Twintig jaar geleden had bijna niemand erover gehoord, maar vandaag biedt epigenetica meer inzicht in kanker en andere ziekten. Blijkt dat niet alleen genen in het DNA, maar ook scheikundige stoffen óp het DNA een rol spelen bij welke kenmerken we hebben. De eerste epigenetische geneesmiddelen zijn er al. En nu is ook duidelijk dat de voeding van de ouders een rol kan spelen in de gezondheid van hun latere kinderen.
Sommige mensen zijn hun tijd veel te ver vooruit. De Oostenrijkse bioloog Paul Kammerer deed begin vorige eeuw experimenten met de vroedmeesterpad: een diertje dat zich op het land voortplant, waarbij de mannetjes wekenlang de eitjes meezeulen. Kammerer kon padden verplichten zich in het water voort te planten, en claimde dat de jongen van die diertjes nadien vanzelf in het water zouden leven. Daarmee meende hij een bewijs geleverd te hebben voor lamarckiaanse evolutie, die zegt dat dieren kenmerken die ze tijdens hun leven verworven hebben aan hun nakomelingen kunnen doorgeven.
Dat idee is echter verworpen – de darwiniaanse evolutiemechanismen van natuurlijke en seksuele selectie zijn toonaangevend gebleken. In 1926 werd Kammerer er in het topvakblad Nature van beschuldigd dat hij zijn gegevens had vervalst om toch maar bewijs voor de theorie te kunnen vinden. Zes weken later pleegde hij zelfmoord. Maar in 2009 poneerde een bioloog in The Journal of Experimental Zoology dat Kammerer misschien wel de eerste was die op het spoor kwam van wat vandaag epigenetica heet: het inzicht dat niet uitsluitend genen in het DNA, maar ook scheikundige stoffen op het DNA mee bepalen welke kenmerken in een individu tot uiting komen. Die stoffen kunnen met het oog op veranderende omgevingsomstandigheden aan het DNA worden gehangen of eraf worden gehaald – en op die manier kan de omgeving tóch een invloed hebben op het sturen van erfelijke eigenschappen. Iemand zou Kammerers experimenten eens moeten overdoen met epigenetica in het achterhoofd.
Geen enkele weldenkende bioloog twijfelt er vandaag aan dat epigenetica een realiteit is. In 2012 schreven wetenschappers in Nature Neuroscience dat de overgang van broed verzorgen naar voedsel zoeken bij werksterbijen gestuurd wordt door epigenetische mechanismen. Bij de gedragsovergang van de bijtjes wordt de activiteit van 150 genen gewijzigd door veranderingen in de posities van chemische stoffen op het DNA. Voor mieren gaat iets vergelijkbaars op. Het onderscheid tussen soldaten en werksters zou, volgens Genome Research, te wijten zijn aan epigenetische effecten, waardoor bepaalde genen in het ene geval wel en het andere geval niet tot uiting komen. Epigenetica kan verklaren waarom een soort twee totaal verschillende vormen heeft (zie de rups en de vlinder) die beide ontspruiten uit hetzelfde genoom.
De stekeltjes van hulst
Voor planten is ondubbelzinnig aangetoond dat veranderingen in de omgeving via epigenetische mechanismen aanpassingen aan het uiterlijk kunnen uitlokken. Van hulst is bekend dat de plant vooral stekelige bladeren produceert als er een grote kans is dat ze opgegeten worden door herten of andere planteneters. Op eenzelfde struik kunnen twee types bladeren groeien: stekelige laag bij de grond en gladde hoger, waar planteneters er niet bij kunnen. Volgens The Botanical Journal of the Linnean Society wordt het verschil mee bepaald door epigenetische aanpassingen.
Het onderzoek is het verst gevorderd bij de zandraket – zeg maar de laboratoriumrat van de plantenwereld. Zowel in Nature als in Science verschenen vorig jaar studies die aantonen dat de timing van bloemen krijgen en de lengte van wortels mee bepaald worden door veranderingen in de posities van chemische stoffen op het DNA. De bestudeerde variatie zou erfelijk zijn – ze zou dus doorgegeven worden aan de volgende generaties, maar niet afhangen van veranderingen ín hetDNA. De epigenetische make-up van de plant varieert sterk op basis van de omgevingsomstandigheden. Epigenetica geeft planten de mogelijkheid snel in te grijpen als er iets fundamenteels verandert, zonder te hoeven wachten op de – veel tragere – aanpassingen van het genetische materiaal zelf. Hier liggen dan ook mogelijkheden om de productie van landbouwgewassen verder op te drijven.
Epigenetische informatie bepaalt de activiteit van genen. Epigenetische signalen kunnen beschreven worden als chemische vlaggetjes die aan het DNA hangen. Methylgroepen die zich aan een van de onderdelen van het DNA hechten, zijn het bekendste voorbeeld, maar er zijn ook stoffen die zich in de histonen wrikken: de eiwitblokken die het DNA steun en structuur geven. Ze kunnen als een soort volumeknop beschouwd worden, die bepaalt hoeveel eiwitproduct een gen zal afleveren. Dikwijls maken ze genen onbereikbaar voor de systemen waarmee hun informatie in eiwitten wordt overschreven.
Volgens studies in Cell Reports en Developmental Cell is er geen universele code, geen algemene regel voor de werking van epigenetische signalen. Het resultaat hangt af van de plaats waar ze terechtkomen en van het gen waarvan ze de werking moeten beïnvloeden. De chemische vlaggetjes zelf zouden onder meer getransporteerd worden door kleine stukjes van een variant van het DNA: RNA, dat onder meer het overschrijven van genen in eiwitten mogelijk maakt. De mens beschikt over ‘slechts’ 23.000 genen voor al zijn activiteiten, maar door het uit- en aanschakelen van genen in verschillende combinaties maken die een eindeloos grote hoeveelheid kenmerken mogelijk.
Het vakblad Cell beschrijft hoe de ontwikkeling van een embryo tot een volwassen individu – ook bij de mens – gestuurd wordt door epigenetica. Elke cel moet uitgroeien tot een specifieke weefselfunctie, en chemische vlaggetjes bepalen mee welke genen in welke cel tot expressie worden gebracht, en welke worden lamgelegd. Sleutelgenen die een coördinerende rol spelen in de ontwikkeling, worden dikwijls gestuurd door veranderingen in de histoneneiwitten, terwijl de methylgroepen de latere fasen van celontwikkeling bepalen. Het ene mechanisme is er voor het grovere werk, het andere voor de afwerking.
De vakbladen Proceedings of the National Academy of Sciences en Nature Materials stelden vorig jaar dat ingrijpen op het epigenetische systeem mogelijkheden biedt voor de ontwikkeling van nieuwe therapieën. Het zou mogelijk moeten zijn om er nieuw weefsel in een lichaam mee aan te laten maken, zoals al met hartweefsel bij muizen is aangetoond. Of om stamcellen op een elegante wijze te laten uitgroeien tot cellen die gebruikt kunnen worden om een sputterend orgaan bij te spijkeren. Maar dat is toekomstmuziek. Wetenschappers beginnen pas te begrijpen hoe epigenetica functioneert, dus het lijkt erg vroeg om in deze context al van efficiënte toepassingen te spreken.
Groot gen voor taal
Het is evident dat epigenetica een rol speelt in de menselijke evolutie. Het vakblad Epigenetics – dat in 2006 als een driemaandelijkse uitgave begon, maar sinds 2011 maandelijks verschijnt – publiceerde twee weken geleden informatie waaruit blijkt dat er een groot verschil is tussen mensen en chimpansees in het aantal methylgroepen op een gen uit de hersenen dat mee de ontwikkeling van taal stuurt. Het gen, een van de grootste in het menselijke genoom, draagt bij de mens op cruciale plaatsen veel minder methylgroepen dan bij de chimpansee. Niet uitsluitend genetische veranderingen maken de verschillen tussen mensen en andere apen, er zijn ook epigenetische aanpassingen die bepalen hoe sterk sommige genen al dan niet tot expressie worden gebracht. Wetenschappers zijn het echter lang niet eens over de invloed die epigenetica op ons reilen en zeilen heeft. Volgens sommigen is ze groot, volgens anderen niet meer dan gemorrel in de marge.
Nature Neuroscience heeft ondertussen wel de eerste gegevens gepubliceerd die aantonen dat epigenetica ook bij zoogdieren in staat is kenmerken die tijdens een leven verworven worden door te geven aan de volgende generaties. Muizen wier vader of zelfs grootvader geleerd had de zoete geur van kersenbloesem te associëren met een elektroshock, werden zelf angstig van de geur, hoewel ze nooit een shock hadden gekregen. Blijkbaar werd er iets aangepast aan de zaadcellen, zodat de nieuwe informatie aan de jeugd werd doorgegeven. Hoe de hersenen informatie doorspelen aan de zaadcellen is niet duidelijk, maar mogelijk zijn ook hier korte stukjes RNA in het spel, die zich via de bloedstroom door het lichaam bewegen. Het lijkt in ieder geval nuttig dat ouders hun kinderen op een of andere manier wapenen tegen nieuw onheil.
Epigenetische invloeden kunnen uiteraard ook negatieve effecten hebben – er is zelden eenrichtingsverkeer in biologische sturing. Nature beschreef in zijn eerste nummer van dit jaar het werk van de Canadese psycholoog Richard Tremblay, die al meer dan dertig jaar ‘chronische agressiviteit’ bij kinderen onderzoekt. Hij moet een van de eersten geweest zijn die het belang zag van epigenetische mechanismen in het sturen van ons gedrag. Het is volgens hem duidelijk dat gebeurtenissen uit het begin van het leven een invloed op gedrag en gezondheid kunnen hebben, en dus mee bepalen of iemand succesvol wordt dan wel in de criminaliteit verzeilt.
Het onderzoek rond agressiviteit is zo ver gevorderd dat het gedrag van de moeder als een sleutelfactor gezien wordt. Omdat het moeilijk is met mensen te experimenteren, worden apen ingeschakeld. Daaruit blijkt dat mannelijke apen die door hun moeder verwaarloosd werden een aangepast epigenetisch patroon in hun genoom hebben, waardoor ze kleinere hoeveelheden van de neurotransmitter serotonine produceren – hoe minder serotonine iemand heeft, hoe groter de kans op stress en agressie. Het bijstaan van moeders in onder meer marginale milieus, bijvoorbeeld door drugsgebruik en chronische stress te counteren, moet volgens deze – preliminaire – inzichten de kans op agressie van hun zonen verminderen. Het onderzoek suggereert ook dat het bekijken van epigenetische vlaggetjes op het DNA informatie kan geven over hoe iemands gedrag zal evolueren. Ingrijpen op de epigenetica om ons gedrag bij te sturen, lijkt een haalbare optie, hoewel het nog lang zal duren voor we zo ver zijn.
Als het aan sommige epigenetici ligt, zal er in de toekomst gesleuteld worden aan ons ‘epigenoom’: het geheel van chemische schakelaars die ingrijpen op onze genen. Volgens sommigen moet het zelfs mogelijk zijn het verouderingsproces te counteren.
Te veel honger
Epigenetica zorgt er ook voor dat een ongezonde levensstijl sporen nalaat. Het vakblad Human Molecular Genetics rapporteerde een goede maand geleden dat roken via epigenetische invloeden de activiteit van een aantal genen verandert. Hetzelfde geldt voor ongezonde voeding. Volgens The Journal of Clinical Investigation wordt de genetische sturing van het hongerhormoon ghreline, dat aanzet om te gaan eten, in de war gebracht door epigenetische veranderingen onder druk van een eiwit dat mee de energiebalans in een lichaam regelt. Als mensen ongezond eten, kunnen methylvlaggetjes op het gen dat het hongerhormoon produceert, verwijderd worden, waardoor men (nog) meer gaat eten en extreem zwaarlijvig (obees) wordt.
Epigenetica is ook belangrijk in het uitlokken van kanker. Volgens Epigenetics zou de kans op borstkanker mee beïnvloed worden door epigenetische factoren op het DNA. Wetenschappers stellen in Genome Biology dat borsten sneller verouderen dan de rest van een vrouwenlichaam, wat de kans op de ontwikkeling van borstkanker bevordert – borsten zouden twee tot drie jaar ouder zijn dan hun lichaam. Alleen kankerweefsel zou verhoudingsgewijs nóg ouder zijn – het zou tot 36 jaar ouder kunnen zijn dan de actuele leeftijd van de persoon in wie het woekert.
Volgens Public Library of Science Genetics zouden er bij darmkankercellen van muizen liefst 13.000 epigenetische veranderingen optreden in vergelijking met de gezonde toestand. Dat zou overeenstemmen met wat bij mensen wordt gevonden. Omdat met muizen gemakkelijker kan worden geëxperimenteerd dan met mensen, moet dit inzicht de kans op het vinden van een middel tegen darmkanker verhogen. Volgens Public Library of Science Medicine zijn er in meer dan 90 procent van de gevallen van baarmoederkanker significante veranderingen in het aantal methylgroepen op een cruciaal gen. Voorlopig is niet duidelijk of dat inzicht gebruikt kan worden om de aandoening te bestrijden.
Toch zijn er al successen geboekt met epigenetische genezing van kanker. Enkele middelen grijpen in op het aan het DNA hangen van methylgroepen, waardoor, bijvoorbeeld, door kanker lamgelegde genen weer tot activiteit worden bewogen. Voor bepaalde vormen van darmkanker en chronische leukemie zou dat al nuttig zijn. De meeste analisten zijn het er echter over eens dat het potentieel van epigenetische genezing momenteel nog niet correct kan worden ingeschat.
DOOR DIRK DRAULANS
Als mensen ongezond eten, kunnen methylvlaggetjes op het gen dat het hongerhormoon produceert, verwijderd worden. Dat kan obesitas helpen indijken.
Muizen wier vader of zelfs grootvader geleerd had de zoete geur van kersenbloesem te associëren met een elektroshock, werden zelf angstig van de geur, hoewel ze nooit een shock hadden gekregen.
Borstkanker zou mee beïnvloed worden door epigenetische factoren op het DNA. Borsten verouderen sneller dan de rest van een vrouwenlichaam.
