We hebben eindelijk een volledig menselijk genoom

Onderzoekers hebben eindelijk een volledig menselijk genetisch instructieboek van kaft tot kaft ontcijferd.

De voltooiing van het menselijk genoom is in het verleden al een paar keer aangekondigd, maar dat waren eigenlijk onvolledige concepten. “Deze keer menen we het echt”, zegt Evan Eichler, een menselijke geneticus en onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute aan de Universiteit van Washington in Seattle.

Het voltooide genoom wordt gepresenteerd in een reeks artikelen die op 31 maart online is gepubliceerd Wetenschap en Natuur Methoden.

Een internationaal team van onderzoekers, waaronder Eichler, gebruikte nieuwe DNA-sequencingtechnologie om repetitieve stukken DNA te ontwarren die waren geredigeerd uit een eerdere versie van het genoom, dat veel wordt gebruikt als referentie voor het begeleiden van biomedisch onderzoek.

Die lastige stukken ontcijferen voegt ongeveer 200 miljoen DNA-basen toe, ongeveer 8 procent van het genoomnaar het instructieboek, rapporteren onderzoekers in Wetenschap. Dat is eigenlijk een heel hoofdstuk. En het is een sappige, met de allereerste blikken op de korte armen van sommige chromosomen, lang verloren gewaande genen en belangrijke delen van chromosomen die centromeren worden genoemd – waar machines die verantwoordelijk zijn voor het verdelen van DNA het chromosoom vastgrijpen.

“Sommige van de ontbrekende regio’s blijken de meest interessante te zijn”, zegt Rajiv McCoy, een menselijke geneticus aan de Johns Hopkins University, die deel uitmaakte van het team dat bekend staat als het Telomere-to-Telomere (T2T) Consortium dat de volledig genoom. “Het is spannend omdat we de eerste blik in deze regio’s kunnen werpen en zien wat we kunnen vinden.” Telomeren zijn repetitieve stukken DNA die aan de uiteinden van chromosomen worden gevonden. Net als aglets aan schoenveters, kunnen ze ervoor zorgen dat chromosomen niet ontrafelen.

Gegevens van de inspanning zijn al beschikbaar voor andere onderzoekers om te verkennen. En sommigen, zoals geneticus Ting Wang van de Washington University School of Medicine in St. Louis, hebben zich er al in verdiept. “Het hebben van een volledige genoomreferentie verbetert zeker biomedische studies… Het is een buitengewoon nuttige bron”, zegt hij. “Het lijdt geen twijfel dat dit een belangrijke prestatie is.”

Maar, zegt Wang, “het menselijk genoom is nog niet helemaal compleet.”

Om te begrijpen waarom en wat dit nieuwe deel van de menselijke genetische encyclopedie ons vertelt, is hier een nadere blik op de mijlpaal.

Wat deden de onderzoekers?

Eichler wijst er voorzichtig op dat “dit de voltooiing is van” een menselijk genoom. Er bestaat niet zoiets als de menselijk genoom.” Elke twee mensen zullen grote delen van hun genomen hebben die variëren van zeer vergelijkbaar tot vrijwel identiek en “kleinere delen die enorm verschillen”. Een referentiegenoom kan onderzoekers helpen om te zien waar mensen verschillen, wat kan wijzen op genen die mogelijk betrokken zijn bij ziekten. Het hebben van zicht op het hele genoom, zonder gaten of verborgen DNA, kan wetenschappers een beter begrip geven van de menselijke gezondheid, ziekte en evolutie.

Het nieuwe complete genoom heeft geen hiaten zoals het vorige menselijke referentiegenoom. Maar het heeft nog steeds beperkingen, zegt Wang. Het oude referentiegenoom is een conglomeraat van meer dan 60 mensen DNA (SN: 3/4/21). “Geen enkel individu, of enkele cel op deze planeet, heeft dat genoom.” Dat geldt ook voor het nieuwe, complete genoom. “Het is een nep-genoom zonder aanhalingstekens”, zegt Wang, die niet bij het project betrokken was.

Het nieuwe genoom komt ook niet van een persoon. Het is het genoom van een complete hydatidiforme moedervlek, een soort tumor die ontstaat wanneer een zaadcel een lege eicel bevrucht en de chromosomen van de vader worden verdubbeld. De onderzoekers kozen ervoor om het volledige genoom te ontcijferen uit een cellijn genaamd CHM13 gemaakt van een van deze ongewone tumoren.

Die beslissing is genomen om een ​​technische reden, zegt geneticus Karen Miga van de University of California, Santa Cruz. Meestal krijgen mensen een set chromosomen van hun moeder en een andere set van hun vader. Dus “we hebben allemaal twee genomen in elke cel.”

Als het samenstellen van een genoom is als het samenstellen van een puzzel, “heb je in feite twee puzzels in dezelfde doos die erg op elkaar lijken”, zegt Miga, die een analogie leent van een collega. Onderzoekers zouden de twee puzzels moeten sorteren voordat ze in elkaar overgaan. “Genomen van hydatidiforme moedervlekken vormen niet dezelfde uitdaging. Het is maar één puzzel in de doos.”

De onderzoekers moesten wel het Y-chromosoom van een andere persoon toevoegen, omdat het sperma dat de hydatidiforme moedervlek creëerde een X-chromosoom droeg.

Zelfs één puzzel in elkaar zetten is een enorme klus. Maar nieuwe technologieën waarmee onderzoekers DNA-basen – weergegeven door de letters A, T, C en G – op volgorde kunnen zetten, kunnen rekken uitspugen tot meer dan 100.000 basen lang. Net zoals kinderpuzzels gemakkelijker op te lossen zijn vanwege grotere en minder stukjes, maakten deze “long reads” het samenstellen van de stukjes van het genoom gemakkelijker, vooral in repetitieve delen waar slechts een paar basen de ene kopie van de andere kunnen onderscheiden. Door de grotere stukken konden onderzoekers ook enkele fouten in het oude referentiegenoom corrigeren.

Wat hebben ze gevonden?

Om te beginnen bevat het nieuw ontcijferde DNA de korte armen van de chromosomen 13, 14, 15, 21 en 22. Deze ‘acrocentrische chromosomen’ lijken niet op mooie, nette X’en zoals de rest van de chromosomen. In plaats daarvan hebben ze een set lange armen en een paar nubby korte armen.

De lengte van de korte armen logenstraft hun belang. Deze armen zijn de thuisbasis van rDNA-genen, die coderen voor rRNA’s, die sleutelcomponenten zijn van complexe moleculaire machines die ribosomen worden genoemd. Ribosomen lezen genetische instructies en bouwen alle eiwitten die nodig zijn om cellen en lichamen te laten werken. Er zijn honderden kopieën van deze rDNA-regio’s in het genoom van elke persoon, gemiddeld 315, maar sommige mensen hebben er meer en anderen minder. Ze zijn belangrijk om ervoor te zorgen dat cellen eiwitbouwende fabrieken paraat hebben.

“We wisten niet wat we konden verwachten in deze regio’s”, zegt Miga. “We ontdekten dat elk acrocentrisch chromosoom, en elk rDNA op dat acrocentrische chromosoom, varianten had, veranderingen in de herhalingseenheid die privé was voor dat specifieke chromosoom.”

Door fluorescerende tags te gebruiken, ontdekten Eichler en collega’s dat repetitief DNA naast de rDNA-regio’s – en misschien ook het rDNA – soms wisselt van plaats om op een ander chromosoom te landenmeldt het team in Wetenschap. ‘Het zijn net stoelendans’, zegt hij. Waarom en hoe dat gebeurt, is nog steeds een raadsel.

Het volledige genoom bevat ook 3.604 genen, waaronder 104 die coderen voor eiwitten, die niet aanwezig waren in het oude, onvolledige genoom. Veel van die genen zijn enigszins verschillende kopieën van eerder bekende genen, waaronder enkele die betrokken zijn geweest bij de evolutie en ontwikkeling van de hersenen, autisme, immuunresponsen, kanker en hart- en vaatziekten. Het hebben van een kaart van waar al deze genen liggen, kan leiden tot een beter begrip van wat ze doen, en misschien zelfs van wat mensen menselijk maakt.

Een van de grootste vondsten is misschien wel de structuur van alle menselijke centromeren. Centromeren, de samengeknepen delen die de meeste chromosomen hun karakteristieke X-vorm geven, zijn de verzamelplaatsen voor kinetochoren, de cellulaire machinerie die DNA verdeelt tijdens celdeling. Dat is een van de belangrijkste taken in een cel. Als het misgaat, kunnen geboorteafwijkingen, kanker of overlijden het gevolg zijn. Onderzoekers hadden al de centromeren van fruitvliegjes en de menselijke 8-, X- en Y-chromosomen ontcijferd (SN: 17-5-19), maar dit is de eerste keer dat onderzoekers een glimp opvangen van de rest van de menselijke centromeren.

De structuren zijn meestal kop-staart-herhalingen van ongeveer 171 basenparen DNA, bekend als alfa-satellieten. Maar die herhalingen zijn genesteld in andere herhalingen, waardoor complexe patronen ontstaan ​​die het individuele centromeer van elk chromosoom onderscheiden, beschrijven Miga en collega’s in Wetenschap. Het kennen van de structuren zal onderzoekers helpen meer te weten te komen over hoe chromosomen worden verdeeld en wat soms het proces afwerpt.

Onderzoekers hebben nu ook een completere kaart van epigenetische markeringen – chemische tags op DNA of geassocieerde eiwitten die de manier waarop genen worden gereguleerd kunnen veranderen. Eén type epigenetisch merkteken, bekend als DNA-methylatie, is vrij overvloedig aanwezig over de centromeren, behalve één plek in elk chromosoom genaamd de centromere dip regioWinston Timp, een biomedisch ingenieur aan de Johns Hopkins University en collega’s rapporteren in: Wetenschap.

In die dips grijpen kinetochoren het DNA vast, ontdekten de onderzoekers. Maar het is nog niet duidelijk of de dip in methylering ervoor zorgt dat de cellulaire machinerie zich op die plek verzamelt of dat de assemblage van de machine leidt tot lagere niveaus van methylering.

Door DNA-methylatiepatronen in het DNA van meerdere mensen te onderzoeken en ze te vergelijken met de nieuwe referentie, bleek dat de dips op verschillende plekken in de centromeren van elke persoon voorkomen, hoewel de gevolgen daarvan niet bekend zijn.

Ongeveer de helft van de genen die betrokken zijn bij de evolutie van de grote, rimpelige hersenen van de mens, worden in meerdere exemplaren aangetroffen in de nieuw ontdekte repetitieve delen van het genoom (SN: 26-2-15). Door de epigenetische kaarten over de referentie te leggen, konden onderzoekers achterhalen welke van de vele kopieën van die genen aan- en uit waren, zegt Ariel Gershman, een geneticus aan de Johns Hopkins University School of Medicine.

“Dat geeft ons een beetje meer inzicht in welke van hen echt belangrijk zijn en een functionele rol spelen in de ontwikkeling van het menselijk brein”, zegt Gershman. “Dat was spannend voor ons, want er is nooit een referentie geweest die nauwkeurig genoeg was in deze [repetitive] regio’s om te zien welk gen welke was en welke aan- of uitgezet zijn.”

Wat komt hierna?

Een punt van kritiek op genetisch onderzoek is dat het te veel heeft vertrouwd op DNA van mensen van Europese afkomst. CHM13 heeft ook Europees erfgoed. Maar onderzoekers hebben de nieuwe referentie gebruikt om nieuwe patronen van genetische diversiteit te ontdekken. Met behulp van DNA-gegevens verzameld van duizenden mensen met verschillende achtergronden die deelnamen aan eerdere onderzoeksprojecten in vergelijking met de T2T-referentie, onderzoekers gemakkelijker en nauwkeuriger plaatsen vinden waar mensen verschillenrapporteren McCoy en collega’s in Wetenschap.

Het Telomere-to-Telomere Consortium werkt nu samen met Wang en zijn collega’s om volledige genomen te maken van 350 mensen met verschillende achtergronden (SN: 22-2-21). Die inspanning, bekend als het pangenome-project, zal later dit jaar enkele van de eerste bevindingen onthullen, zegt Wang.

McCoy en Timp zeggen dat het enige tijd kan duren, maar uiteindelijk kunnen onderzoekers overschakelen van het gebruik van het oude referentiegenoom naar de meer complete en nauwkeurige T2T-referentie. “Het is alsof je upgradet naar een nieuwe versie van software”, zegt Timp. “Niet iedereen zal het meteen willen doen.”

Het voltooide menselijke genoom zal ook nuttig zijn voor onderzoekers die andere organismen bestuderen, zegt Amanda Larracuente, een evolutionair geneticus aan de Universiteit van Rochester in New York die niet bij het project betrokken was. “Waar ik enthousiast over ben, zijn de technieken en hulpmiddelen die dit team heeft ontwikkeld en dat ik deze kan toepassen om andere soorten te bestuderen.”

Eichler en anderen hebben al plannen om volledige genomen te maken van chimpansees, bonobo’s en andere mensapen om meer te leren over hoe mensen anders evolueerden dan apen. “Niemand zou dit als het einde moeten zien”, zegt Eichler, “maar een transformatie, niet alleen voor genomisch onderzoek, maar ook voor klinische geneeskunde, hoewel dat jaren zal duren om te bereiken.”