in 2003 werd het menselijke genoom voor het eerst volledig in kaart gebracht door het menselijke genoomproject. dit project bracht echter ook aan het licht dat slechts 2 procent ervan codeert voor eiwitten. wat doen die andere 98 procent van het dna dan in ons lichaam? lang werd gedacht dat dit niet-coderende dna overbodig was, en werd het als junk of rommel-dna weggezet. maar niets blijkt minder waar, zo suggereren recente bevindingen.
DNA door een nieuwe bril. Het raadsel van het rommel-DNA
DNA (desoxyribonucleïnezuur) is het erfelijke materiaal dat aanwezig is in de mens en in elk ander levend organisme. Het bevat nagenoeg alle informatie over hoe een individu eruitziet, hoe het functioneert en over welke eigenschappen het beschikt. Deze genetische informatie is bovendien identiek in elke cel van ons lichaam. Bij de mens is het DNA verdeeld over 46 chromosomen, die elk bestaan uit twee vervlochten DNA-strengen waarvan de bouwstenen (de basen) paarsgewijs met elkaar binden. De totale DNA-sequentie (of genoom) van de mens telt 3 miljard van zulke basenparen en werd in 2003 voor het eerst volledig in kaart gebracht door het menselijke genoomproject.
Hoe kan dit DNA, dat in elke cel exact hetzelfde is, de basis zijn van alle verschillende celtypes waarover ons lichaam beschikt? Het antwoord op die vraag zit vervat in een zeer complexe en zorgvuldig uitgevoerde celspecifieke regulatie. In elke cel zijn er namelijk verschillende stukjes DNA actief. Zulke actieve DNA-regio’s worden overgeschreven in RNA (ribonucleïnezuur) tijdens een proces dat transcriptie wordt genoemd. Dit RNA, dat analoog aan DNA is opgebouwd uit een sequentie van vier basen, kan op zijn beurt worden vertaald in een eiwit (translatie). Eiwitten zijn de functionele entiteiten in een cel. Ze kunnen een structurele of een katalytische/enzymatische functie hebben en hun aanwezigheid varieert van cel tot cel naargelang van de overeenkomstige DNA-regio, het gen, actief is of niet.
De complexiteit van een organisme wordt niet weerspiegeld in de hoeveelheid genen waarover het beschikt, maar eerder in de hoeveelheid tussenliggend ‘niet-coderend’ DNA
Wat doet die andere 98 procent van het DNA dan in ons lichaam? Is het allemaal rommel of evolutionaire ballast die nodeloos wordt doorgegeven aan onze kinderen? Decennialang werd inderdaad gedacht dat het niet-coderende DNA volledig inactief en zelfs overbodig is (vandaar ook de naam junk of rommel-DNA). Niets blijkt minder waar. Er is namelijk steeds meer bewijs dat er naast de eiwit-coderende genen ook actieve DNA-regio’s bestaan die wel worden overgeschreven in RNA, maar niet verder vertaald worden tot eiwitten.
De opkomst van snelle en steeds goedkoper wordende technologieën waarmee de basenvolgorde van het DNA en RNA bepaald kan worden, heeft geleid tot een explosie van het aantal gedocumenteerde niet-coderende RNA’s. Hoewel dus slechts 2 procent van het menselijke genoom voor eiwitten codeert, wordt minstens 60 procent van het genoom vertegenwoordigd in RNA-moleculen zonder coderend potentieel. Die kale woestijn van rommel-DNA zit dus eigenlijk propvol actieve DNA-regio’s. Meer nog, dit niet-coderende RNA blijkt vaak cruciale functies uit te oefenen en de term rommel-DNA is dus wel heel ongepast. Deze ontdekking haalde het centrale dogma in de moleculaire biologie, met name de klassieke overgang van DNA via RNA naar eiwit via transcriptie en translatie onderuit. RNA is namelijk niet altijd slechts een tussenschakel in de productie van eiwitten, maar kan ook zelf functioneel zijn.
RNA is niet altijd slechts een tussenschakel in de productie van eiwitten, maar kan ook zelf functioneel zijn
Inmiddels werden er al zeer veel RNA’s zonder coderend potentieel ‘ontdekt’ en ze worden op basis van hun lengte, afkomst of werkingsmechanisme ingedeeld in verschillende klassen: ribosomaal, transfer, klein nucleair, klein nucleolair, micro en lang niet-coderend RNA. Uniek onder hen is deze laatste categorie, de zogenaamde lncRNA’s, die op zeer verschillende manieren hun werking kunnen uitoefenen en allerhande biologische processen kunnen beïnvloeden. Alle RNA-moleculen die langer zijn dan 200 basen worden geklasseerd als lncRNA’s. Die ondergrens werd eerder arbitrair gekozen en is het gevolg van de opzuiveringslimiet van de meeste RNA-isolatieprotocollen. Hoewel een significante fractie van de RNA’s aanwezig in zoogdiercellen van dit type is, heerst er veel scepticisme over het belang ervan: het is niet omdat het bestaat dat er ook een biologische rol voor is weggelegd. Er worden ook zoveel nieuwe lncRNA’s gevonden, maar ze worden slechts zelden functioneel gekarakteriseerd. Bovendien zijn ze vaak in zeer kleine aantallen aanwezig, wat twijfel zaait over een mogelijke biologische werking. Vermoedelijk is een deel ervan dan ook transcriptionele ruis en dus nog steeds als rommel te beschouwen, maar het aantal gekarakteriseerde lncRNA’s met een authentieke functie groeit wel degelijk.
LncRNA’s hebben zeer diverse functies in verschillende biologische processen. Hun belang werd aangetoond in het transcriptie- en translatieproces zelf, de opbouw van eiwitcomplexen, signalisatie of communicatie tussen cellen, … Deze multifunctionaliteit van RNA is een gevolg van een combinatie van unieke fysische en chemische eigenschappen. Ten eerste laat de vorming van basenparen hun binding toe aan andere RNA- of DNA-moleculen, waardoor ze kunnen interfereren met het transcriptieproces of de verwerking en afbraak van zowel RNA als DNA. Ten tweede kunnen RNA-moleculen zich plooien in ingewikkelde structuren zodat ze een unieke driedimensionale vorm krijgen, wat hun binding aan andere doelwitten zoals eiwitten of andere moleculen mogelijk maakt. Naast hun specifieke sequentie zijn dus de lengte en structuur hoogst bepalend voor de functie die ze kunnen uitoefenen. Ten derde is RNA te beschouwen als een zeer dynamische molecule. Het kan namelijk zeer snel worden aangemaakt en afgebroken zodat het uitermate geschikt is voor de regulatie van fluctuerende processen. Aangezien ze niet vertaald worden in eiwitten, heeft een kleine verandering in de sequentie (mutatie) meestal geen grote gevolgen voor hun functie. Deze ‘mutatietolerantie’ is een vierde kenmerk, uniek voor niet-coderende sequenties, dat mogelijk verklaart hoe ze doorheen de evolutie subtiel gesmeed werden om specifieke functies uit te oefenen. Deze eigenschappen zorgen ervoor dat niet-coderende RNA’s op verschillende niveaus (van transcriptie tot translatie en verder) diverse biologische processen kunnen beïnvloeden. In wat volgt geven we enkele voorbeelden waarmee we hun sleutelrol in de complexe regulatie van onze genen illustreren.
Een eerste voorbeeld verduidelijkt op welke manier lncRNA’s de transcriptie van eiwit-coderende genen kunnen beïnvloeden. Het betreft de regulatie van het Flo11-eiwit, afkomstig uit gist (Saccharomyces cerevisiae), dat een rol speelt bij vlokvorming of flocculatie van gist tijdens het bierbrouwproces. De transcriptie van het overeenkomstige coderende gen FLO11 wordt gereguleerd door twee lncRNA’s, één dat FLO11 inhibeert en één dat FLO11 activeert. Wanneer transcriptie van een van beide lncRNA’s optreedt, wordt er dus meer of minder Flo11-eiwit gevormd. Samen vormen deze lncRNA’s een soort schakelaar voor de regulatie van het FLO11-gen en het bijbehorende flocculatieproces. Wanneer gisten meer flocculeren kunnen ze eenvoudiger uit het bier worden gefilterd. Jammer genoeg zijn er vaak off-flavours of slechtere smaken aanwezig in het bier wanneer gisten te snel samenvlokken. Om een goed bier te produceren moet daarom het ideale ‘flocculatie-evenwicht’ worden gezocht en dit kan bijvoorbeeld door in te grijpen ter hoogte van de lncRNA-schakelaar waarmee Flo11 bediend wordt.
Na transcriptie wordt eiwit-coderend RNA verder verwerkt en vertaald in een eiwit. Ook tijdens dit proces kunnen lncRNA’s ingrijpen. Er bestaan bijvoorbeeld lncRNA’s met een makkelijk herkenbare, zich steeds herhalende basensequentie, die aan een eiwit-coderend RNA kunnen binden. Zo fungeren ze als een soort label dat het coderende RNA markeert voor afbraak. Daarentegen kan de binding van een lncRNA met een eiwit-coderend RNA het gevormde complex ook stabiliseren, waardoor meer eiwit gevormd kan worden. Zowel stabiliserende als destabiliserende functies vinden we terug voor een aantal antisense RNA’s. De sequentie van antisense RNA is complementair aan de sequentie van een coderend RNA waardoor ze via basenparing met elkaar kunnen binden. Die binding kan de stabiliteit van het eiwit-coderende RNA beïnvloeden.
Niet alleen op RNA-niveau, maar ook op eiwitniveau kunnen lncRNA’s interfereren. De associatie tussen een lncRNA en een eiwit wordt een ribonucleoproteïne (RNP) genoemd. Een voorbeeld hiervan is het telomerase-RNP-complex dat instaat voor het handhaven van de lengte van de uiteinden van de chromosomen of telomeren. Bij elke celdeling worden de chromosomen gekopieerd om het erfelijke materiaal over twee cellen te verdelen, maar hierbij kunnen de telomeren verkorten. Het is cruciaal deze uiteinden te herstellen na celdeling zodat er geen erfelijke informatie verloren gaat. De RNA-component van het telomerase-RNP-complex is enerzijds essentieel als matrijs om de telomeren te verlengen en anderzijds functioneert het ook als een ruggensteun om de regulatorische eiwitten in het telomerase-RNP-complex samen te houden.
LncRNA’s kunnen biologische processen dus op verschillende manieren beïnvloeden door te interfereren met de vorming en de activiteit van eiwitten. De doelwiteiwitten maken deel uit van een brede waaier aan processen, waardoor fouten in de regulatie door lncRNA’s zeer uiteenlopende gevolgen kunnen hebben. Het is dus niet verwonderlijk dat lncRNA’s een rol spelen in de ontwikkeling en fysiologie van vele ziektes. Onderzoekers hebben zelfs kunnen aantonen dat de meeste genetische ziektemerkers, of specifieke mutaties die gekoppeld kunnen worden aan een bepaalde ziekte, zich in het niet-coderende DNA bevinden. Ook weet men sinds enkele jaren dat een aantal genen met een belangrijke rol in het veroorzaken of verhinderen van kankerontwikkeling onder de controle staat van lncRNA’s. In verschillende soorten kanker (waaronder leukemie, borstkanker, darmkanker, huidkanker en prostaatkanker) worden bepaalde lncRNA’s meer of minder overgeschreven, wat hun regulatorische capaciteit kan beïnvloeden. Ook in andere ziektes blijken lncRNA’s vaak ontregeld te zijn zoals hart- en vaatziektes, neurologische aandoeningen en immuunziektes.
Onderzoekers hebben kunnen aantonen dat de meeste genetische ziektemerkers, of specifieke mutaties die gekoppeld kunnen worden aan een bepaalde ziekte, zich in het niet-coderende DNA bevinden
Zo kan een mutatie in de lncRNA-component van het eerder vermelde telomerase-RNP-complex leiden tot inactiviteit van het telomerase waardoor de telomeren niet goed bewaard blijven. Verkorting van deze chromosoomuiteinden wordt voornamelijk geassocieerd met veroudering van delende cellen zoals stamcellen. Stamcellen delen zich om dode lichaamscellen te vervangen zodat het lichaam goed blijft functioneren. Het is dus essentieel dat tijdens die celdeling het genoom perfect overgeschreven wordt om zo de genetische informatie correct door te geven aan de dochtercellen. Wanneer de telomeren toch zouden verkorten in delende stamcellen gaat essentiële genetische informatie verloren. De hematopoëtische aandoening aplastische anemie of beenmergdepressie is bijvoorbeeld het gevolg van een gebrek aan telomeraseactiviteit door het voorkomen van een mutatie in het telomerasegeassocieerde lncRNA. Deze aandoening wordt gekenmerkt door een tekort aan zowel rode als witte bloedcellen en bloedplaatjes door de incorrecte deling van de hematopoëtische stamcellen (of bloedstamcellen).
Ook de ziekte van Alzheimer wordt geassocieerd met de aanwezigheid van lncRNA’s. In de hersenen van alzheimerpatiënten worden aggregaten van het amyloid β-eiwit gevormd die aanleiding geven tot de vorming van de typische ‘plaques’ en de bijbehorende celdood van specifieke hersencellen. Een ander eiwit, β-secretase, speelt een belangrijke rol bij de vorming van het amyloid β en dus ook bij het ontstaan van de amyloid β-aggregaten. Het BACE1 RNA waaruit dit β-secretase gevormd wordt, kan worden gestabiliseerd door binding met het antisense BACE1 lncRNA: BACE1AS. Hierdoor kan er meer β-secretase-eiwit worden gevormd en dus uiteindelijk ook meer amyloid β. In de hersenen van alzheimerpatiënten worden opmerkelijk verhoogde hoeveelheden BACE1AS RNA aangetroffen. Men vermoedt dat in aanwezigheid van deze verhoogde hoeveelheden BACE1AS meer eiwitaggregaten ontstaan zodat er ook meer schade optreedt in de hersenen. Het is voorlopig echter nog een vraagteken wat nu juist oorzaak en gevolg is in dit verhaal.
Een correcte regulatie door lncRNA’s in het menselijke lichaam is dus essentieel om aandoeningen te voorkomen, maar daarnaast kunnen we ook worden bedreigd door lncRNA’s van buitenaf. Flavivirussen, zoals het ‘West Nile virus’, het denguevirus en het gelekoortsvirus produceren bijvoorbeeld een lncRNA dat niet kan worden afgebroken in het menselijke lichaam en dat essentieel is voor hun infectievermogen. Ook het zeer actuele zikavirus is van hetzelfde type. Het is op dit moment nog niet helemaal duidelijk hoe dit lncRNA het infectievermogen van deze virussen beïnvloedt. Er zijn aanwijzingen dat dit lncRNA verwerkt wordt tot een kleiner ‘micro-RNA’ met verschillende neurologische doelwitten in de mens. Dit kan mogelijk het neurologische syndroom verklaren dat geassocieerd wordt met besmetting door het zikavirus. De ontwikkeling van therapieën die interfereren met het lncRNA lijkt een veelbelovende strategie voor de bestrijding van dit type virus. Ook klinkt het aannemelijk dat een verzwakte vorm van het virus, waarin die specifieke lncRNA-sequentie ontbreekt, de basis kan vormen voor de ontwikkeling van een antiviraal vaccin.
Voorlopig werd slechts het topje van de ijsberg in het lncRNA-landschap blootgelegd. Het merendeel van de functies is nog ongekend en de gevolgen hiervan zijn intrigerend. Doordat lncRNA’s zeer weinig geconserveerd zijn tussen verschillende organismen is het meestal niet mogelijk om hun functie te voorspellen op basis van homologie tussen species, wat bij eiwit-coderende genen vaak wel kan. Tevens is het merendeel van de lncRNA’s slechts in zeer kleine hoeveelheden aanwezig en hun functionele informatie zit meestal niet vervat in de exacte basenvolgorde, maar eerder in de driedimensionale structuur of in de lengte van het lncRNA. Deze eigenschappen bemoeilijken het onderzoek naar lncRNA’s, maar hoe dan ook is het duidelijk dat dit arsenaal aan niet-coderende RNA’s over een groot potentieel beschikt als nieuwe ziektemerkers voor het stellen van de juiste diagnose of zelfs als doelwit voor nieuwe therapieën.
Kortom, lncRNA’s zijn overvloedig aanwezig in het genoom en ze spelen een rol in een brede waaier van aandoeningen. Desondanks zijn er weinig goed gekarakteriseerde voorbeelden. Een aanzienlijk deel van de gedetecteerde lncRNA’s wordt waarschijnlijk geproduceerd als transcriptionele ruis, maar een belangrijk aandeel van deze niet-coderende RNA’s beschikt wel degelijk over een biologische functie. Dit onderzoek staat nog in zijn kinderschoenen, maar steeds meer wordt het duidelijk dat het functioneel karakteriseren van lncRNA’s kan bijdragen tot de kennis over ziektemechanismen en de ontwikkeling van nieuwe behandelingen.
Sarah Geisler en Jeff Coller, ‘RNA in unexpected places: long non-coding RNA functions
in diverse cellular contexts’ in: Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2013, 14(11), 699-712.
Kaat de Cremer en Sara Verbandt zijn als bio-ingenieur verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License