Er zijn waarschijnlijk weinig of geen lezers voor wie de naam Barbara McClintock geen belletje doet rinkelen. Hoewel alle Nobelprijswinnaars wijdverspreide erkenning krijgen, werd dit in haar geval nog verergerd door de zware strijd die ze moest leveren om haar werk geaccepteerd te krijgen. Als cytogeneticus die maïs als modelsysteem gebruikte, was zij tot de conclusie gekomen dat niet alle genen statische vaste loci waren op welbepaalde punten in het genoom. Haar conclusie dat er “springende genen” waren – coderende DNA-elementen die zich van de ene chromosoomlocatie naar de andere konden verplaatsen – werd onthaald op algemeen ongeloof is een beleefde understatement. De tijd en het gewicht van de gegevens gaven haar gelijk en haar Nobelprijs voor de Fysiologie of de Geneeskunde in 1983, op 81-jarige leeftijd, was evenzeer een bewijs van haar doorzettingsvermogen als van goede wetenschap.
De DNA-kenmerken die zij ontdekte, worden transponeerbare elementen of transposons genoemd. Structureel delen zij een aantal kenmerken die lijken op sommige soorten virussen (retrovirussen) en kunnen in zekere zin worden beschouwd als verwant aan een virus, in die zin dat zij zichzelf semi-autonoom kunnen repliceren door gebruik te maken van machinerie van de gastheercel. In tegenstelling tot echte virussen verlaten transposons de cel echter niet; de nakomelingen verplaatsen zich gewoon naar een nieuwe genomische plaats waar zij zich vestigen. Zij zijn in feite het eenvoudigste voorbeeld van wat “het egoïstische gen” wordt genoemd, een postulaat waarbij genetische elementen er alleen maar naar streven zichzelf te repliceren. Terwijl de meeste “gekozen” hebben om dit te doen door coöperatieve associatie met andere genen om levensvatbare replicerende organismen te creëren, doen transposons dit puur voor zichzelf en meer als een parasiet op de gastheercel dan als een productieve component van een groter geheel. Onze belangstelling voor transposons komt voort uit het feit dat ze niet alleen in maïs voorkomen, maar in de meeste organismen, ook in de mens, en uit het feit dat ze een losgeslagen, elk-geslacht-voor-zichzelf intracellulaire levensstijl hebben.
LINES en SINES
De mens heeft niet slechts één type transposon, maar een aantal typen die op grond van hun fysieke omvang losjes worden gegroepeerd in Long Interspersed Elements (LINES) en Short Interspersed Elements (SINES). Zoals je zou verwachten, hoe groter ze fysiek zijn, hoe meer genetische informatie ze kunnen coderen. Het als LINE-1 bekende element met een grootte van ~6000 basenparen codeert voor twee open leesramen (gebieden die kunnen worden getranscribeerd naar mRNA en vervolgens vertaald naar eiwitten). Een van deze eiwitten heeft RNA-bindende activiteit maar een onduidelijke biologische functie; het tweede heeft endonuclease (DNA-snijden) en omgekeerde transcriptie (genereren van DNA-sequenties op basis van RNA-sjablonen). Nadat een LINE-1-element is getranscribeerd (gedeeltelijk aangestuurd door bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren in het 5′-uiteinde), maakt het tot expressie gebrachte tweede eiwit met zijn endonuclease-functie sneden in het gastheer-DNA. Vervolgens maakt het een DNA-kopie van het volledige LINE-1-transcript via zijn functie van omgekeerd transcriptase. Deze DNA-kopie wordt in het doorgesneden gastheergenoom ingebracht en de DNA-reparatiemachine van de gastheercel bindt dit op zijn plaats. Het gastheerchromosoom heeft nu een nieuwe kopie van LINE-1 gekregen en bij elke volgende cellulaire replicatiecyclus wordt dit gerepliceerd als onderdeel van zijn “normale, aangeboren” kern-DNA. Dit wordt beschouwd als autonome retrotranspositie, aangezien LINE-1 zijn eigen sleutelenzymfuncties voor het proces levert. Hoewel het proces zelf zelden voorkomt, is het gemakkelijk te zien hoe dit over lange biologische tijdschalen kan leiden tot een opeenhoping van meerdere gerepliceerde kopieën van het LINE-1-element. Men denkt dat LINE-1 het enige volledig autonome transposable element van het menselijk genoom is, en het is een effectieve biologische strategie gebleken: bijna 17% van het menselijk genoom bestaat uit deze sequentie (ruwweg 170.000 kopieën per cel)!
Wij concentreren ons vandaag echter op een SINE, en in het bijzonder op het element (echt, de enige familie) dat bekend staat als Alu-elementen. Genoemd naar een restrictie-endonuclease plaats (Alu I) die zij karakteristiek bevatten, zijn zij veel korter dan LINE-1, met slechts ongeveer 280 basenparen lang. Dit betekent dat zij zelf niet veel coderingscapaciteit hebben buiten enkele transcriptionele startsignalen en dus niet autonoom zijn. In feite hebben Alu-elementen voor hun replicatie zowel cellulaire factoren als het tweede eiwitproduct van LINE-1 nodig, zodat zij in zekere zin parasitair zijn, zowel op de gastheercel als op de LINE-1-elementen. Deze parasiet van een parasiet-benadering is blijkbaar een nog effectievere egoïstische genenstrategie, aangezien Alu-elementen ongeveer 11 procent van het menselijk genoom uitmaken (ongeveer 2 miljoen kopieën per cel).
Biologische gevolgen
Het is niet verrassend dat er een aantal zeer reële gevolgen zijn van het hebben van zoveel genetische profiteurs in ons genoom – en dan nog instabiele exemplaren. Vooral door de transcriptionele en andere genetische signalen die zij dragen, kan een Alu element vele aspecten van proximale gastheer genexpressie beïnvloeden, waaronder basale genexpressieniveaus, intron splicing en polyadenylatie, en RNA editing. Evolutionaire druk op de cel als geheel zou in het algemeen leiden tot aanpassing van het genoom van de gastheer om deze aan te passen, te compenseren, of misschien in sommige gevallen zelfs een voordeel te ontlenen aan de impact van een bepaald Alu element in de context. Dergelijke gastheeraanpassingen vergen echter tijd, en klinische pathologieën kunnen ontstaan wanneer een nieuwe Alu-transpositiegebeurtenis optreedt die leidt tot een abrupte genetische verandering op wat in wezen een willekeurige locus is – de insertie van een nieuwe Alu-kopie.
Enige dingen die men hierover moet weten, zijn dat, aangezien het een door transcriptie (RNA) geïnitieerd replicatieproces is, replicatie foutgevoelig is. In tegenstelling tot DNA-polymerasen, waarvan vele een zogenaamde “proofreading”-functie hebben, waarbij elke nucleotide die aan de ontluikende sjabloonkopie wordt toegevoegd, nog eens wordt bekeken om te bevestigen dat het om een echte complementaire overeenkomst gaat en niet om een overeenkomst op basis van een voorbijgaande tautomere verschuiving, zijn RNA-polymerasen biologisch geoptimaliseerd voor snelheid en verwerkbaarheid. Zodra een nucleotide aan een groeiend transcript is toegevoegd, snelt het polymerase vooruit naar de volgende base. Omdat een deel van alle basen waaruit DNA en RNA bestaan in tautomere vormen kunnen bestaan, en ook bestaan, waar er korte herschikkingen van hydrogenen en dubbele bindingen zijn in vergelijking met de vormen die we in tekstboeken zien, hebben RNA transcripten de neiging om lage maar significante percentages mis-kopieën van hun DNA sjabloon te hebben.
Ik voel sommige lezers plotseling in paniek raken, waarom als dit zo is, zijn we dan niet allemaal een puinhoop als gevolg van fouten in gewone mRNA transcripten? Dat komt omdat we meerdere kopieën maken van transcripten van actieve genen, en gemiddeld zijn die OK. Of ze nu in orde zijn of niet, ze hebben een kort leven voordat ze worden afgebroken en vervangen door nieuwe transcripten als dat nodig is. Zeldzame sporadische fouten in mRNA’s zijn dus waarschijnlijk niet van betekenis.
Als je nu echter deze niet helemaal perfecte RNA-kopie van een DNA neemt, en vervolgens terugtranscribeert in DNA voor langdurige voortplanting, dan heb je die genetische verandering nu voor de lange termijn vastgelegd. Een gevolg hiervan is dat slechts een klein deel van de Alu-elementen in onze genen in staat is zich te vermenigvuldigen en nieuwe kopieën van zichzelf in te voegen. In totaal wordt geschat dat er maar één nieuwe Alu insertie is. Dat is maar goed ook, want deze invoegingen zijn potentieel problematisch.
Bedenk dat ongeveer één procent of iets meer van het menselijk genoom codeert voor gastheereiwitten (ruwweg 21.000 genen). Als we in het genoom gaan knippen en er willekeurig niet-verwant DNA instoppen, ligt het voor de hand dat ongeveer één procent daarvan zich in genen bevindt en dat het resultaat een insertionele inactivering van het gen zou zijn. Omdat het Alu element transcriptiesignalen en mogelijk andere regulerende elementen draagt, is het ook heel goed mogelijk dat het ongewenste invloeden uitoefent op genexpressie van dingen waar het slechts in de buurt is. In beide gevallen is het resultaat een ontregeling van een gen of genen, vrijwel zeker met schadelijke resultaten.
Even terzijde, precies dit proces wordt in sommige modelorganismen gebruikt om genen te identificeren die verband houden met een fenotypische eigenschap. Simpel gezegd kunnen transposons die endogeen zijn voor het organisme, worden aangezet tot activering en worden nakomelingen met veranderingen in het gewenste fenotype onderzocht op nieuwe transposon-invoegplaatsen, in de veronderstelling dat deze zich in of nabij genen bevinden die verband houden met het fenotype. Dit heet transposon tagging.
Naast nieuwe retrotranspositiegebeurtenissen die insertionele inactivatie veroorzaken, kan het grote totale aantal Alu-elementen op zichzelf al tot andere genetische problemen leiden. In het bijzonder kunnen deze lokale eilanden van sequentie-overeenkomst punten zijn voor ongelijke homologe recombinatie-gebeurtenissen, waarbij de chromosomale context rond elk Alu-element niet hetzelfde is. Deze kunnen zowel extrachromosomaal (leidend tot uitwisseling van nonhomologe chromosomale segmenten) als intrachromosomaal (waar ze de neiging hebben te leiden tot deletie of duplicatie van regio’s, afhankelijk van de vraag of de twee Alu-elementen in dezelfde of in omgekeerde polariteitsoriëntaties liggen) optreden.
Echte voorbeelden
Dus nu we de theorie hebben behandeld dat er echt mobiele genetische elementen in de mens zijn, die soms worden geactiveerd en nieuwe kopieën van zichzelf inbrengen, en dat kan slechte gevolgen hebben voor de cel – hoe zit het met voorbeelden uit het echte leven? Komen er mensen voor in klinische settings met problemen die toe te schrijven zijn aan nieuwe Alu inserties? Absoluut; al in 19991 werd geschat dat nieuwe Alu inserties aantoonbaar waren bij ongeveer één op elke 200 levendgeborenen, en verantwoordelijk waren voor 0,1 procent van de bekende genetische aandoeningen. Specifieke meldingen uit de literatuur omvatten spontane gevallen van hemofilie;2-4 Apert syndroom;5 neurofibromatose Type 1;6 en optische atrofie.7 Lezers die op zoek zijn naar een langere lijst worden verwezen naar een review uit 2012 en de referenties, hieronder vermeld als referentie acht.
Clinische presentaties met betrekking tot Alu-beïnvloede recombinatiegebeurtenissen zijn waarschijnlijk moeilijker met zekerheid vast te stellen dan die van insertiegebeurtenissen, maar er zijn gevallen gemeld (zie referentie negen voor een voorbeeld) en deze komen waarschijnlijk vaker voor dan we weten.
Vanuit een behandelingsperspectief is elke Alu-geïnduceerde mutatie – insertioneel of recombinationeel – uniek en een eventuele behandeling zou waarschijnlijk moeten bestaan uit directe biochemische interventie in (een) beïnvloede pathway(s) waar mogelijk, of misschien uit genetische manipulatiemiddelen zoals die bij andere aangeboren genetische aandoeningen worden toegepast. Daarom blijven ze voor de clinicus eerder een curiositeit dan een type aandoening met een gemeenschappelijke behandeling of preventie – maar waarschijnlijk wel een van niet te verwaarlozen frequentie aan de basis van nieuwe genetische presentatie.
- Alu Repeats and Human Disease. Deininger P, Batzer M. Molecular Genetics and Metabolism 1999; 67(3):183-193.
- Een Alu insert als de oorzaak van een ernstige vorm van hemofilie A. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P, et al. Acta Haematol. 2001;106(3):126-9.
- Haemofilie B als gevolg van een de novo insertie van een mens-specifiek Alu-subfamilielid binnen de coderende regio van het factor IX-gen. Vidaud D, Vidaud M, Bahnak BR, et al. European Journal of Human Genetics 1993; 1(1):30-36.
- Exon skipping veroorzaakt door een intronic insertie van een jong Alu Yb9-element leidt tot ernstige hemofilie A. Ganguly A, Dunbar T, Chen P, et al. Human Genetics 2003; 113(4); 348-352.
- De novo Alu-element inserties in FGFR2 identificeren een aparte pathologische basis voor het Apert syndroom. Oldridge M, Zackai EH, McDonald-McGinn DM, et al. American Journal of Human Genetics 1999; 64(2);446-461.
- Een de novo Alu insertie leidt tot neurofibromatose type 1. Wallace MR, Andersen LB, Saulino AM, et al. Nature 1991; 353(6347); 864-866.
- Alu-element insertie in een OPA1 intron sequentie geassocieerd met autosomaal dominante optische atrofie. Gallus GN, Cardaioli E, Rufa A, et al. Molecular Vision 2010; 16; 178-183.
- Alu Mobiele Elementen: From Junk DNA to Genomic Gems. Dridi S. Scientifica 2012. Artikel ID 545328, 11 pagina’s.
- Mutatie in LDL Receptor: Alu-Alu Recombination Deletes Exons Encoding Transmembrane and Cytoplasmic Domains. Lehrman MA, Schneider WJ, Südhof TC, et al. Science 1985; 227(4683); 140-146.