Chaos in embryo’s door DNA-schade in sperma
Veel varianten in het DNA worden overgeërfd, maar ze kunnen ook nieuw ontstaan in spermacellen, eicellen of in het vroege embryo zelf. DNA-varianten zijn meestal onschuldig, maar leiden soms tot een miskraam of aangeboren aandoeningen zoals een ontwikkelingsachterstand of autisme. Sjors Middelkamp gebruikte nieuwe technieken om genetische varianten op te sporen en de effecten daarvan te bepalen. “Uit ons onderzoek blijkt dat DNA-schade in spermacellen kan leiden tot complexe genetische varianten in vroege embryo’s.” Ook ontwikkelde hij nieuwe manieren om de effecten van genetische varianten te voorspellen.
Tijdens de bevruchting smelten een eicel en een spermacel samen. Daarbij wordt een deel van het DNA van de moeder en van de vader overgeërfd. Deze combinatie van het geërfde DNA vormt het genoom: onze complete DNA-code. Het DNA bevat de informatie voor de ontwikkeling van alle biljoenen cellen van ons hele lichaam. Menselijke genomen bestaan voor het grootste deel uit dezelfde code, maar kleine verschillen - varianten - maken ieder mens uniek. “Genetische varianten kun je erven van je ouders, maar ze kunnen ook nieuw ontstaan in de geslachtscellen van de ouders of in de cellen van het vroege embryo”, vertelt Sjors Middelkamp, die hiernaar onderzoek deed bij het UMC Utrecht. Sommige van deze ‘nieuwe’ varianten kunnen ertoe leiden dat de embryonale ontwikkeling niet goed verloopt, waardoor aangeboren aandoeningen kunnen ontstaan. Sjors bestudeerde de oorzaak en gevolgen van complexe, structurele varianten die nieuw zijn ontstaan in de geslachtcellen of in het embryo. Hij promoveerde op 17 september op dit onderzoek.
Genetische instabiliteit
De eerste celdelingen na de bevruchting leggen de basis voor de ontwikkeling van het hele embryo. “Verrassend genoeg blijken deze eerste celdelingen vaak chaotisch te verlopen, waardoor genetische fouten kunnen ontstaan. Mede door deze genetische fouten leidt meer dan de helft van de bevruchtingen bij de mens niet tot een succesvolle zwangerschap”, vertelt Sjors. De oorzaak van deze chaos in vroege embryo’s was niet precies bekend, deels omdat het erg lastig is om de vroege embryonale ontwikkeling te bestuderen. De meeste nieuwe genetische varianten bevinden zich op het DNA dat van de vader overgeërfd wordt. Sjors en zijn collega’s gebruikten nieuwe technieken om de genomen van twee- en achtcellige embryo’s te bestuderen. “Uit het onderzoek blijkt dat embryo’s die zijn verkregen door bevruchtingen met beschadigd sperma vaker genetische instabiliteit vertonen”, vertelt Sjors. “Het lijkt er dus op dat de hoge sterfte van vroege embryo’s deels te verklaren is door de gevolgen van DNA-schade die al in de spermacellen ontstaat.”
DNA aflezen
Met zijn collega’s onderzocht hij ook de gevolgen van complexe, nieuw ontstane structurele varianten in het DNA bij patiënten met aangeboren aandoeningen. Zulke varianten kunnen verschillende effecten op nabij gelegen genen hebben. Zo kunnen ze stukken van de DNA-code veranderen, verwijderen of juist verdubbelen. Ook kunnen structurele varianten van invloed zijn op onderdelen van het DNA die ervoor zorgen dat een gen zijn werk goed doet. “De mens heeft rond de 20.000 verschillende genen. Die moeten niet in elke cel op elk moment actief zijn”, vertelt Sjors. “Simpel gezegd wil je bijvoorbeeld niet dat een gen voor de botaanmaak actief is in hersencellen.” Of een gen aan of uit staat, wordt geregeld door complexe mechanismen. “Dankzij nieuwe technieken weten we nu steeds meer over de indirecte effecten van genetische varianten op genen. In ons onderzoek hebben we daarmee de volledige genomen van 39 patiënten met nieuw ontstane structurele varianten opnieuw in kaart gebracht. We wilden weten of we nieuwe varianten en effecten zouden vinden die met de gangbare technieken misschien nog niet zijn op te sporen.” Bij zeven patiënten ontdekte Sjors dat de structurele varianten nog complexer waren dan eerder was vastgesteld. Verder onderzoek leverde extra kennis op over het ontstaan van het ziektebeeld van 16 van de 39 bestudeerde patiënten.
Zenuwcellen
Een genetische variant heeft vaak alleen indirect effect op een bepaald celtype. “Het kan zijn dat zo’n structurele variant bijvoorbeeld geen verstoringen geeft in bloedcellen, maar wel effect heeft op hersencellen”, vertelt Sjors. “Nu zou je die effecten het liefst vaststellen in cellen die relevant zijn voor een ziektebeeld, maar die zijn soms moeilijk toegankelijk, zoals hersencellen, of treden alleen tijdelijk op, bijvoorbeeld tijdens de embryonale ontwikkeling.”
Om die horde te nemen, veranderde hij in het lab bloedcellen van een patiënt met een complexe aangeboren aandoening (een ontwikkelingsachterstand en een schedel- en handafwijking), in pluripotente stamcellen (iPS-cellen). Deze stamcellen kunnen zich nog tot verschillende andere celtypen ontwikkelen, vergelijkbaar met stamcellen van jonge embryo’s. Omdat hij deze pluripotente stamcellen uit cellen van de patiënt ontwikkelde, hadden ze hetzelfde genoom met dezelfde complexe genetische afwijkingen. “We konden ze zo gebruiken als model voor de vroege embryonale ontwikkeling waarin het verstorende effect van de genetische varianten optreden”, vertelt Sjors. De iPS-cellen van de patiënt en diens gezonde ouders zijn vervolgens in het lab ontwikkeld tot zenuwcellen. Met deze aanpak is ontdekt dat de activiteit van het TWIST1-gen, dat in de buurt van de structurele varianten lag en niet direct was aangedaan, juist in de zenuwcellen was verstoord. “Die verstoring was niet te zien in bloedcellen van de patiënt, maar met gebruik van iPS-cellen konden we de gevolgen ervan voor zenuwcellen wel aantonen. De verstoring van de regulatie van dit TWIST1-gen veroorzaakte waarschijnlijk voor een groot deel het ziektebeeld van de patiënt.”
Sjors Middelkamp verrichtte zijn promotieonderzoek in het UMC Utrecht in de groep van Edwin Cuppen, hoogleraar humane genetica. Sjors werkt nu in het Prinses Máxima Centrum voor kinderoncologie.
