ENCODE-project: Encyclopedie DNA-elementen en regulatie van menselijk genoom

ENCODE-project onthult functies van het menselijk genoom: 80% biochemisch actief; promotors, enhancers en schakelaars verklaren genregulatie en ontkrachten de 'junk DNA'-mythe.

ENCODE is de Encyclopedie van DNA-elementen. ENCODE werd gelanceerd in 2003 met als doel alle functionele elementen (de werkende onderdelen) in het menselijk genoom te identificeren. Het werk werd uitgevoerd door meer dan 400 onderzoekers in 32 laboratoria in de VS, het Verenigd Koninkrijk, Spanje, Singapore en Japan. De belangrijkste resultaten zijn gepubliceerd in 30 open access artikelen in de tijdschriften Nature, Genome Biology en Genome Research. Samen vormen deze publicaties de meest uitgebreide biochemische en functionele annotatie van het menselijk genoom tot nu toe.

Wat vond ENCODE?

Een vereenvoudigde weergave van de belangrijkste bevindingen volgens ENCODE is als volgt:

1. Slechts ongeveer 1% van het genoom codeert voor eiwitten. Dat zijn naar schatting rond de 20.000–21.000 eiwit-coderende genen. Deze genen bevatten de instructies voor het maken van eiwitten, maar vormen slechts een klein deel van het totale DNA.
2. Ongeveer 70.000 sequenties werden geïdentificeerd als promotorachtige regio's. Deze liggen meestal stroomopwaarts van genen en vormen plaatsen waar eiwitten zich binden om de genexpressie te starten of te reguleren.
3. Er zijn naar schatting ~400.000 enhancer-regio's gevonden. Enhancers kunnen op afstand werken en de expressie van genen op grote afstand beïnvloeden.
4. Er werden miljoenen regulatorische signalen en bindingsplaatsen waargenomen — in het oorspronkelijke overzicht wordt gesproken van ongeveer vier miljoen ‘gen-schakelaars’. Dit verwijst naar vele individuele DNA-sequenties (zoals bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren) die bepalen wanneer en waar genen aan- of uitgezet worden, vaak op grote afstand van het doelgen.
5. Volgens ENCODE vertoont ongeveer 80% van het genoom enige biochemische activiteit en kan daarom een duidelijke biochemische functie hebben. Dit leidde tot de stelling dat het idee dat het grootste deel van het DNA 'junk DNA' is, onjuist is. In de oorspronkelijke tekst stond:

   "Het overgrote deel van het menselijk genoom codeert niet voor eiwitten en leek tot nu toe geen gedefinieerde genregulerende elementen te bevatten. Waarom de evolutie grote hoeveelheden 'nutteloos' DNA in stand zou houden, was een mysterie gebleven en leek een verspilling. Het blijkt echter dat er goede redenen zijn om dit DNA te behouden. De resultaten van het ENCODE project laten zien dat de meeste van deze stukken DNA havenregio's die eiwitten en RNA-moleculen binden, deze in posities brengen van waaruit ze met elkaar samenwerken om de functie en het expressieniveau van de eiwit-coderende genen te reguleren".

6. ENCODE toonde aan dat evolutionaire veranderingen zowel veroorzaakt kunnen worden door mutaties in eiwit-coderende sequenties als door veranderingen in DNA-sequenties die de regulatie (timing, niveau en plaats van expressie) van genen beïnvloeden.

Methoden en experimenten

Het ENCODE-consortium gebruikte een breed pakket aan genoomtechnieken om verschillende typen functionele activiteit te detecteren. Enkele belangrijke methoden en resultaten:

1. Ze isoleerden en sequentieerden RNA om te bepalen welke delen van het genoom werden getranscribeerd en in welke cellen (RNA-seq en verwante technieken zoals CAGE/RAMPAGE voor transcriptie-startplaatsen).
2. Ze identificeerden bindingsplaatsen voor ongeveer 120 transcriptiefactoren en andere DNA-bindende eiwitten (meestal met ChIP-seq-experimenten), waardoor directe regelmatige netwerken zichtbaar werden.
3. Ze onderzochten patronen van chemische modificatie van histonen (histon-modificaties) en chromatine-accessibility (bijv. DNase-seq en ATAC-seq). Deze markeringen helpen regio's te onderscheiden waar genexpressie gestimuleerd of onderdrukt wordt.
4. In totaal werden 1648 experimenten uitgevoerd op 147 verschillende celtypes. Het grote aantal experimenten maakte comparatieve analyses over weefsels en condities mogelijk, en leverde een rijke dataset op voor verdere studies.

Discussie en kritiek

De conclusie van ENCODE dat ~80% van het genoom biochemische activiteit toont en dus 'functioneel' zou zijn, leidde tot brede discussie. Belangrijke punten in die discussie:

• Definitie van 'functie': ENCODE gebruikte biochemische activiteit (zoals transcriberen of eiwitbinding) als indicator van functie. Sommige critici stelden dat biologische functie strenger moet worden gedefinieerd (bijvoorbeeld door evolutionaire bewaring of aantoonbare effect op organismale fitheid), en dat niet alle biochemische activiteiten noodzakelijkerwijs geselecteerde of nuttige functies vertegenwoordigen.
• Overinterpretatie risico: relatief veel korte of toevallige bindingsgebeurtenissen kunnen zichtbaar zijn met gevoelige technieken, maar dat betekent niet per se dat elk signaal een duidelijke, fysiologische rol heeft.
• Reactie van ENCODE: onderzoekers erkenden de complexiteit van de term 'functie' en benadrukten dat hun datasets vooral laten zien waar signalen zitten die verdere functionele testen rechtvaardigen. De ENCODE-data werden en worden nog steeds veel gebruikt om hypothesen te genereren en niet-coderende varianten te interpreteren.

Belang en toepassingen

De ENCODE-datasets hebben grote impact op basis- en toegepaste biologie:

• Interpretatie van ziektevarianten: veel door GWAS geïdentificeerde varianten vallen in niet-coderende regio's. ENCODE helpt deze varianten te koppelen aan mogelijke regulatoire functies en doelgenen.
• Inzicht in genregulatie: het project leverde systematisch kaarten van promotoren, enhancers, transcriptie-startplaatsen en bindingsplaatsen, wat ons begrip van complexe regulatoire netwerken vergroot.
• Bron voor vervolgonderzoek: de open toegang tot data maakt het mogelijk voor onderzoekers wereldwijd om nieuwe analyses uit te voeren, hypotheses te testen en biomarkers of therapeutische targets te identificeren.

Toegang tot data en vervolg

Alle ENCODE-data zijn open toegankelijk en worden continu aangevuld en geanalyseerd. Sinds de oorspronkelijke publicaties zijn er meerdere vervolgstudies, uitbreidingen naar meer celtypen en soorten (bijv. muis-ENCODE) en technische verbeteringen in methoden en analyse-algoritmen. Onderzoekers kunnen de ENCODE-data gebruiken als referentiekaart bij studies naar genregulatie, evolutie en menselijke ziekten.

"Een van de grote uitdagingen in de evolutiebiologie is te begrijpen hoe verschillen in DNA-sequentie tussen soorten de verschillen in hun fenotypen bepalen. Evolutionaire verandering kan plaatsvinden zowel door veranderingen in de eiwit-coderende sequenties als door sequentieveranderingen die de genregulatie veranderen".

Nieuwsberichten in verband met dit werk zijn:

Vragen en antwoorden

V: Wat is ENCODE?

V: Wie heeft het werk voor ENCODE uitgevoerd?

V: Wat hebben zij ontdekt over het menselijk genoom?

V: Hoe hebben zij hun onderzoek uitgevoerd?

V: Wat suggereert dit onderzoek over evolutie?

V: Waar zijn hun bevindingen gepubliceerd?

Zoek op letter