Een nieuw boek, The Developing Genome, beschrijft de fascinerende ontwikkelingen in het vakgebied van de epigenetica. Deze ontwikkelingen maken het nodig dat we onze kijk op de invloed van genen herzien.

De voorwetenschappelijke manier van denken over de natuur

Voor 1859 was er grofweg maar één manier om te denken over de natuur: alle soorten zijn een paar duizend jaar geleden gemaakt door ‘de’ schepper op zo’n manier dat ze goed zijn aangepast aan de omgeving waarin ze moeten leven. Maar vanaf ca. 1800 begonnen mensen serieuze alternatieven voor deze manier van denken over de natuur te ontwikkelen. Lamarck publiceerde in 1809 zijn hypothese van evolutie die een verklaring bood voor hoe organismes zo goed pasten in hun omgeving. Hij dacht dat onderdelen van het lichaam die veel gebruikt werden daardoor sterker en groter werden. En verder dacht hij dat eigenschappen die een organisme tijdens zijn leven verwierf doorgegeven werden aan het nageslacht.

Charles Darwin: de evolutietheorie

In 1859 publiceerde Charles Darwin zijn evolutietheorie na decennia van studie. Zijn ideeën waren zowel gebaseerd op eigen jarenlange observaties als geïnspireerd op ideeën uit andere wetenschapsgebieden zoals de geologie, paleontologie en economie. Darwin had geobserveerd dat individuen in een populatie verschillende erfelijke kenmerken hadden en ook dat ze in het algemeen meer nakomelingen produceerden dan konden overleven in hun omgeving. Hij bedacht dat individuen die goed aangepast waren aan hun omgeving in het algemeen meer nageslacht voortbrachten dan andere individuen. Dit mechanisme verklaarde hoe na verloop van tijd kenmerken die voordeel opleverden in een omgeving meer gingen voorkomen in die omgeving. Darwin noemde dit mechanisme afstamming met modificatie door natuurlijke selectie.

Voor de juistheid van Darwins theorie is inmiddels een overweldigende hoeveelheid verschillende soorten bewijs. Dit bewijs is niet alleen gebaseerd op de studie van het verleden (bijvoorbeeld via fossielen) maar ook op directe observatie in het hier en nu. Een voorbeeld hiervan is de ontwikkeling van drugsresistente bacteriën. Darwin bewees dat evolutie plaatsvindt maar hij had vrijwel geen idee hoe. Hij wist bijvoorbeeld niets van het bestaan van DNA.

De neo-Darwinistische synthese: combinatie van evolutietheorie en genetica

In de twintigste eeuw heeft er een kennisexplosie op dit gebied plaatsgevonden. Gebaseerd op het werk van Georg Mendel gingen wetenschappers op zoek naar erfelijke factoren. In de eerste helft van de twintigste eeuw kwam het idee van het gen als drager van erfelijke eigenschappen naar voren. Rond 1950 was bekend dat chromosomen vooral uit DNA bestonden en in 1953 ontdekten Watson & Crick de structuur van DNA: een dubbelgestrengde en gedraaide helix. Door de steeds verder toenemende kennis over genetica werd steeds concreter begrepen hoe evolutie plaatsvindt. Deze combinatie van evolutie-theorie en genetica wordt de neo-Darwinistische synthese genoemd. Dit is tot vandaag de dag de dominante manier van denken over evolutie.

Deze theorie stelde dat genen de enige basis voor evolutie zijn en dat het genetische materiaal niet verandert onder invloed van de omgeving en dat verworven eigenschappen daardoor niet kunnen worden doorgegeven aan het nageslacht (wat Lamarck dacht). Darwin sloot de ideeën van Lamarck niet helemaal uit, de neo-Darwinisitische synthese doet dat wel. Binnen dit paradigma wordt zeker wel erkend dat de omgeving ook een invloed heeft op hoe individuen zich ontwikkelen. Er wordt in dit verband gesproken van nature versus nurture (de invloed vanuit de genen versus de invloed vanuit opvoeding en omgeving). Via tweelingonderzoeken werd getracht om de relatieve inbreng van deze twee factoren te bepalen op allerlei kenmerken van individuen (zoals intelligentie).

Epigenetica

Al decennialang zijn er barstjes in het neo-Darwinistische paragidma en deze barstjes zijn steeds groter geworden. Ze zijn nu zo groot dat we er niet meer onderuit kunnen om te zeggen dat het paradigma herzien moet worden. Wat deze barstjes veroorzaakt is een paradigma dat epigenetica heet. Deze term werd bedacht door Conrad Waddington in de veertiger jaren. Hij realiseerde zich dat het voor onze ontwikkeling nodig is dat genen verschillend moeten kunnen reageren in verschillende contexten.

Dit idee was gebaseerd op het inzicht dat cellen van embryo’s pluripotent zijn: ze kunnen zich tot allerlei verschillende soorten cellen ontwikkelen die tezamen het lichaam vormen. In de jaren zestig was al iets bekend over hoe genen reageren op hun omgeving. Het was toen al bekend dat genen geactiveerd of gedeactiveerd konden worden door moleculen die op de genen waren geplaatst (vandaar de term epigenetica; ‘epi’ betekent ‘op’). Het vakgebied epigenetica gaat over hoe deze interactie tussen omgeving en genen precies plaatsvindt.

The Developing Genome

Het vakgebied is volop in ontwikkeling en er komt steeds meer kennis beschikbaar. Een nieuw boek van David S. Moore, The Developing Genome, An Introduction to Behavioral Epigenetics, geeft een fascinerend inzicht in deze kennis. De details van epigenetica bevinden zich in het zeer complexe vakgebied van de moleculaire biologie. Ik kan hier dus niet meer dan een minuscuul tipje van de sluier oplichten over wat er bekend is. Eenvoudig gezegd komen er onder invloed van omgevingsfactoren moleculen op onze chromosomen die epigenetische sporen achterlaten die een kritieke invloed hebben op hoe DNA functioneert en hoe wij ons ontwikkelen. De twee meest bekende epigenetische mechanismes zijn methylering en acetylering. Om deze te begrijpen volgt hier eerst een beknopte uitleg over DNA.

DNA bevindt zich in de chromosomen. Het bevat twee lange strengen die in een dubbele helix met elkaar vervlochten zijn. Genen zijn stukjes (segmenten) op het DNA die informatie bevatten op basis waarvan eiwitten worden geproduceerd die afhankelijk van hun precieze eigenschappen talloze functies in ons lichaam vervullen. DNA bevindt zich in de celkern maar eiwitten worden buiten de celkern gemaakt. Het molecuul RNA schrijft de hiervoor benodigde informatie op het DNA over (dit heet transcriptie) en vervoert het naar buiten de cel waar het eiwit wordt gemaakt. Chromosomen bestaan niet alleen uit DNA maar ook uit specifieke eiwitten die histonen heten. Het lange DNA molecuul is om deze histonen heen gewonden.

Methylering en acetylering

Het eerste hierboven genoemde epigenetische mechanisme, methylering, houdt in dat er een methylmolecuul aan het DNA molecuul wordt gehecht. Hierdoor wordt het lezen van de genetische informatie op deze plek, door RNA, belemmerd. Methylering deactiveert zo een gen. Het tweede hierboven genoemde epigenetische mechanisme, acetylering, houdt in dat er een acetylmolecuul wordt gehecht aan de histonen waardoor het DNA minder strak om de histonen gewonden raakt. Een strakke winding van DNA om de histonen maakte genen onleesbaar. Acetylering maakt ze juist weer leesbaar.

DNA methylering deactiveert dus genen, acetylering activeert ze. Hoewel niet onomkeerbaar is het effect van methylering zeer stabiel. Deactivering van bepaalde genen in de jeugd kan er toe leiden dat er langdurige (of permanente) effecten op de ontwikkeling zijn. Acetylering is minder stabiel. Het activeren en deactiveren van genen, kortweg genregulatie, is een proces dan levenslang doorgaat. Alle epigenetische sporen op het DNA tezamen noemt men het epigenoom. Het epigenoom beïnvloedt onze ontwikkeling vergaand en levenslang. Deze beïnvloeding betreft niet alleen subtiele en kleine kenmerken maar ook grote fysieke kenmerken.

Epigenetische kenmerken beïnvloeden niet alleen onze individuele ontwikkeling. Ook zijn er epigenetische effecten over generaties heen. Hoewel controversieel onder biologen, is er steeds meer bewijs voor zelfs het bestaan van directe overerving van bepaalde epigenetische kenmerken.

Wat kunnen we met epigenetica?

Vooralsnog is de groei van epigenetische kennis vooral wetenschappelijk belangrijk. Er zijn nu nog geen praktische aanbeveling te maken op basis van de kennis. Het lijkt verstandig om publicaties die dat wel pretenderen, te wantrouwen. Naarmate de kennis voortschrijdt, zullen praktische toepassingen echter ook verschijnen. We kunnen mogelijk het ontstaan van bepaalde ziekten beter begrijpen en komen tot nieuwe behandelmethoden die rechtstreeks ingrijpen op het epigenoom.

Even belangrijk lijkt me dat we onze kijk op onszelf kunnen en moeten veranderen. Genetisch determinisme, het idee dat onze genen een blauwdruk zijn voor onze eigenschappen, is te simpel. We zijn geen slaven van onze biologie. Al onze kenmerken, zowel lichamelijk als psychologisch, ontwikkelen zich als gevolg van de interactie tussen ons DNA en onze omgeving. Onze omgeving kan ‘onder onze huid’ komen te zitten in ons epigenoom. Wat we doen en in welke contexten we ons begeven, blijft voortdurend de manier waarop ons DNA functioneert beïnvloeden.