Wat betekenen de resultaten van dit onderzoek?

Alle cellen in ons organisme hebben dezelfde genoom gecodeerd in het DNA. Maar iedereen weet dat de cellen van ons organisme niet allemaal gelijk zijn: een zenuwcel, bijvoorbeeld, is heel verschillend van een bloedcel of een spiercel. Dit verschil is te wijten aan het feit dat elk celtype de capaciteit heeft om een ander genetisch programma te activeren, het “aan en uit” doen van specifieke genen in verschillende stages van de embryonale ontwikkeling en van volwassenheid.
Onderzoekers hebben dit fenomeen de juiste benaming gegeven: zij zeggen dat elke cel tot expressie komt in verschillende genen. Dit onderzoek heeft, voor de eerste keer, het expressiepatroon van de menselijke chromosoom 21 genen geïdentificeerd, dat wil zeggen, een catalogus van al de genen van het Chromosoom 21, die of “aan” of “”uit” zijn in verschillende celweefsels, op verschillende momenten van de embryonale ontwikkeling. De uitkomst is gelijkwaardig aan de anatomische atlas, het is dus mogelijk om te begrijpen waar (= in welk weefsel) en wanneer (= op welk moment van de ontwikkeling) de Chromosoom 21 genen tot expressie komen.

Waarom hebben we een atlas nodig van het expressiepatroon van genen?

De wetenschap dat een gen “aan” is, of tot expressie komt, op een bepaald moment van de embryonale ontwikkeling, in een specifiek celweefsel of orgaan, zou kunnen aangeven dat deze gen een belangrijke rol heeft in de ontwikkelingsregulatie, of een functie heeft in dat celweefsel of orgaan. Hetzelfde geldt voor pathologische situaties: als een gen anders tot expressie komt in een zieke cel in vergelijking tot een gezonde cel, kan dit suggereren dat deze zelfde gen betrokken is bij de oorsprong van deze ziekte.
Deze studie geeft ons belangrijke informatie over welke genen van het Chromosoom 21 belangrijk zouden kunnen zijn voor een goede ontwikkeling van verschillende organen.

Waarom is juist het Chromosoom 21 bestudeerd?

Mensen hebben 23 paar chromosomen, genummerd van het grootste naar het kleinste. Dus, chromosoom 21 is een van de kleinste chromosomen – ongeveer 200 genen bevattend – maar de studie is zeer belangrijk voor het onderzoek naar het Down Syndroom en een aanzienlijk aantal andere genetische ziektes. Personen, die lijden aan het Down Syndroom hebben namelijk een extra, derde, chromosoom 21 ( i.p.v 2 kopie’s wat normaal gesproken het geval is). Minstens 30 van de ongeveer 200 Chromosoom 21 genen zijn betrokken bij net zoveel genetische ziektes, zoals bijvoorbeeld, myopathie, anaemia, bloedplaatjes afwijkingen, sclerose, hartstoornissen, een vorm van epilepsie, minstens 2 vormen van doofheid en 2 vormen van staar. Bovendien bevindt de APP gen zich op de chromosoom 21, een gen die betrokken is bij de ziekte van Alzheimer.

Wat is het verschil tussen deze “expressie-atlas” en de afbeelding van het Menselijk Genoom die vorig jaar gepubliceerd is?

De Genoom afbeelding is de reeks van alle “letters” van het DNA, die samen het genoom vormen. Op deze uiteenzetting kunnen onderzoekers vinden welke en hoeveel genen een chromosoom bevat en het soort proteïne dat ze produceren. Echter, de genoom uiteenzetting geeft geen informatie over welke van deze genen “aan” of “uit” zijn in verschillende celweefsels, op verschillende momenten van ontwikkeling of in pathologische situaties. Dit soort informatie wordt verkregen door “expressie-afbeeldingen”: dankzij deze afbeeldingen hebben we de kennis over welke genen belangrijk zijn voor de formatie van een celweefsel of een orgaan in het bijzonder. Bovendien helpen ze ons die genen te identificeren die op een andere manier tot expressie komen in gezond celweefsel dan in ongezond celweefsel. Waar de genoom uiteenzetting het DNA analyseert, onderzoekt de expressie-studie het RNA, een molecuul lijkend op het DNA, maar alleen geproduceerd door actieve genen. Elke actieve gen produceert een ander soort RNA: Het onderzoek naar de aanwezigheid van elk soort RNA vertelt ons of de respectievelijke gen “aan” (= tot expressie komt) of “uit” (= niet tot expressie komt) is. Daarbij, geeft de hoeveelheid RNA de expressie mate van de desbetreffende gen aan.

Is het mogelijk om een praktische voorbeeld te zien van deze experimenten?

De volgende afbeeldingen, uit de studie gepubliceerd in Nature, laten enige voorbeelden zien van een expressie-atlas.

Fig 1. De donkerpaarse massa in het midden van de afbeelding (uitgevoerd op een microscoop met een lage sterkte) is een hart van een knaagdier, tijdens embryonale ontwikkeling, in welke een chromosoom 21 gen, Sh3bgr genaamd, “gelabeld” is. Het donkerpaarse signaal geeft aan dat de gen sterk tot expressie komt in het hart, maar “uit” is in de nabij gelegen celweefsels. Hieruit leiden we af dat de desbetreffende gen een rol zou kunnen spelen in de hartontwikkeling.

Fig 2. Hier zien we hetzelfde hart ( de donkere massa beslaat bijna de hele afbeelding), maar bij een hogere sterkte. Op deze manier is het mogelijk om te zien dat de gen tot expressie komt in zowel de beiden hartkamers als in de atria maar niet in de aorta.

Wat is het Down Syndroom?

Down Syndroom is de meeste voorkomende genetische oorzaak van geestelijke achterstand, met een frequentie van 1 getroffen kind op de 700. De symptomen van het Down Syndroom zijn ingewikkeld waar veel verschillende organen bij betrokken zijn. De meest voorkomende kenmerken zijn, geestelijke achterstand, kort postuur, korte ledenmaten, scheefstaande ogen, uitstekende tong, hartgebreken (aanwezig in 40% van de patiënten), een hogere voorkoming van leukemie en stoornissen in het immuunsysteem. Tot op heden, bestaat er geen behandeling tot genezing of tot voorkoming van het syndroom. De huidige behandelingen, alhoewel belangrijk, hebben alleen de mogelijkheid om de meest ernstige symptomen te controleren en te corrigeren, zoals bijvoorbeeld hartgebreken. Daarentegen, heeft rehabilitatie therapie tot doel om een harmonieuze ontwikkeling te verkrijgen en een goede scholastische, sociale en professionele integratie.

Hoe belangrijk is deze studie voor het onderzoek naar Down Syndroom en andere genetische ziektes verbonden aan de chromosoom 21?

Het Down Syndroom wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van een extra chromosoom 21. Met andere woorden, mensen getroffen door het syndroom hebben een extra kopie van al de genen die zich op deze chromosoom bevinden. Nog altijd is het niet duidelijk welke en hoeveel van deze genen belangrijk zijn voor het bepalen van de symptomen en kenmerken van het syndroom. Er bestaat geen bewijs dat deze genen verantwoordelijk zijn voor één of meer symptomen van deze ziekte, zelfs niet voor de achterstand in de geestelijke ontwikkeling.
Deze “expressie-atlas” is een belangrijk instrument om de expressie van deze genen te verbinden met de verschillende symptomen van het Down Syndroom. Bovendien geeft het ons inzicht over welke en hoeveel genen betrokken zijn bij de oorsprong van deze ziekte.
De studie heeft bijvoorbeeld aangetoond dat sommige van de Chromosoom 21 genen “aan zijn” in bepaalde gebieden van het hart gedurende embryonale ontwikkeling: daarom kan het zijn dat deze genen een rol spelen in aangeboren hartafwijkingen bij Down patiënten. Op dezelfde manier zouden sommige genen, die “aan zijn” in de embryonale ledematen, betrokken kunnen zijn in hand- en voet anomalie karakteristiek voor het down syndroom. Ten slotte komt een set chromosoom 21 genen tot expressie in de hersenen, wat suggereert dat ze een rol zouden kunnen spelen in geestelijke achterstand.
Zoals eerder al gezegd, bevat de chromosoom 21 minstens 30 genen die betrokken zijn bij minstens zoveel erfelijke ziektes naast het Down Syndroom. De expressie-atlas zal ons een preciezer beeld geven over de rol van deze genen, welke voor een groot deel, nog steeds onbekend is.

Geeft de studie mogelijkheid tot een praktische behandeling of diagnose van het Down Syndroom of andere genetische ziektes?

Het is belangrijk om te weten dat deze studie een weergave is van een basis onderzoek, van welke geen directe toepassing mogelijk is als diagnose of behandeling van het Down Syndroom of andere genetische ziektes. De studie, gepubliceerd in het prestigieuze wetenschappelijk tijdschrift Nature (http://www.nature.com), zal zeker inzicht geven over, welke van de chromosoom 21 genen, een sleutelrol hebben in de oorsprong van de verschillende symptomen, karakteristiek voor het Down Syndroom. De identificatie van deze genen betekent niet dat er meteen een therapie zal worden gevonden voor deze ziekte, helaas is een definitieve oplossing nog ver weg. Hoe dan ook, de studie vertegenwoordigt een grote vooruitgang in het onderzoek naar het Down Syndroom en andere ziektes verbonden aan het Chromosoom 21. Lange tijd hebben we in het duister getast; vandaag, dankzij de resultaten van het Genoom project en de expressieatlas, hebben onderzoekers een gids tot hen beschikking om de genetische basis van het Down Syndroom en andere genetische ziektes verbonden aan Chromosoom 21, beter te begrijpen