Center for Epigenetik – når den genetiske kode ikke giver (hele) svaret

Publiceret April 2012

Efter kortlægningen af menneskets genom i 2001, havde forskere og læger håb om at kunne diagnosticere og behandle sygdomme hurtigere og mere effektivt. Men så enkelt skulle det ikke være. Det ser nemlig ud til at mange sygdomme ikke kun opstår som følge af ændringer i den genetiske kode, men at ydre påvirkninger ofte skaber ændringer på et andet plan i vores celler, som på trods af at det ikke involverer DNA-koden, alligevel kan nedarves. Men hvad er det så for ændringer og hvordan kan en sygdom overhovedet nedarves, hvis den ikke skyldes forandringer i vores DNA?

2012-2 Center for Epigenetik - Møde

FIGUR 1: Forskere fra centret mødes jævnligt om de projekter de arbejder med og om de seneste publikationer; enten gruppevis eller hele centret samlet.

Ordet epigenesis kan spores langt tilbage i historien og var i blandt andet 1600- og 1700-tallet forbundet med den da fremherskende præformationsteori. I følge teorien indeholdt kønscellerne forstadiet til et allerede dannet individ i miniature, hvorved udvikling alene blev et spørgsmål om vækst ud fra en forud fastlagt (præformeret) form. I 1942 introducerede biologen C. H. Waddington en mere moderne forståelse af ordet epigenetik, som genernes evne til at frembringe et fænotypisk udtryk igennem interaktion med omgivelserne i cellen. I dag, mere end et halvt århundrede senere, bruges begrebet epigenetik oftest om funktionelle forandringer af genomet uden at det involverer forandringer i selve DNA-sekvensen.

Epigenetikken beskæftiger sig således med ændringer, som kan overføres fra en celle-generation til en anden og måske endda nedarves fra en generation til den næste, men uden at være direkte involverer forandringer i selve vores genetiske kode. Vores genetiske kode, som er bestemt af rækkefølgen af basepar i vores DNA, er ens i alle kroppens celler. Hver gang en celle deler sig, helt fra den første stamcelle, dannes en identisk kopi af vores DNA som gives videre til de to nye celler. Indenfor de sidste 10 år er det blevet tydeligt, at vores celler må indeholde anden arvelig information end den genetiske kode. Med den erkendelse har den epigenetiske forskning stormet frem i den internationale forskningsverden, og resultaterne har på flere punkter vendt op og ned på vores forståelse af helt grundlæggende forhold omkring organismers udvikling og sygdommes opståen. Med etableringen af Center for Epigenetik i 2007 fik også dansk forskning styrket muligheden for at være med i forreste række.

Centret

Centret holder til på forskningscentret BRIC ved Københavns Universitet og ledes af professor og direktør for BRIC Kristian Helin. Centret har medlemmer fra fem forskningsgrupper; fire ved BRIC og en ved Institut for Biokemi og Molekylærbiologi på Syddansk Universitet. For at udnytte centerets kompetencer og infrastruktur optimalt, går centres overordnede forskningsstrategi og de konkrete forskningsprojekter på tværs af de deltagende gruppers forskningsområder og ekspertiser. Der er således tale om et videnskabeligt, teknologisk og finansielt samarbejde, som bringer ca. 50 forskere, først og fremmest postdoc og ph.d.-studerende, sammen i bestræbelserne på at besvare en række af de store spørgsmål inden for epigenetikken.

Epigenetikkens store spørgsmål

Et af de helt store videnskabelige spørgsmål er, hvordan den første stamcelle, som jo opstår når æg og sædcelle smelter sammen, kan give ophav til de mere end 200 forskellige celletyper vores krop består af. Hvordan ved cellerne, som alle har den samme genetiske kode, hvad de skal blive til, og hvordan opretholdes cellernes specialiserede funktioner livet gennem? Hvordan lagres denne hukommelse i cellerne? Kan man bruge denne viden til at re-programmere celler og reparere vævsskader? Er denne ”epigenetiske” hukommelse involveret, når celler glemmer hvad de er og i stedet udvikler sig til kræftceller?

Epigenetiske mekanismer styrer genaktiviteten

Dannelsen af specialiserede celletyper fra den første stamcelle, en proces kaldet differentiering, er et omdrejningspunkt i epigenetikken. Epigenetiske mekanismer er nemlig ansvarlige for, populært sagt, at ’slukke’ og ’tænde’ for udvalgte gener, så kun de rette gener er tændt i en given celletype. Hvis der sker fejl i de epigenetiske mekanismer, kan en celle ikke bevare sin identitet og funktion. Når kræft opstår, mener man at en af årsagerne er, at nogle celler fejlagtigt de-differentierer og modtager signaler om, at de besidder stamcelleegenskaber – og det får cellerne til at dele sig ukontrolleret. En af de funktioner stamceller har, er netop at forny vores vævs celler ved at dele sig, men ukontrolleret vækst giver ophav til kræft.

I cellernes kerne ligger vores DNA sirligt viklet op omkring nogle proteiner kaldet histoner. Sammen udgør DNA og histoner en struktur kaldet kromatin og netop denne struktur er afgørende for vores geners aktivitet. Hvis strukturen er tæt, kan det maskineri som aflæser og kopierer DNA koden, ikke komme til og generne i området vil være slukket, mens generne i et område med en løs kromatinstruktur vil være tændte. Forskellige epigenetiske mekanismer kan regulere kromatinets struktur og dermed vores geners aktivitet, og netop dette forskningsområde er omdrejningspunktet for Center for Epigenetik.

2012-2 Stamceller

FIGUR 2: På billedet ses en koloni af humane stamceller fra et embryo. Disse celler, som stammer fra de tidligste udviklingsstadier, kan differentiere til hvilken som helst af de 220 typer af celler, som tilsammen udgør den menneskelige krop. Det gør stamcellerne yderst anvendelige inden for grundforskning, ligesom det åbner op for udvikling af nye behandlingsformer.

Nogle af de epigenetiske mekanismer, som regulerer kromatinets struktur, er mekanismer som kan ændre på små ”kovalente modifikationer” på histonerne. Modifikationerne består af kemiske grupper, eksempelvis metylgrupper. Modifikationerne kan bidrage til at forskellige proteiner og proteinkomplekser binder til kromatinet, hvilket påvirker tilgængeligheden til det underliggende DNA og dermed regulerer aktiviteten af udvalgte gener. Forskere fra Center for Epigenetik har blandt andet identificeret og karakteriseret flere enzymer, som spiller en afgørende rolle for reguleringen af vores geners aktivitet ved at fjerne udvalgte histon-modifikationer (Cloos et al, 2006; Bracken et al, 2006; Christensen et al, 2007; Agger et al, 2007; Kleine-Kohlbrecher et al, 2010). Når modifikationerne fjernes, har det betydning for hvor tilgængelig DNA’et er. I nogle tilfælde giver det en mere åben struktur; i andre en mere lukket struktur. Modifikationerne har derved betydning for om generne bliver aflæst eller ej.

Mål for forskningen

Centerets ser på epigenetiske problemstillinger på flere planer; helt fra de molekylære mekanismer, til det cellulære plan, samt hvilken rolle epigenetik spiller på organisme niveau. Forståelsen på de forskellige planer går nemlig hånd i hånd, således at viden om en molekylær mekanisme kan bidrage til svaret på, hvorfor celler opfører sig som de gør. Tilsvarende kan et sygdomsbillede nogle gange kan bruges som modelsystem til at forstå basale molekylære mekanismer og cellulære processer. De overordnede forskningsmål for centeret er:

  1. At identificere nye modifikationer af histonerne og deres sammenspil med andre modifikationer. Med andre ord, at bidrage til definition af det der kaldes ”histonkoden”.
  2. At identificere de enzymer, der katalyserer påsætningen og fjernelsen af histonmodifikationer, samt at identificere de proteiner, der afkoder histonmodifikationerne.
  3. At identificere de udefrakommende signaleringsveje, der regulerer histonmodifikationerne.
  4. At forstå den biologiske betydning af histonmodifikationerne, samt de identificerede enzymer og proteiner, der influerer på reguleringen af disse.
  5. At give indsigt i hvordan den epigenetiske regulerings normale funktion bliver ændret ved forskellige sygdomme, især kræft.

Ud over at bidrage med nye og banebrydende forskningsresultater, er det også centrets mål at skabe et i international sammenhæng fremtrædende forskningscenter, at profilere centret og dets forskning gennem deltagelse på konferencer og seminarer samt at styrke uddannelsen af yngre forskere på nationalt plan. Således er centrets forskere involveret i blandt kurser for ph.d.-studerende – kurser som i vid udstrækning tager afsæt i den aktuelle forskning ved centret. Ligeledes har forskerne medvirket til at arrangere større konferencer som eksempelvis Epigenetics and Stem Cell Conference, der blev afholdt ved BRIC i 2010 og havde epigenetik, stamceller og kræft som hovedtemaer. Med deltagelse af 250 forskere fra hele verden, heraf flere af de mest fremtrædende, er konferencer som denne med til at markere centret internationalt som nationalt, ligesom den for især centrets yngre forskere og ph.d.-studerende øger bevidstheden om, hvad det indebærer at forfølge en karriere i forskningsverdenen.

2012-2 Kombinationer af histon modifikationer

FIGUR 3: Når bestemte kombinationer af histon-modifikationer, fx methylgrupper, sidder på histonerne, bliver kromatinstrukturen så tæt, at DNA-koden ikke kan aflæses. Men visse proteiner/proteinkomplekser kan fjerne modifikationerne, hvorved strukturen løsnes. Generne er nu tilgængelige for aflæsning, og produktionen af proteiner aktiveres.

Væsentlige resultater og perspektiver

Forskerne ved centeret har i den første femårige periode af centerets levetid, bidraget med afgørende resultater inden for området. En af de helt store erkendelser er, at de epigenetiske mekanismer er langt mere reversible end først antaget. Vores celler har nemlig vist sig at indeholde mekanismer, som kan regulere tilstedeværelsen af histon-modifikationer og de proteiner og proteinkomplekser, som kan binde sig til modifikationerne, alt efter tid, sted og ydre påvirkninger. Før antog man, at modifikationerne var rimelig stabile når de først sad på histonerne, men forskere fra Center for Epigenetik har med identifikationen af særlige enzymer som kan fjerne modifikationer af histonerne, vist at den epigenetiske regulering er reversibel (Cloos et al, 2006; Christensen et al, 2007; Agger et al, 2007; Kleine-Kohlbrecher et al, 2010). Denne påvisning af reversibilitet indikerer, at epigenetiske mekanismer, i forhold til genetiske mekanismer, er en fleksibel måde at regulere vores gener på. Yderligere resultater fra centerets forskere understøtter denne opdagelse, ved at vise at epigenetiske mekanismer justerer processer og funktioner i vores celler, som følge af ydre påvirkning som cellulære stress-faktorer (Gehani et al, 2010).

Centerets forskere har også bidraget med afgørende viden om, hvordan fejl i de epigenetiske mekanismer er involveret i kræft (Cloos et al, 2006; Bracken et al, 2006; Agger et al, 2007; Brackent et al, 2007; Agger et al, 2009; Pasini et al, 2010; Williams et al, 2011; Fog et al, 2012), og neurologiske sygdomme (Kleine-Kohlbrecher et al, 2010). Netop i forbindelse med sygdom giver det stort håb for sygdomsbehandling, at de epigenetiske mekanismer er reversible og fleksible. Ved kræft er de såkaldte onko-gener, som stimulerer cellerne til at dele sig, ofte over-aktive. Hvis man eksempelvis kan rette terapi mod de enzymer, som regulerer mængden af histon-modifikationer, kan man muligvis slukke for/dæmpe onko-generne og dermed hindre kræftcellernes delinger. Det er netop hvad spin-off virksomheden EpiTherapeutics, etableret af forskere fra BRIC og Center for Epigenetik, beskæftiger sig med. Et andet potentiale for epigenetikken er om-programmering af specialiserede celler, særlig ved skader på nervesystemet, kan få cellerne til at opføre sig som stamceller og dermed give ophav til nye nerveceller.

At man til stadighed betræder ny grund inden for epigenetiske forskning, stiller store krav til de metoder og den teknologi, som anvendes. Eksempelvis har bestræbelserne på at kortlægge histon-modifikationer og de mønstre de optræder i, nødvendiggjort udvikling af avancerede massespektrometriske analyser tilpasset det konkret spørgsmål. Ligeledes har udvikling af systematiske, kvantitative proteinanalyser (proteomics) i stor skala åbnet op for, at centrets forskere kan øge deres indsigt i spørgsmål så som hvordan cellerne indbyrdes signalerer; hvilken rolle histonerne spiller under celledeling, samt undersøge de proteiner, som genkender og binder sig til bestemte histon-modifikationer (Sidoli et al, 2012; Rosenquist et al, 2011).

2012-2 C. Elegans

FIGUR 4: At den enkelte celles placering og afgrænsning tydeligt kan iagttages hos C. elegans, gør den yderst velegnet til studier af såvel normal udvikling som af hvad der sker, når udviklingen forløber anormalt.

Også de biologiske modeller som forskerne arbejder med, må tilpasses formålet. Det gælder eksempelvis fremstilling af celler med helt specifikke egenskaber ved hjælp af ’genomisk editing’, hvor man systematisk erstatter en DNA-kode med en anden. Her har en af centrets grupper været med til at til at udvikle en ny og særdeles effektiv metode, hvor man punktvis muterer udvalgte DNA-koder i det menneskelige genom (Chen F et al, 2011).

Fremtid

Netop dette forår går Center for Epigenetik ind i sin anden 5-årige runde. Flere af de oprindelige projekter vil blive videreført, så som kortlægningen af histon-modifikationerne og ’afdækningen’ af histon-koden og dens biologiske betydning. Men også nye mål for forskningen er blevet sat. Det sker samtidig med, at to nye forskningsgrupper træder ind, mens to andre forlader centret. Med de to nye gruppers indtræden styrkes centrets ambitioner på især to områder:

Dels på et fundamentalt spørgsmål; nemlig hvordan den epigenetiske ’hukommelse’ bevares igennem celledeling efter celledeling og fra generation til generation. Hvordan koordineres denne komplekse proces i tid og rum og med kopieringen af DNA-koden uden, at der opstår uønskede forandringer i kromatinet og i placeringen af histon-modifikationerne? Her arbejder en af centrets grupper på en ny banebrydende metode, som gør det muligt at følge histon-modifikationerne over tid og igennem celledeling. Det er forventningen, at metoden kan kaste lys over den epigenetiske ’hukommelse’ og ikke mindst over betydningen for både normale organismers udvikling og for udvikling af eksempelvis kræft.

Dels ved i højere grad at inddrage rundormen C. elegans som en modelorganisme i centrets bestræbelser på at kaste lys over de epigenetiske regulatorers biologiske funktion. Det fordelagtige ved organismen er, at dens udvikling og celledifferentiering er yderst velbeskrevet. Det muliggør undersøgelser af, hvordan epigenetiske enzymer regulerer de mekanismer, som tilsammen bestemmer den enkelte celles identitet/type, men også hvordan denne identitet bevares – eksempelvis at en hudcelle forbliver en hudcelle.

Epigenetikken er altså et felt der videnskabeligt kan besvare nogle af de store forunderlige spørgsmål inden for biologien, blandt andet hvordan en kompleks organisme kan dannes fra en enkelt celle og hvordan ydre påvirkninger lagres i vores cellers hukommelse og potentielt nedarves. Samtidig er epigenetikken et felt, der forventes at kunne give afsæt for nye behandlingsformer af de store folkesygdomme, som for eksempel kræft. Med bevillingen fra Danmarks Grundforskningsfond har det danske, epigenetiske forskningsmiljø fået en økonomisk indsprøjtning, som har bidraget væsentligt til at flytte den videnskabelige overligger til et internationalt niveau.

Det afspejles først og fremmest i en række af væsentlige videnskabelige artikler, publiceret i anerkendte tidsskrifter så som Nature, Genes & Development, Nature Cell Biology og Molecular Cell. Yderligere involveres centerets forskere i stigende grad i internationale forskningssamarbejder inden for epigenetik og kan være med i konkurrencen om de internationale forskningsbevillinger. I 2011 indgik forskere fra centeret således som partnere i tre EU-projekter med epigenetik som omdrejningspunkt: Blueprint, 4DCellFate og Ingenium. Dertil kom et ERC ’advanced grant’ i 2011 og ERC ’starting grant’ i 2010. 

Mere om centrets forskning samt liste over publikationer udgået fra centret siden 2007 kan findes på centrets hjemmeside www.epigenetics.dk