is dat je dit allemaal nog in een reageerbuismet cel-extract kunt onderzoeken."

Deze regulerende groep eiwitten speelt een rol bij ziektes alskanker. Als de sturing verstoord is gaat de motor een bepaald gensoms te snel vertalen in RNA-bouwtekeningen. Dat geeft vervolgensteveel van het bijbehorende eiwit Als dat op zijn beurt eenregeleiwit is, krijgen zijn 'ondergeschikten' onjuiste orders en zowordt de fout versterkt. Eén foutje kan zo op diverse frontengevolgen hebben. Het spreekt voor zich dat het niet makkelijk isachteraf te achterhalen waar het in de organisatie nu precies foutgelopen is.

En het is nog ingewikkelder: iedere cel beschikt over meer danhonderdduizend genen, terwijl die lang niet in iedere cel nodigzijn. Het gen voor spiereiwit hoeft bijvoorbeeld alleen inspiercellen actief te zijn. Gemiddeld is slechts tien procent vande genen actief in een cel. Maar hoe zorgt de cel ervoor dat deoverige negentig procent in slaaptoestand blijven? HetRNA-polymerase II en ook de honderden regulatie-eiwitten daaromheenkunnen daar geen onderscheid in maken.

Hooiberg

"Over dat systeem ligt nog een derde laag", verklaart Timmers."Dat noemen we de globale regulatie. Je moet bedenken dat DNA voorhet grootste deel als dikke spiralen in elkaar gewonden zit. Op dieplekken kan het niet vertaald worden in RNA. Maar op de actieveplekken is het ontwonden en dus meer toegankelijk. Die derde klasseeiwitten stuurt het proces van winding en ontwinding en selecteertdaarmee welke genen overgeschreven worden."

"Met die derde groep zijn we pas een jaar of drie jaar bezig enhet is nog een onontgonnen gebied. Je kunt dit ook niet meer in eenreageerbuis testen omdat de organisatie van het systeem dan alteveel verstoord is."

Eiwitten uit de derde groep spelen vaak ook een rol bij deembryonale ontwikkeling; in dat proces waarin cellen hun identiteitvinden, worden afwisselend genen aan en uitgeschakeld, afhankelijkvan de ontwikkelingsfase en dat gebeurt ook door ontwinding van hetDNA van die genen.

Genetische afwijkingen wijzen dan ook vaak in de richting vanafwijkingen in de derde groep eiwitten. In het fruitvliegje hebbenonderzoekers bijvoorbeeld door DNA te beschadigen bepaalde mutantengecreëerd die poten op hun kop hebben in plaats vanvoelsprieten. Hetbeschadigde gen wordt geacht deel uit te maken vande derde groep regulatoren. Eén van Timmers doelen is om ditsoort veronderstellingen te bewijzen. Vervolgens wil hij deprecieze rol van zo'n eiwit in het geheel ophelderen.

"We hopen dan natuurlijk dat we zo'n eiwit in verband kunnenbrengen met bepaalde ziektes. Dat is eigenlijk een heel nieuweaanpak. Tot nu toe zoeken wetenschappers meestal vanuit eenbepaalde ziekte naar het gen dat ervoor verantwoordelijk is. Maarwij hebben de genen als uitgangspunt en zoeken vervolgens naarbestaande ziektes die ermee te maken kunnen hebben. Dat klinktmisschien als het zoeken naar een speld in een hooiberg, maar alsje dankzij die DNA-chip de hooiberg helemaal in kaart kunt brengen,dan is het volgens mij te doen."

Frans van Mieghem