Vergeet die kronkelige X’en: de meeste chromosomen lijken er in de verste verte niet op.

In leerboeken op de middelbare school worden menselijke chromosomen vaak afgebeeld als kronkelige X’en. Maar onderzoekers helpen die illusie nu de wereld uit. Volgens hen lijken de meeste chromosomen daar namelijk in de verste verte niet op. “Negentig procent van de tijd zien chromosomen er heel anders uit,” aldus onderzoeker Jun-Han Su.

Over chromosomen
Chromosomen zijn structuren in cellen die ons genetisch materiaal bevatten. Ze vormen eigenlijk de complexe huizen voor ons DNA en bestaan uit lange strengen. Gewoonlijk heeft een mens 46 chromosomen (23 paar) per cel. Alle wezens – inclusief de mens – maken telkens nieuwe cellen aan om oude en versleten exemplaren te vervangen. Om dat te doen, delen en repliceren cellen het DNA dat verpakt is in chromatine; het complex van DNA en eiwitten dat verstopt zit in de chromosomen. Uitgestrekt in één rechte lijn, kan het DNA in een enkele cel wel bijna twee meter lang worden. Als er bij het kopieëren van het genetische materiaal ook maar één klein foutje wordt gemaakt, kan dit ervoor zorgen dat genen muteren of kapot gaan.


Structuur
Vorig jaar maakten de onderzoekers al 3D-afbeeldingen van menselijke chromosomen. En in de nieuwe studie borduren ze daar nu op voort. Dankzij deze onderzoeken krijgen we niet alleen een veel nauwkeuriger begrip over hoe chromosomen er precies uitzien, maar ook over hoe deze structuur het functioneren precies beïnvloedt. En dat in veel meer detail dan de iconische X ooit zou kunnen. “Het is heel belangrijk om die 3D-organisatie te bepalen,” vertelt onderzoeker Xiaowei Zhuang. “Niet alleen om de moleculaire mechanismen die aan die organisatie ten grondslag liggen beter te begrijpen, maar ook om kennis te vergaren over hoe deze organisatie de functie van het genoom reguleert.”

Close-up
Lange tijd werden de menselijke chromosomen afgebeeld als kronkelige X’en. Maar de structuur van chromosomen blijkt veel ingewikkelder. Met behulp van nieuwe 3D beeldvormingsmethodes konden de onderzoekers close-up beelden vervaardigen van alle 46 chromosomen. En daaruit blijkt dat chromosomen er heel anders uit zien dan je misschien denkt. Bovendien kwamen de onderzoekers erachter dat geen twee chromosomen er hetzelfde uitzien; zelfs niet in cellen die verder identiek zijn.

Afbeelding van de structuur van chromatine. Afbeelding: Xiaowei Zhuang lab

Daarnaast hebben de onderzoekers nu hard gemaakt dat de structuur invloed heeft op het functioneren. De nieuwe methode leidde ertoe dat de onderzoekers de structuur én het gedrag van chromatine samen in beeld konden brengen. En hierdoor krijgen we ook een beter beeld van hoe de één de ander beïnvloedt. Anders gezegd, de onderzoekers hebben eigenlijk een soort ‘Google Maps’ ontwikkeld, waarmee ze door ons complexe genoom kunnen navigeren. Hierdoor kunnen ze nu gaan analyseren hoe structuur in de loop van de tijd verandert en hoe die bewegingen de celdeling en replicatie helpen of juist schaden.


Chromatine
Onderzoekers weten al dat chromatine opgedeeld is in verschillende gebieden en domeinen (een beetje zoals woestijnen versus steden). Maar hoe die terreinen er precies uitzien in verschillende celtypen en hoe ze functioneren, is nog onbekend. Met de nieuwe afbeeldingen bij de hand heeft het team nu vastgesteld dat gebieden met veel genen de neiging hebben om naar vergelijkbare gebieden op elk chromosoom te stromen. Maar gebieden met weinig genen komen alleen samen als ze hetzelfde chromosoom delen. Een theorie is dat de ‘genenrijke’ gebieden, die actieve locaties vertegenwoordigen van gentranscriptie, samenkomen om een efficiëntere productie mogelijk te maken.

De onderzoekers houden echter een slag om de arm. Want er is meer onderzoek nodig om deze theorie te kunnen bevestigen. Eén ding weten we nu wel zeker: de lokale chromatine-omgeving beïnvloedt de transcriptie activiteit. Ofwel, de structuur heeft invloed op de functie. En die iconische X uit de tekstboeken? Die kunnen we misschien maar beter vergeten. Want zoals uit deze studie is gebleken, heeft elke chromosoom een unieke structuur. Om te openbaren hoe elke chromosoom er in elke cel van het menselijk lichaam precies uitziet, is er echter nog veel meer onderzoek nodig. “Het zal niet mogelijk zijn om alleen op ons werk voort te borduren,” zegt Zhuang. “We moeten er heel veel studies op na slaan om een alomvattend begrip te krijgen.”