DNA werd ooit gezien als een simpele code, inmiddels weten we echter dat methylgroepen niet alleen de functie beïnvloeden van DNA, maar ook de levensduur en werking van RNA’s.

Het vierletterige RNA-alfabet telt maar liefst honderd chemische varianten, met soms opvallende effecten. RNA blijkt bijvoorbeeld de sleutel in het uitschakelen van het X-chromosoom. En DNA is ook meer dan alleen een code van adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). Inmiddels weten we dat deze DNA-bouwstenen van methylgroepen worden voorzien en dat die epigenetische veranderingen grote invloed hebben. Zo is van methylcytosine bekend dat het de expressie van nabijgelegen genen remt. Bij RNA waren zulke modificaties niet sterk in de belangstelling. De moleculen A, C, G en uracil (U) bleken weliswaar ook methyleringsvarianten te bevatten, maar die leken vooral beperkt voor te komen in transfer-RNA en ribosomaal-RNA.

Slapend X-chromosoom

Dat RNA-methylering echt een opvallende sleutelrol kan vervullen, bleek voor het eerst in september 2016. De groep van Samie Jaffrey van Cornell University in New York beschreef in Nature de functie van RNA-methylering in de biologie van het X-chromosoom. Vrouwelijke cellen missen het mannelijke Y-chromosoom en hebben daarvoor in de plaats twee exemplaren van het X-chromosoom; een daarvan moet uitgeschakeld zijn. Die inactivatie start al in het jonge embryo, is zeer stabiel en overerft netjes bij elke celdeling voor de rest van het leven. De genexpressie op een X-chromosoom blijft zo uitgeschakeld.

In dat proces speelt een long non-coding RNA (lncRNA), Xist, een sleutelrol. Xist bindt op verschillende plaatsen aan het X-chromosoom en inactiveert zo genen. Het blijkt dat Xist pas actief wordt nadat een enzym het RNA op minstens 78 plaatsen methyleert. Zonder methyladenosines blijven beide X-chromosomen gewoon actief.

Het wordt er niet echt overzichtelijker op

Antilichamen

Lange tijd was het ingewikkeld om RNA-methylering compleet in kaart te brengen. Met traditioneel sequencen valt de aanwezigheid van een methylgroep namelijk niet op. Nieuwe methodes kunnen die modificaties sinds een paar jaar wel onderscheiden. Een aanpak draait om antilichamen die gemodificeerde nucleotides A, C, G of U herkennen, gevolgd door sequencen van de ‘ingevangen’ stukjes RNA. Niet voor niets riep Nature Methods die strategie voor epitranscriptoom-analyse eind vorig jaar uit tot de onderzoekstechniek van 2016. ‘Die grootschalige benadering heeft het beeld van RNA-epigenetica inmiddels totaal veranderd’, zegt de van oorsprong Vlaamse onderzoeker Benjamin Delatte, werkzaam in het La Jolla Institute For Allergy and Immunology in San Diego. ‘Ik denk dat mensen verrast waren toen bleek dat methylering zeer veel voorkomt in messenger-RNA, en ze vervolgens gingen kijken naar andere modificaties die de translatie in eiwit en de RNA-stabiliteit beïnvloeden. We kennen nu veel verschillende chemische modificaties van RNA-moleculen. Ruim honderd zijn er inmiddels beschreven, waarvan de meeste een rol lijken te spelen in de eiwitsynthese.’

Topje van de ijsberg

Delatte keek zelf naar de verdeling van 5-hydroxymehylcytosine (5-hmrC) in het RNA van de fruitvlieg. Het leverde hem vorig jaar een paper in Science op, een kroon op zo een promotie bij het Laboratorium voor Kanker Epigenetica van François Fuks aan de Vrije Universiteit Brussel.

Het 5-hydroxymethylcytosine blijkt verre van zeldzaam. De eerste screening leverde ruim 3.000 5-hmrC verrijkte gebieden op in bijna 1.600 verschillende RNA-moleculen. Delatte: ‘We waren zeer verrast dat het zo veel voorkomt in messenger-RNA’s.’ Toch is het nog niet eenvoudig om precies te zeggen wat de rol van al die modificaties is. ‘Het onderzoek is een eerste beschrijving van het topje van de ijsberg’, zegt Delatte. Waarschijnlijk beïnvloedt de aan- of afwezigheid van een simpele methylgroep de herkenning en binding door de eiwitten die de vertaling in eiwit stimuleren of juist remmen. RNA-epigenetica levert zo een extra mogelijkheid voor de cel om de vorming van eiwitten te controleren.

Fruitvlieg

Er zijn inmiddels wel wat aanwijzingen over de rol van sommige epigenetische veranderingen in RNA. Fruitvliegen die een methyleringsenzym missen, krijgen bijvoorbeeld afwijkingen in de hersenen. Delatte vermoedt eveneens een rol in het ontstaan van kanker, omdat het DNA van kankercellen veel minder methylgroepen bevat. ‘Je kunt verwachten dat dezelfde afname ook optreedt in het RNA, met mogelijk grote gevolgen voor regulering van de eiwitsynthese.’

In die pas ontdekte wereld van RNA en hun modificaties zit mogelijk de sleutel voor een opvallende observatie. Dat is dat complexe organismen niet heel veel meer eiwit-coderende genen hebben dan eenvoudige organismen, aldus onderzoeker Joost Kluiver, werkzaam bij het UMC Groningen. ‘Het percentage niet-coderend DNA in het menselijk genoom is veel groter dan in minder complexe organismen. Maar het is nog moeilijk te voorspellen welk deel van al het RNA dat wordt gevormd echt een biologische functie heeft, of dat het gewoon een overblijfsel is.’

De cel blijkt veel meer genen te vertalen in RNA, zonder dat die voor eiwit zorgen. Xist, dat zo belangrijk is voor uitschakelen van het X-chromosoom, is daar een sprekend voorbeeld van. Er zijn al 8.500 genen voor zulke niet-coderende RNA’s beschreven. De functie van die RNA’s is vaak volkomen duister. Een Amerikaanse groep heeft in 2013 knock-outmuizen gemaakt van achttien RNA-genen; daarvan bleek een aantal niet levensvatbaar of ernstige afwijkingen in hersenen en darmen te hebben. Kluiver: ‘Deze RNA-genen hebben dus echt een functie. Wij proberen de expressie van RNA-genen te bepalen in verschillende celtypes. We zien bijvoorbeeld grote verschillen in expressie tussen kankercellen en gewone cellen. De volgende stap is het aan- of uitzetten van zulke RNA’s, om te zien of cellen daar last van hebben. Gaan ze dood, of gaan ze sneller groeien?’

We kunnen niet meer om de bioinformatica heen

Complex pijlenschema

Het oorspronkelijke, simpele idee van een gen dat via RNA zorgt voor eiwit, is niet langer geschikt om de cel nauwkeurig te beschrijven, stelt Kluiver. ‘Dat beeld kan grotendeels overboord. We hebben recentelijk bijvoorbeeld interacties gezien tussen verschillende RNA’s, om het allemaal nog wat complexer te maken. Het is fascinerend, maar ook uitdagend: je moet bioinformatica begrijpen en steeds grotere datastromen tot de juiste proporties kunnen terugbrengen.’

Langzaam doemt een pijlenschema op waarin RNA’s allerlei celprocessen aansturen, die op hun beurt weer RNA’s chemisch modificeren. Hoe de cel een X-chromosoom het zwijgen oplegt via modificatie van niet-coderend RNA is een voorbeeld van zo’n mechanisme. ‘Het wordt er inderdaad niet echt overzichtelijker op’, beaamt Delatte. ‘Het oorspronkelijke idee van de moleculaire biologie en de relatie tussen DNA, RNA en eiwit is veel te simplistisch. We moeten af van deze simplistische zienswijze en nieuwe paden inslaan. ‘Alles wijst er inmiddels op dat evolutie van complexe organismen niet alleen wordt gedreven door DNA-mutaties, maar ook door epi-mutaties, zoals methylering van DNA’, zegt Delatte. En daar houdt het niet mee op. Niet-coderend RNA en RNA-modificaties bieden nog meer mogelijkheden om genexpressie te finetunen. De uitdaging is nu om verbanden te gaan zien tussen het genoom, epigenoom en epitranscriptoom, en het ontstaan van ziektes.’