Promotie Erica Vos: Gencontrole in 3D

Erica Vos van de De Laat groep heeft met succes haar proefschrift “Gencontrole in 3D: De rol van CTCF en chromatine-looping bij het organiseren van een functioneel genoom” verdedigd op 31 oktober. Tijdens haar promotie bestudeerde Vos de rol van de 3D organisatie van DNA bij het reguleren van de activiteit van genen. In het bijzonder onderzocht ze de rol van een specifiek eiwit, genaamd CTCF, in dit proces.

Levende dingen bestaan uit microscopische eenheden, cellen, die sterk variëren in vorm en gedrag. Elke cel in een organisme bevat dezelfde genetische instructies, of DNA, verpakt in chromosomen. Slechts een klein deeltje van de verbazingwekkend lange en complexe set menselijke DNA-moleculen codeert voor genen, de instructies voor het maken van verschillende soorten cellen (hersenen, hart, huid, enz.). Elk celtype heeft een specifieke set genen “aan” staan. De set genen die “aan” staat, of actief is, bepaalt wat voor type cel die cel is; een huidcel heeft een andere set actieve genen dan een hartcel. Fouten in de regulatie van gen-activiteit kunnen leiden tot ontwikkelingsstoornissen en ziekte. Daarom zal het bestuderen van de mechanismes die gen-activiteit reguleren ons helpen om de principes van het leven en het ontstaan van ziekte beter te begrijpen en wellicht uiteindelijk leiden tot nieuwe therapieën.

Gen-activiteit wordt gedeeltelijk bepaald door hoe het DNA is georganiseerd in de kern van elke cel. Inactieve genen zijn bijvoorbeeld strakker verpak, en daardoor minder bereikbaar, terwijl actieve genen meer open zijn. Als een gen in de buurt komt van een genetische schakelaar (een enhancer, letterlijk “versterker”), waarbij een lus vormt en de activiteit van het gen stimuleert kan worden. Andere DNA-lussen kunnen voorkomen dat enhancers de verkeerde genen aangezet worden door geïsoleerde structuren te maken, die domeinen worden genoemd. Enhancers vormen normaal gesproken geen lus met genen buiten hun domein, waardoor genen alleen door specifieke enhancers binnen hetzelfde domein gereguleerd worden.

CTCF-eiwitten (groene en rode pijlen) gebonden aan het DNA (grijs) maken de vorming van domeinen, of grote DNA-lussen, mogelijk, waarbinnen genen en enhancers samen kunnen komen. De CTCF-eiwiten moeten naar elkaar toe wijzen om een lus te kunnen vormen. Copyright © Elsevier

Tijdens haar promotie was het doel van Vos om beter te begrijpen hoe DNA-lussen en domeinen gevormd worden en hoe deze structuren gen-activiteit reguleren. Ze onderzocht de rol van het architectonische eiwit CTCF in het bepalen van de richting waarin DNA-lussen gevormd worden. Vos was in staat om met experimenten te bevestigen dat de richting waarin het CTCF-eiwit aan het DNA bindt belangrijk is voor het vormen van DNA-lussen. Het verstoren van de binding van het CTCF-eiwit verstoort zowel het vormen van DNA-lussen als ook de regulatie van gen-activiteit. Mutaties in CTCF of de bindingsplekken van CTCF kunnen leiden tot verschillende ziektes, waaronder kanker. Een beter begrip van de rol van CTCF in de regulatie van gen-activiteit kan daarom bijdragen aan een beter begrip van wat er precies misgaat in deze ziektes.

Een enkele menselijke cel waarin een gen (groene stip) en een enhancer (rode stip) samenkomen. Copyright © Hubrecht Institute, credit: Stijn Sonneveld en Erica Vos.

Samen met onderzoekers van de Tanenbaum groep aan het Hubrecht Institute heeft Vos ook gewerkt aan nieuwe microscopie-tools. In de toekomst zouden deze tools gebruikt kunnen worden om te de dynamiek te bestuderen waarmee een enhancer en een gen samenkomen en weer van elkaar weggaan in de celkern, en tegelijkertijd het effect hiervan op gen-activiteit te meten. “We zijn pas net begonnen met het ontwikkelen van de tools die we nodig zijn om onder de microscoop fysieke interacties tussen een enhancer en een gen te kunnne kwantificeren,” zegt Vos, “maar we zijn enthousiast dat de tools lijken te werken en we verwachten dat deze tools het mogelijk zullen maken om in detail en in real-time het verband tussen enhancer-gen contacten en gen-activiteit te bestuderen.”

Erica Vos heeft de afgelopen 6 jaar gen-activiteit in 3D bestudeerd in de groep van Wouter de Laat. Na een welverdiende vakantie zal ze beginnen aan haar nieuwe baan als post-doc in de groep van Anton Wutz aan het ETH in Zürich, Zwitserland. Ze zal hier de genregulatie van genen op het X-chromosoom bestuderen.

Wouter de Laat is groepsleider bij het Hubrecht Institute, hoogleraar Biomedische Genomica bij het UMC Utrecht en Oncode Investigator.