211service.com
Geleidehonden
De ideale bokserhond is sterk, vierkant gebouwd, glad. Fokkers waarderen het om zijn gebeitelde kop. De schoonheid van het hoofd hangt af van de harmonieuze verhouding van snuit tot schedel, lees de normen van de American Kennel Club voor het ras. De stompe snuit is een derde van de lengte van het hoofd van het achterhoofd tot de punt van de neus, en tweederde van de breedte van de schedel. Intelligent en alert, een bokser straalt gratie uit bij elke beweging.
De structuur van het genoom dat aan de sierlijke bouw van de bokser ten grondslag ligt, is ook prachtig, zegt Kerstin Lindblad-Toh, de moleculair bioloog die de sequentie van het hondengenoom leidde. Als mededirecteur van het programma voor genoomsequencing en -analyse aan het Broad Institute for genomic medicine, heeft Lindblad-Toh ook toezicht gehouden op projecten waarbij de muis en de opossum betrokken zijn, dus ze is goed gekwalificeerd om de genomische schoonheid van de bokser te beoordelen. De bron van die schoonheid is een relatief gebrek aan genetische diversiteit, het resultaat van honderd jaar streng gecontroleerd fokken op eigenschappen zoals harmonieus geproportioneerde schedels. De genetische homogeniteit binnen hondenrassen, en de beperkte verschillen tussen hen, betekenen dat het hondengenoom waardevolle aanwijzingen bevat voor de oorzaken van veel voorkomende ziekten bij zowel honden als mensen.
Het hondengenoom is ongeveer 2,4 miljard basen lang, maar de groep van Lindblad-Toh was in staat om het in slechts zes maanden te sequensen. Het Broad Institute, dat gezamenlijk wordt beheerd door MIT en Harvard University, is een genetische krachtpatser die in staat is om elk jaar 60 miljard basen (de letters in het genomische alfabet) te sequensen met een nauwkeurigheid van 99 procent - het equivalent van verschillende menselijke genoomprojecten. Het heeft een grotere sequencingcapaciteit dan bijna elke andere openbare of academische faciliteit ter wereld.
Tegenwoordig wordt een groot deel van die capaciteit toegewezen aan het zoogdiergenoomproject van Broad. The Broad is een van de drie onderzoekscentra die door de National Institutes of Health worden gefinancierd in een grote inspanning om het aantal zoogdieren waarvan het genoom is gesequenced de komende jaren op ongeveer 30 te brengen. (De andere twee centra bevinden zich aan het Baylor College of Medicine in Houston en de Washington University School of Medicine in St. Louis.) Lindblad-Toh houdt toezicht op sequencing- en analyseprojecten voor meer dan 20 dieren in de Broad, en verschaft middelen voor onderzoekers die vertrouwen op diermodellen bij het bestuderen van menselijke ziekten. De inspanningen van haar team zullen meer licht werpen op hoe ons eigen genoom wordt gereguleerd en hiaten opvullen in ons begrip van de menselijke evolutionaire geschiedenis. Uiteindelijk zou dit werk kunnen helpen bij het beantwoorden van enkele dwingende vragen: wat maakt een zoogdier een zoogdier, een primaat een primaat - en wat maakt ons mens?
multimedia
Bekijk beelden van het Broad Insitute en hun werk.
Onnatuurlijke selectie
In 2002, toen hondenonderzoekers Lindblad-Toh vroegen naar de sequentie van het genoom van het dier, dacht ze: oh, wauw, dit moet het ideale model zijn. Door mensen gestuurd fokken heeft rimpelige shar-peis, mohawked Rhodesian Ridgebacks en slanke borzoi's met prachtige lijnen voortgebracht. Maar als je verrijkt voor specifieke gewenste eigenschappen, leg je er helaas vaak ziektekenmerken mee vast, zegt Lindblad-Toh. Naast zijn kenmerkende eigenschappen heeft elk ras kenmerkende genetische kwetsbaarheden: ontwikkelingsstoornissen, hartaandoeningen, heupproblemen, kanker. Honden lijden aan veel van dezelfde ziekten als mensen, dus onderzoekers kunnen hun genoom gebruiken om genetische oorzaken van de ziekten bij beide soorten te identificeren.
Lindblad-Toh en haar medewerkers van het National Human Genome Research Institute (onderdeel van NIH) moesten eerst bepalen welk ras ze moesten sequencen. Mensen hebben de genetische diversiteit van sommige honden drastisch verminderd door bijvoorbeeld alleen de meest bolle buldoggen en de meest vierkante kaken te fokken. Het sequencen van een ras met weinig genetische diversiteit is gemakkelijker, omdat de twee exemplaren van elk chromosoom - een van de moeder, een van de vader - op elkaar lijken. Dus toen een voorlopige analyse suggereerde dat boksers tot de minst genetisch diverse hondenrassen behoren, hadden de onderzoekers hun onderwerp.
Zelfs als de genetische diversiteit beperkt is, is het opstellen van een genoom als het samenstellen van een zeer grote, zeer moeilijke puzzel waarvan de stukjes door het hele huis zijn verspreid - ingeklemd tussen bankkussens of onder een pot mosterd achter in de koelkast. Eerst moeten onderzoekers alle stukken lokaliseren en identificeren; dan staan ze voor de formidabele taak om de puzzel in elkaar te zetten. Lindblad-Toh en haar medewerkers besteedden zes maanden aan het sequencen van segmenten van het genoom van een vrouwelijke bokser, en drie of vier keer zo lang om ze samen te stellen en te analyseren. Ze publiceerden het hondengenoom, samen met een uitgebreide analyse waarin het werd vergeleken met het genoom van muizen en mensen, in het tijdschrift Natuur in december 2005.
Lindblad-Toh en haar team vergeleken het boxergenoom ook met de bestaande onderzoekssequentie van het poedelgenoom en gedeeltelijke sequenties van de genomen van negen andere hondenrassen die ze voor dit doel hadden voorbereid. Zoals ze verwachtten, hoewel elk ras zijn eigen kenmerkende eigenschappen en mutaties heeft, lijken alle rassen nog steeds erg op elkaar. (De gedomesticeerde rassen bestaan nog niet lang genoeg om er veel diversiteit in te sluipen.) Deze overeenkomsten binnen en tussen hondenrassen zouden ziektegerelateerde mutaties gemakkelijker moeten maken om te herkennen. Onderzoekers van de Broad en elders ontdekken momenteel ziektegenen bij honden met de hulp van de American Kennel Club/Canine Health Foundation en de Morris Animal Foundation. De onderzoekers gaan naar hondenshows om bloedmonsters en stambomen te verzamelen, of ze halen monsters op bij dierenartsen. Met behulp van DNA-microarrays zoeken ze vervolgens naar genetische verschillen tussen gezonde honden en mensen met ziekten.
Lindblad-Toh zegt dat zij en andere Broad-onderzoekers ongeveer 10 genen hebben geïdentificeerd voor eenvoudige eigenschappen zoals vachtkleur en complexe ziekten zoals kanker; ze onderzoeken ook genen die verband houden met cardiomyopathie en diabetes. Natuurlijk, als je een gen voor hondenziekte vindt, kijk je meteen bij mensen met dezelfde ziekte, zegt ze. Honden en mensen zijn vrij nauw verwant en delen versies van de meeste van dezelfde genen.
Het is echter veel gemakkelijker om ziektemutaties bij honden te ontdekken. Twee willekeurige rottweilers zijn veel nauwer verwant dan twee willekeurige mensen. Als de twee rottweilers allebei botkanker ontwikkelen, wat gebruikelijk is in hun ras, zal de ziekte waarschijnlijk worden veroorzaakt door verschillende mutaties die door beide honden worden gedragen. Maar twee mensen met botkanker hebben minder kans om ziekteverwekkende mutaties gemeen te hebben. Voor de kankerstudies hebben we ongeveer 50 tot 100 zieke honden gehad, zegt Lindblad-Toh. Je zou een veel grotere steekproef van mensen nodig hebben - duizenden patiënten en gezonde mensen - om vergelijkbare patronen te zien. Door te begrijpen welke mutaties een ziekte bij honden veroorzaken, kunnen onderzoekers erachter komen waar ze moeten zoeken naar ziekteverwekkende mutaties bij mensen.
Bijna twee jaar na de publicatie van het hondengenoom begint zijn belofte als hulpmiddel voor het bestuderen van menselijke ziekten werkelijkheid te worden. Lindblad-Toh zegt dat haar groep hoopt mutaties te identificeren die betrokken zijn bij osteosarcoom, een zeldzame maar dodelijke kanker in de adolescentie. Het wordt het komende jaar heel spannend om te zien of het toepassen van [inzichten uit het bestuderen van mutaties in hondengenen] op menselijke patiënten met dezelfde ziekten ook mutaties in dezelfde genen zal laten zien, zegt ze. Mijn voorspelling is ja. Ik denk dat als je sterke risicofactoren bij mensen kunt vinden door honden te gebruiken, dat een groot voordeel zou zijn.
Voorbij genen
Toen we het genoom van muizen en mensen analyseerden, ontdekten we dat ze voor 5 procent functioneel zijn, zegt Lindblad-Toh. Dat wil zeggen, 5 procent van het genoom van elk wezen lijkt erg op 5 procent van het andere, wat suggereert dat de verwante sequenties een bepaald doel moeten dienen. Het hondengenoom bleek dezelfde 5 procent te hebben als bij mensen en muizen, wat bevestigt dat het geen toeval is. Het grootste deel van die 5 procent zijn echter geen genen.
Ons genoom bestaat uit 46 chromosomen, dit zijn verschillende, lange ketens van organische verbindingen die bekend staan als A, T, C en G – de DNA-letters. Het genoom sequencen betekent uitzoeken welke letter, of basis, zich op elk punt in elke keten bevindt. Genen zijn stukken waar de basen een code beschrijven die in eiwitten kan worden vertaald; ze vormen 1,5 procent van het genoom. Maar een verbazingwekkende 95 procent van ons genoom is mutatie-gevoelige gobbledygook, het genetische equivalent van de zinnen die je kunt maken door gefrustreerd met je hoofd op een toetsenbord te bonzen.
Nu proberen biologen de functionele delen van het genoom te karakteriseren die geen genen zijn - regio's die volgens hen een belangrijke rol spelen bij het reguleren van genen. Ze willen deze regio's identificeren en ontdekken welke elementen ze bevatten, hoe de regio's zijn georganiseerd en hoe ze werken.
De beste manier om de regulerende elementen te midden van de gobbledygook te vinden, is door te kijken naar wat er is behouden - wat hetzelfde blijft - voor meerdere soorten. Het vergelijken van genomen is bijna als de steen van Rosetta, zegt Lindblad-Toh. Met dezelfde boodschap uitgehouwen in het Griekse alfabet, hiërogliefen en demotisch schrift (een soort cursieve hiërogliefen), maakte de Rosetta-steen het mogelijk om de laatste twee schriftsystemen te ontcijferen. In genomen heb je op dezelfde manier een reeks letters; alles wat belangrijk is, blijft hetzelfde.
Het grootste deel van het genoom is slechts dode ruimte tussen genen, waar de volgorde van basen niet belangrijk is voor de functies van het leven. Mutaties die in dergelijke stukken voorkomen, produceren af en toe functionele sequenties, maar ze zijn meestal niet nuttig of schadelijk. Dat betekent dat ze relatief snel accumuleren: ze oefenen geen invloed uit op de reproductiekansen van een individu, ze zijn niet onderhevig aan natuurlijke selectie, dus ze worden veel sneller doorgegeven dan veranderingen in functionele gebieden, die vaak nadelig zijn.
Hoe meer evolutionaire tijd er is tussen twee zoogdiersoorten, hoe meer onbelangrijke dingen zullen veranderen, zegt Lindblad-Toh. Maar een reeks DNA waarvan de sequentie onveranderd behouden blijft tussen soorten, heeft waarschijnlijk een belangrijke functie. Zodra onderzoekers die sequenties in de gebieden tussen genen hebben vastgesteld, kunnen ze ze afzonderlijk testen om hun functies te bepalen.
Het menselijk genoom vergelijken met dat van een in de verte verwant organisme zoals gist is echter moeilijk: om de steenmetafoor van Rosetta uit te breiden, de twee teksten bevatten te veel verschillende boodschappen. Het vergelijken van genomen die veel van dezelfde berichten bevatten, zoals die van de mens en de hond, is productiever. Om het menselijk genoom echt te begrijpen, richten we ons op zoogdieren, zegt Lindblad-Toh. Brede wetenschappers, van wie sommigen deelnamen aan het Human Genome Project voordat het instituut in 2003 werd opgericht, zijn betrokken geweest bij het sequencen van onder andere de chimpansee, muis, hond en paard (zie The Broad's Menagerie, p. M17) . Er wordt ook gewerkt aan de cavia, de olifant, het konijn, de kleine bruine vleermuis, de bosbaby en de grondeekhoorn.
Onderzoekers plaagden aanvankelijk de functionele 5 procent van het menselijk genoom door het te vergelijken met dat van slechts één ander dier, de muis. Het toevoegen van het hondengenoom zorgde voor een krachtige triade. Nu concentreren onderzoekers zich op wat de functionele niet-genelementen doen. Er komen steeds meer aanwijzingen dat ze het genoom reguleren. Zonder regulerende elementen zou een gen zijn als een ongelezen boek dat stof in de hoek van de opslagruimte van een bibliotheek verzamelt: slechts een inerte reeks letters.
Weten wat elk gen doet is erg belangrijk, maar het is niet genoeg. Sommige ziekten zijn duidelijk te wijten aan het ontbreken van één eiwit, zegt Lindblad-Toh; enzymtekorten zijn een voorbeeld. Maar bij veelvoorkomende ziekten zoals kanker of diabetes kan het gewoon een functie zijn van hoeveel of hoe weinig eiwit je maakt, en of je het op het juiste moment maakt of niet. Het lijkt waarschijnlijk dat die factoren worden gecontroleerd door regelgevende elementen.
Ik ben er sterk van overtuigd dat veel veelvoorkomende ziekten worden veroorzaakt door mutaties in de regelgeving, zegt Lindblad-Toh. Onderzoek van het vroege Broad Institute naar het hondengenoom lijkt haar hypothese te ondersteunen. Brede onderzoekers zijn op zoek naar mutaties die verband houden met verschillende eigenschappen en ziekten, waaronder witte vachtkleur, schildklierproblemen, botkanker, hartproblemen en shar-pei-koorts. Voor een aantal hiervan is er voorlopig bewijs dat de verantwoordelijke mutaties buiten genen liggen - in regulerende elementen.
Inzoomen op waar deze elementen zich in het genoom bevinden, is veel gemakkelijker dan uitzoeken wat ze doen en hoe. Eén type regulator, een versterker genaamd, start het proces waardoor genen hun informatie kunnen doorgeven. Enhancers kunnen zich binnen, dichtbij of heel ver van de genen bevinden die ze reguleren. Onderzoekers veronderstellen dat eiwitten binden aan een versterker en aan een gebied dat onmiddellijk voorafgaat aan een gen; ze binden ook aan elkaar, trekken het DNA rond in een lus en laten de transcriptie van het gen beginnen. Maar dergelijke mechanismen beginnen nu pas begrepen te worden.
Wat maakt ons zoogdieren?
Door het hondengenoom te vergelijken met het genoom van muizen en mensen, konden onderzoekers een groot aantal regulerende elementen identificeren; verdere analyse toonde aan dat bij alle drie de zoogdieren de helft van die elementen is geclusterd rond slechts ongeveer 240 genen. Met andere woorden, maar liefst 50 procent van onze meest geconserveerde elementen lijkt niet veel meer dan 1 procent van onze genen te reguleren.
Dus wat doen die genen om zo'n speciale behandeling te verdienen? Het blijkt dat ze een centrale rol spelen tijdens de ontwikkeling. Ze beheersen ons lichaamsplan, het biologische equivalent van een blauwdruk. Door de configuratie van onze stekels, de structuur van onze hersenen en de positie van onze opponeerbare duimen te dicteren, maken ze ons tot gewervelde dieren, zoogdieren en primaten.
Het is natuurlijk van cruciaal belang dat je een voet produceert waar je voet gaat en niet soms per ongeluk op je hoofd, zegt Lindblad-Toh. Wat we denken te hebben gevonden, is dat ongeveer deze 200 genen een groot deel van deze regulerende elementen bevatten. Ze zijn in feite de hoofdregulatoren van de hoofdgenen die zoogdieren tot zoogdieren maken. Sommige van deze geclusterde regulerende elementen zijn zo belangrijk dat ze tussen soorten beter bewaard blijven dan genen.
Een analyse van het opossum-genoom dat afgelopen mei door de Broad is gepubliceerd, ondersteunt verder de hypothese van Lindblad-Toh dat er hoofdregulatoren bij zoogdieren zijn. Opossums bevinden zich op een andere tak van de stamboom van zoogdieren: het zijn buideldieren, terwijl mensen, honden en muizen eutherianen zijn - zoogdieren met placenta. Voor elk genoom dat we toevoegen, blijven we voortbouwen op de hypothese dat de functionele 5 procent van het genoom van mensen, muizen en honden zoogdier- en eutherisch specifiek is, zegt Lindblad-Toh. Kijkend naar de opossum en andere grote takken van de gewervelde boom, zien we dat er innovatie is toegevoegd. Dat wil zeggen, opossums delen niet de volledige 5 procent die placentale zoogdieren hebben. Veel van de variatie in de regulerende elementen bij buideldieren is rond de genen voor het lichaamsplan. Deze variaties kunnen de opossums buideldieren maken, en wat niet varieert, kan een belangrijk onderdeel zijn van wat zoogdieren zijn.
Lindblad-Toh zegt dat het te vroeg is om te vragen wat een primaat tot een primaat maakt, of wat mensen menselijk maakt. Het lijkt echter waarschijnlijk dat de ontwikkeling van neurale paden wordt gereguleerd door primaat-specifieke genen. Elke orde, elke diersoort heeft waarschijnlijk zijn eigen innovaties, gecontroleerd door hoofdregulatoren in niet-genische gebieden van het genoom.
Op dit moment, zegt Lindblad-Toh, proberen zij en andere Broad-onderzoekers gewoon een basiscatalogus samen te stellen van deze hoofdregulatoren. Zodra meer soorten zijn gesequenced, zal het mogelijk zijn om de grotere vragen te beantwoorden. Terwijl die menagerie van genomen blijft groeien, blijken honden – lange tijd de beste vrienden van de mens in het veld en op de boerderij – ook waardevolle metgezellen in het laboratorium te zijn.