Frank Holstege, ERC Advanced Grant

Uiteindelijk wil ik beter begrijpen hoe het leven werkt en dit gebruiken om ziektes te bestrijden
Frank Holstege
Frank Holstege

De dynamiek van genregulatie ontcijferen

We dragen allemaal in elke cel een complete set DNA met ons mee. Maar lang niet alle eigenschappen daarvan komen tot uiting in alle celtypes. De activiteit van genen in ons DNA is afhankelijk van allerlei omstandigheden, bijvoorbeeld celtype, tijd, ziekte en de aanwezigheid hormonen. De zogeheten genexpressie wordt gereguleerd door transcriptiefactoren die tijdelijk op diverse plekken binden op ons DNA. Deze regeleiwitten, zo'n 2600 verschillende, beïnvloeden de activiteit van genen in het DNA die in hun nabijheid liggen. Mede dankzij de zojuist toegekende ERC Advanced Grant  kan hoogleraar Genomics Frank Holstege de komende jaren de dynamiek van genregulatie in kaart brengen en de werking van dynamische binding ontrafelen. Holstege en zijn onderzoeksteam doen dat grondig; voor een hele set transcriptiefactoren, voor het volledige genoom en voor zowel binding als het loslaten.
Tekst: Youetta Visser

Honderden transcriptiefactoren

Frank Holstege pakt al snel papier en pen erbij om de structuur te schetsen. Hij trekt een rechte lijn."Stel dat deze lijn het DNA is. Dan beweegt een transcriptiefactor er naartoe, bindt voor kortere of langer tijd en laat weer los. Een bruisende dynamiek van honderden transcriptiefactoren over de hele lijn. We weten inmiddels dat het feit dat een transcriptiefactor is gebonden van invloed is op de genexpressie daarna. Tot nu toe is het onderzoek echter een momentopname, gericht op één regeleiwit en één gen. Wij willen de dynamiek onderzoeken; hoe komen de transcriptiefactoren in beweging en wat bepaalt voor hoe lang en op welke plek ze in het DNA binden? Dat doen we dan voor het hele genoom, op alle bindingsplaatsen van het DNA. En dan bekijken we steeds wat het effect is op de activiteit van de genen."

Harde kwantitatieve gegevens

Voor dit grootschalige onderzoek maken de onderzoekers gebruik van twee methodes, die ze deels zelf hebben ontwikkeld. De één meet de dynamiek van het binden en de ander van het loslaten. "Om te beginnen maken we een stam en testen we één transcriptiefactor: CBF1. Die bindt op een paar honderd plekken en ook op plekken waar geen genexpressie plaatsvindt. Bijzonder is dat deze transcriptiefactor op verschillende plekken in ons DNA een ander effect teweegbrengt; soms remt het af en soms activeert het de genen. We weten nog niet hoe dat komt." Na deze pilot gaat het grote werk beginnen. "De tijd van het theoretiseren is voorbij. Ik wil nu een grote hoeveelheid harde kwantitatieve gegevens verzamelen op grond van steeds weer dezelfde vragen bij elke transcriptiefactor. Daaruit destilleren we patronen. Op basis daarvan kunnen we regels opstellen die gelden voor deze dynamiek. En die regels zullen we verifiëren."

De grens tussen fundamenteel onderzoek en maatschappelijke relevantie is niet scherp. "Het is puur door nieuwsgierigheid gedreven onderzoek", zegt Holstege, "maar de impact kan groot zijn. Afwijkingen in de genexpressie zijn oorzaak van vele ziekten. Bovendien hangt de genetische aanleg voor veel ziekten samen met de plaats waar transcriptiefactoren aan DNA binden." Als zijn onderzoeksteam in staat is om de dynamiek van genregulatie te doorgronden, is beïnvloeding daarvan een mogelijke vervolgstap.

Patronen destilleren

Voor het ERC onderzoek stelt Holstege een multidisciplinair onderzoeksteam samen. "Naast bijvoorbeeld moleculair biologen en biochemici bestaat de helft van mijn team uit bioinformatici; zij bepalen de algoritmes om uit de grote hoeveelheid data patronen te destilleren." Het onderzoeksteam heeft veel capaciteit op HPC-computers gereserveerd om de berekeningen uit te voeren.  De meeste metingen zullen ze op het DNA van gist uitvoeren. "Gist heeft een beperkt DNA, 12 miljoen baseparen (12 Mb), en er is al veel over bekend. Het is ook goed te manipuleren", legt de hoogleraar uit. "Een mens heeft veel omvangrijker DNA (3000 Mb), maar ik verwacht dat de basisprincipes ongeveer hetzelfde zijn. Stap één is het snappen van het systeem en de werking ervan."

Begrijpen hoe het leven werkt

Holstege is gedreven:"Genomics, de kennis over ons DNA en de bijbehorende onderzoekstechnieken hebben zich de laatste zeven jaar razendsnel ontwikkeld. Het is fantastisch hieraan bij te dragen. Uiteindelijk wil ik beter begrijpen hoe het leven werkt en dit gebruiken om ziektes te bestrijden."