Waar en wanneer is DNA beschikbaar?

Waar en wanneer is DNA beschikbaar?

Leuvens onderzoeksteam schetst met behulp van artificiële intelligentie een gedetailleerd en dynamisch beeld van hoe erfelijk materiaal écht ingezet wordt.

Er is een ware revolutie aan de gang in het biomedisch onderzoek. Dankzij single cell technologie kunnen wetenschappers steeds fijnmaziger—namelijk cel per cel—de processen van het leven analyseren. En dankzij deep learning en artificiële intelligentie wordt al die “big data” ook behapbaar. 

Een Leuvens team onder leiding van Stein Aerts (VIB-KU Leuven) ontrafelde nu hoe het DNA van iedere hersencel van de fruitvlieg ingezet wordt, en ook hoe dit evolueert van bij de geboorte tot de vliegjes volwassen zijn. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het gerenommeerde vakblad Nature, en zijn een voorbode van een nieuw tijdperk van AI-gestuurde cellulaire geneeskunde. 

 

Alle cellen in ons lichaam hebben hetzelfde DNA. Toch zien deze cellen er niet hetzelfde uit en vervullen ze heel verschillende rollen in ons lichaam. "Zeker in een complex orgaan als de hersenen is er een immense diversiteit aan celtypes die samen mogelijk maken dat we in staat zijn na te denken, beslissingen te maken, te bewegen enzovoort," legt prof. Stein Aerts van het VIB-KU Leuven Centrum voor Hersenonderzoek uit. "Dat geldt voor ons mensen, maar ook voor piepkleine diertjes zoals de fruitvlieg."

Aerts en zijn team bestuderen de dynamisch mechanismen die ervoor zorgen dat ons erfelijk materiaal ingezet kan worden om de processen in onze cellen aan te sturen. Ze doen dit niet alleen aan de hand van menselijk weefsel, maar ook van fruitvliegen. Aerts: "De hersenen van de fruitvlieg bevatten ‘maar’ een 220.000-tal cellen. Vandaag is het haalbaar om op die schaal de volledige diversiteit van alle celtypen te gaan onderzoeken. Bij mensen, met zo’n 170 miljard hersencellen, is dat al heel wat moeilijker."

DNA toegang decoderen 

Ons DNA bevat alle genetische informatie, maar dit is slechts een deel van het verhaal. DNA wordt in iedere cel omgezet tot RNA en dan tot eiwitten, en op die manier worden alle processen in levende cellen aangestuurd. 

De lange DNA-helix zit echter heel strak verpakt. Wist je dat het ontvouwen van al het menselijke DNA in één cel een molecuul zou opleveren van zo'n 2 meter lang? Wanneer DNA overgeschreven wordt naar RNA wordt het heel gericht weer uitgevouwen. Dit betekent dat het openplooien van DNA, met andere woorden de fysieke toegang ervan, een cruciaal maar zeer dynamisch proces is. 

"Wat bepalend is voor de ‘identiteit’ van een cel is een match tussen eiwitten die het DNA decoderen, en bepaalde regio’s van het DNA waarop zij kunnen binden," legt Aerts uit. "Recente technologische ontwikkelingen stellen ons in staat om na te gaan om welke regio’s in het DNA het precies gaat, voor elke individuele cel." 

Van larve tot vlieg 

"We gebruikten deep learning om genregulatie netwerken op te sporen," legt Janssens uit. "In deze netwerken hebben we eiwitten in verband gebracht met de DNA-regio’s waaraan ze binden en voorspellen we welke effect dit heeft op het DNA en op de cel. Op die manier konden we bekijken hoe celtypes in de hersenen veranderen van bij de geboorte tot een volwassen stadium." 

Taskiran: "We combineerden gegevens over hoe het DNA geplooid is met metingen van celfunctie en konden op die manier verbanden blootleggen die door conventionele algoritmes worden gemist. Met ons nieuw model konden we zelfs voorspellen welke rol de letters in het DNA precies hebben!" 

"Onze atlas laat zien dat alle celtypes in de hersenen van de fruitvlieg een uniek DNA-plooiprofiel hebben, met verschillende combinaties van vaak wel tienduizenden toegankelijke regio's," voegt Sara Aibar toe. 

Van vliegen tot mensen 

Dit gedetailleerde inzicht in genetische regulatie bij de fruitvlieg opent niet alleen nieuwe deuren voor fundamenteel onderzoek, maar ook voor klinische toepassingen. 

"Natuurlijk bieden onze resultaten een startpunt voor veel gedetailleerdere genetische analyse in fruitvliegen, niet alleen in de ruimtelijke zin, maar ook in de tijd," zegt Aerts. "Ongeveer twee-derde van de netwerken die we identificeerden zijn op een of andere manier gelinkt aan hersenafwijkingen of aan menselijke ziekten. Het zal dus belangrijk worden om de rol van de genregulatie processen hierin verder te onderzoeken. Daarom hebben we ook alle data online beschikbaar gemaakt, zodat andere onderzoekers er mee aan de slag kunnen."

Volgens Aerts vormt deze studie in fruitvliegjes ook een belangrijke stap naar een beter begrip van genregulatie bij de mens: "Gezien het tempo waarmee deze nieuwe technologieën ontwikkeld en ingezet worden, is het slechts een kwestie van tijd voordat we op gelijkaardige manier genetische netwerken zullen kunnen blootleggen voor menselijke cellen. Hiermee kunnen we dan aan de slag voor gentherapie, bijvoorbeeld voor hersenaandoeningen." 

Aerts is lid van een Europees consortium dat zich richt op het cel per cel opsporen, begrijpen en behandelen van complexe ziekten. "Ik ben er zeker van dat de huidige vooruitgang in single-cell technologie, deep learning en bio-informatica op korte termijn de manier waarop we medische uitdagingen zoals kanker en hersenziekten aanpakken zal transformeren."


Liesbeth Aerts
Liesbeth Aerts External relations, VIB

Publicatie
​Janssens, Aibar, Ihsan Taskiran et al. Nature 2022
Decoding gene regulation in the fly brain

Over VIB Pressroom

VIB Pressroom
Rijvisschestraat 120
9052 Zwijnaarde