Zo zetten meisjes één X-chromosoom uit

Slechts één van de X-chromosomen in vrouwelijke cellen is actief. Wetenschappers zouden graag weten hoe de cel dat klaarspeelt, onder meer om mensen te helpen bij wie het misgaat.

Dat de instructies die in ons lichaam alles in goede banen leiden zich in ons DNA bevinden, dat wist u inmiddels. Maar wat doen die eigenaardige wenteltrapmoleculen daar eigenlijk de hele dag in die piepkleine celkern? Zelfs veel wetenschappers hebben daar eigenlijk geen flauw idee van. Anderen, zoals de onderzoeksgroep van Hendrik Marks en Henk Stunnenberg aan de Radboud Universiteit in Nijmegen, zoeken met de allernieuwste technieken naar antwoorden.

Van de twee keer 23 afzonderlijke stukjes DNA of chromosomen in onze celkern (de helft geërfd van je vader, de helft van je moeder) is het X-chromosoom één van de favoriete doelwitten van deze wetenschappers. Daar is namelijk iets interessants mee aan de hand. Zoals u weet hebben mannen er maar één (zij hebben daarnaast een veel kleiner Y-chromosoom, dat ervoor zorgt dat ze zich tot man ontwikkelen), terwijl vrouwen in elke cel twee X-chromosomen hebben.

Dat is in principe redelijk problematisch, want doorgaans geldt dat hoe vaker een bepaald gen in de celkern voorkomt, hoe vaker het wordt afgelezen en vertaald in een eiwit dat in onze cel een bepaalde klus moet klaren. Maar vrouwen hebben helemaal geen dubbele portie van de door het X-chromosoom gecodeerde eiwitten nodig. Meer nog: van een extra portie eiwit kun je ziek worden. Denk maar aan het Down-syndroom, veroorzaakt door een derde exemplaar van chromosoom 21.

Dus zetten vrouwelijke embryo's in al hun cellen zo snel mogelijk één van beide X-chromosomen uit. Dat wisten we al, maar hoe ze dat doen, was tot voor kort een raadsel. Nochtans is het interessant, want deze redelijk drastische uitschakeling kan ons mogelijk veel leren over het subtielere spel van aan- en uitswitchende genen op andere chromosomen. In het vakblad 'Genome Biology' lichten Marks en Stunnenberg deze week samen met de groep van Joost Gribnau van het Erasmus MC in Rotterdam een flinke tip van de sluier. Benieuwd hoe ze dat klaarspeelden.

“We maakten gebruik van een bekende techniek die RNA-seq heet,” vertelt Marks. “Die maakt het mogelijk om exact te achterhalen welke genen van het DNA worden overgeschreven naar RNA, dat de instructies doorgeeft naar de plek waar nieuwe eiwitten gebouwd worden. RNA dat opduikt op het moment dat één van beide X-chromosomen uitgeschakeld wordt, is waarschijnlijk van belang.”

Maar hoe weet je welk RNA van welk X-chromosoom afkomstig is? “Dat wisten we vroeger niet,” vertelt Marks. “Maar dat hebben we opgelost, in twee stappen. Allereerst gebruikten we cellen van een vrouwelijke muis van wie de ouders tot verschillende ondersoorten behoorden. Die hebben sterk verschillende X-chromosomen, waarvan we het RNA vaak duidelijk kunnen onderscheiden.”

Bovendien saboteerden ze in het X-chromosoom van telkens dezelfde ouder het zogenaamde Tsix-gen. Dat codeert voor RNA-moleculen die proberen verhinderen dat een concurrerend gen, het Xist-gen, RNA maakt dat ervoor zorgt dat het X-chromosoom uitgeschakeld wordt.

“Als Tsix niet werkt, heeft Xist vrij spel, en dus wisten we op voorhand welk X-chromosoom zou worden uitgezet, en konden we de activiteit van beide chromosomen voor, tijdens en na de uitschakeling nauwkeurig met elkaar vergelijken,” vertelt Marks. Maar wat leren we daar nu uit?

“Allereerst zagen we, zoals verwacht, dat de genen van het uitgeschakelde X-chromosoom veel minder vaak naar RNA worden overgeschreven dan de genen van het actieve chromosoom, zeg maar: zelden of nooit. Met één voorspelbare uitzondering: het Xist-gen dat de uitschakeling regelt.”

Daarnaast bleek dat niet alle genen tegelijk worden uitgeschakeld. “Dat gebeurt geleidelijk aan, in verschillende stappen, en in grote lijnen kan je zeggen dat het langer duurt naarmate de genen op het chromosoom verder van het Xist-gen verwijderd liggen. Dat komt omdat het Xist-RNA langer onderweg is voor het, samen met een complex van eiwitten, ook die genen kan uitschakelen.”

'Verder' is echter een zeer relatieve term in de celkern, want de lange chromosomen kunnen zich daar niet uitstrekken, maar zijn eindeloos geplooid en opgevouwen. Genen die op het chromosoom ver van elkaar verwijderd lijken, kunnen dus in de praktijk best dicht tegen elkaar aanliggen.

“Met een vrij nieuwe techniek die Hi-C heet kunnen we afzonderlijke delen van het chromosoom die in de kern dicht bij elkaar liggen aan elkaar vastklinken”, vertelt Marks. “Vervolgens knippen we het chromosoom in stukjes, en kunnen we zien welke delen in elkaars gezelschap vertoefden.”

Daaruit blijkt dat niet alleen de afstand op het chromosoom, maar ook de locatie in de celkern een belangrijke rol speelt,” aldus Marks, “Het uitzetten van het X chromosoom duurt zo’n 8 dagen en gedurende die tijd worden de genen niet geleidelijk, maar met 'sprongen' geïnactiveerd.” (zie figuur)

Figuur. De inactivatie van het X-chromosoom gebeurt met ‘sprongen’

Die sprongen lijken te corresponderen met verschillende domeinen, stukken DNA die als een soort knoop in elkaar gewikkeld zijn. “Zeer waarschijnlijk ontstaan een aantal aandoeningen die te maken hebben met onjuiste inactivatie van het X-chromosoom doordat die niet goed van domein naar domein wordt doorgegeven,” aldus Marks. “We hopen in de toekomst te ontdekken hoe dat komt.”

Ook zou hij graag onderzoeken of een uitgezet X chromosoom weer geactiveerd kan worden. Dat zou kunnen helpen bij aandoeningen zoals Rett-syndroom en het fragiele-X-syndroom, waar het defecte X-chromosoom dat de ziekte veroorzaakt actief blijft. “Het reactiveren van het ‘goede’ X-chromosoom zou mogelijk een oplossing kunnen zijn voor zulke aandoeningen”.