Eerste schatting van snelheid waarmee epigenetische mutaties ontstaan

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben als eersten een nauwkeurige schatting gemaakt van de snelheid waarmee in planten epigenetische aanpassingen (die de activiteit van genen kunnen beïnvloeden) verschijnen of verdwijnen. Dit is een belangrijke stap naar een beter begrip van het belang van deze epigenetische mutaties in de evolutie van planten. Het onderzoek wordt deze week gepubliceerd in de online Early Edition van het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.

Epigenetische aanpassingen veranderen de volgorde van de DNA code niet, maar kunnen wel de activiteit van genen beïnvloeden. In dieren en dus ook mensen worden deze aanpassingen waarschijnlijk grotendeels gewist in de geslachtscellen, maar bij planten kunnen ze generaties lang stabiel overerven. Dit is eerder aangetoond door de onderzoeksgroep van Frank Johannes, adjunct hoogleraar bioinformatica aan de RUG en een van de hoofdauteurs van het nieuwe artikel.

Mutatiesnelheid

Het is nog niet duidelijk hoe belangrijk epigenetische aanpassingen zijn voor de evolutie van planten. Een manier om daar achter te komen is te zoeken naar signalen die er op wijzen dat natuurlijke selectie invloed heeft op deze aanpassingen. En daartoe is het nodig te weten hoe snel die aanpassingen gedurende vele generaties spontaan verschijnen en verdwijnen, de epigenetische mutatiesnelheid.

32 opeenvolgende generaties

In samenwerking met het RUG/UMCG-onderzoeksinstituut voor veroudering Eriba en de University of Georgia (VS) heeft de groep van Johannes daarom materiaal onderzocht van een ingeteelde lijn van de plant Arabidopsis thaliana, een veel gebruikt model in de genetica van planten. Zij onderzochten monsters van 32 opeenvolgende generaties van deze plant, waarbij iedere keer de aanwezigheid in het DNA is onderzocht van één specifieke epigenetische aanpassing: de methylatie van cytosine nucleotiden.

Dynamiek mutaties

‘We kozen hiervoor, omdat we weten dat cytosinemethylaties doorgaans erfelijk zijn en de genexpressie beïnvloeden’, legt Johannes uit. Nadat de analyse in alle 32 generaties was uitgevoerd, werd via wiskundige modellering de epigenetische mutatiesnelheid bepaald. ‘Wat daar kortgezegd uitkomt, is dat een epigenetische mutatie 100.000 keer vaker voorkomt dan een mutatie in het DNA. Daarnaast zagen we dat niet alle cytosines gelijk waren: op sommige plekken in het DNA is de kans dat bestaande methylatie verdwijnt groter dan de kans dat een nieuwe methylatie verschijnt, maar andere cytosines hebben juist de omgekeerde ‘voorkeur’. Veel van wat we zien klopt met wat we al dachten, maar we hebben nu voor het eerst nauwkeurige kwantitatieve gegevens over de dynamiek van epigenetische mutaties in het complete genoom van de plant.’

Vaste grond

Een eerste analyse laat zien dat bijna alle epigenetische mutaties neutraal zijn, ze hebben geen invloed op de werking van genen. Johannes: ‘Dat is niet onverwacht, ook verreweg de meeste mutaties in de DNA-volgorde zijn neutraal. Maar met behulp van de gemeten mutatiesnelheid is het nu mogelijk om in planten te onderzoeken of natuurlijke selectie invloed heeft op epigenetische aanpassingen binnen een tijdsschaal die relevant is voor evolutie. Dit helpt het debat over het belang van epigenetica voor de evolutie van planten vooruit, omdat we meer vaste grond onder de voeten hebben.’

Bachelorstudent

Johannes wil nog een opvallend aspect van het onderzoek benadrukken: de eerste auteur, Adriaan van der Graaf, werkte er aan mee als bachelorstudent. ‘Hij kwam bij mij voor een bacheloronderzoek en viel op door zijn grote nieuwsgierigheid en het initiatief dat hij toonde. Uiteindelijk heeft hij het grootste deel van de bioinformatica-analyses gedaan die nodig waren om de epigenetische mutatiesnelheid te bepalen.’ Van der Graaf kreeg na zijn afstuderen een tijdelijke aanstelling als onderzoeksassistent om zijn werk af te ronden. Hij volgt inmiddels een masteropleiding aan de RUG, met daarin veel bioinformatica.

Kwekers

De groep van Johannes blijft werken aan de epigenetische mutaties. Dit levert allereerst fundamentele kennis op over de evolutie van planten, bijvoorbeeld de manier waarop het ‘mehtyloom’ evolueert in relatie tot de variaties in de DNA-volgorde. Maar het onderzoek kan ook van belang zijn voor kwekers. Johannes: ‘Epigenetische mutaties kunnen stabiel worden doorgegeven gedurende een flink aantal generaties. Dus zou dit een interessante techniek kunnen zijn voor plantenveredeling in de landbouw. Maar op het moment weten we nog niet hoe we het best stabiele epigenetische veranderingen kunnen aanbrengen.’

Meer informatie

Contact: dr. Frank Johannes , tel. 0 50-363 4765 (Duits, Engels)

Referentie: Van der Graaf A, Wardenaar R, Neumann DA, Taudt A, Shaw RG, Jansen RC, Schmitz RJ, Colomé-Tatché M, Johannes F. Rate, spectrum, and evolutionary dynamics of spontaneous epimutations. doi/10.1073/pnas.1424254112