Veel sneller en goedkoper DNA-schakelaars van plant & dier achterhalen

Het zit niet in je genen, maar toch is het erfelijk. Rara, wat is het? Zogenaamde ‘epigenetische’ aanhangsels – epi betekent ‘op’ – aan je DNA die snel kunnen wisselen, zo genen aan of uit kunnen zetten en waarschijnlijk heel veel bepalen.

Het veld ingaan en zonder voorkennis iets in detail zeggen over epigenetische variatie in een willekeurige plantensoort was simpelweg onmogelijk,” legt NIOO-onderzoeker en bedenker van de nieuwe epiGBS-techniek Thomas van Gurp uit. Het juiste ‘gereedschap’ miste. Samen met lab-technicus Niels Wagemaker van de Radboud Universiteit Nijmegen en onderzoekers van Wageningen University is het idee van de epiGBS-methode verder uitgewerkt en getest. “Met onze nieuwe methode kan het nu wel.”

Hongerwinter

Wereldwijd is de aandacht van onderzoekers voor epigenetica enorm. Bij mensen zijn er verbanden met de ontwikkeling van kankercellen en het tijdens de zwangerschap doorgeven van milieuprikkels aan het ongeboren kind – denk aan roken, of de hongerwinter. Sinds niet al te lang is het belang ook binnen het ecologisch en evolutionair onderzoek doorgedrongen. Zijn snelle epigenetische veranderingen betrokken bij het overleven van plagen en klimaatverandering in de natuur?

Wat kun je als moederplant meegeven aan je nakomelingen? Meer dan wat er in je genen zit, zo blijkt. Ook OP je genen zitten 'eigenschappen' die je door kunt geven. Bijvoorbeeld als je tijdens je leven last hebt van rupsen: bescherming kun je dan niet meer via je genen doorgeven, maar nog wel snel via de epigenetische (epi=op) route.
Een 'aanhangsel' - bijvoorbeeld een zogenaamde methyl-groep, hier een rood bolletje - meer of minder maakt dat een gen niet of juist wel werkt. Dus: schakel dat gen voor bitter-smakende stofjes maar aan, paardenbloem!
De jonge paardenbloemen zijn dan meteen vanaf het begin beschermd tegen rupsenvraat. Dank je wel, mam!

Zich kunnen aanpassen is essentieel in ecologie en evolutie. Aanpassen via de genen gaat niet altijd even snel, maar epigenetisch wel. “Dat is ook voor telers van gewassen heel interessant,” weet Van Gurp. “Kun je de volgende generatie plantjes beter aangepast maken door de ouders alvast een bepaalde behandeling te geven?

Hoe werkt het?

Hoe ga je te werk? Je verzamelt tientallen tot wel honderden monsters van bijvoorbeeld planten. Stap 2: je isoleert daar DNA uit. Dan komt de nieuwe methode, die alleen bepaalde stukjes van het DNA karakteriseert. En dat is zowel voor de genen (genetisch) als voor de wijzigingen op de genen (epigenetisch). Van Gurp legt het uit, terwijl hij met zijn armen DNA-strengen uitbeeldt. “Met die informatie kun je zo in één klap een heleboel duiden: dat is gen zus, dat is transposon zo en dat is epigenetische variatie. Dit kan dan zelfs, of beter gezegd juist, bij soorten waar je nog helemaal niets vanaf wist. Of zoals wij onderzoekers dat noemen: zonder het referentiegenoom van een modelsoort.” En dat binnen twee weken. Met maar een paar modelsoorten tegenover die enorme biodiversiteit op aarde is dat bijzonder handig.

Er bestonden al technieken voor het scannen op epigenetische methylgroepen. “Maar die waren of erg onvolledig of alleen mogelijk als je al een referentiegenoom had. Dat eerste liet nog een hoop te raden over, en dat laatste kostte veel tijd en geld – dus geen optie voor ‘gewone’ soorten.” Aan het woord is hoofdonderzoeker Koen Verhoeven. “Beide problemen hebben we nu opgelost.” Dat hebben de onderzoekers gedaan via een slimme combinatie van DNA-technieken en krachtige bio-informatica om de stukjes informatie de juiste plek te geven. “Eigenlijk maak je uit het niets een genetische én epigenetische kaart voor duizenden stukjes DNA van die plant of dat dier.”

Is meteen een ander groot probleem opgelost: de verschillen in de onderzoeksresultaten die soms opduiken tussen de modelsoorten zoals de zandraket (Arabidopsis) waar je alles van wist en andere soorten. “Komt dat door de verschillen in de soorten of door verschillen in de technieken? En dat is funest voor het onderzoek...” Maar vergelijking is vanaf nu wél mogelijk.

Verhoeven: “Met deze nieuwe techniek is het vakgebied van de ecologische epigenetica een stuk volwassener geworden.”

Het NIOO is met ruim 300 medewerkers en studenten een van de grootste onderzoeksinstituten van de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen (KNAW). Het is gespecialiseerd in de ecologie van het water en het land. Sinds 2011 is het gevestigd in een innovatief en duurzaam onderzoekspand in Wageningen. De historie van het onderzoek gaat meer dan 60 jaar terug en loopt door ons hele land, en ver daarbuiten.

Voor meer informatie:

• Hoofdonderzoeker dr. Koen Verhoeven, afdeling Terrestrische Ecologie NIOO-KNAW, tel. 06-54971838, k.verhoeven@nioo.knaw.nl
• Wetenschapsvoorlichter ir. Froukje Rienks, NIOO-KNAW, tel. 06-10487481 / 0317-473590, f.rienks@nioo.knaw.nl

Artikel: epiGBS: reference-free reduced representation bisulfite sequencing. Thomas P. van Gurp, Niels C.A.M. Wagemaker, Björn Wouters, Philippine Vergeer, Joop N.J. Ouborg & Koen J.F. Verhoeven. Nature Methods, 8 februari 2016 (Advance Online Publication): www.nature.com/nmeth/journal/vaop/ncurrent/full/nmeth.3763.html