Ik werd wetenschapschrijver, rond 1980, omdat ik niet dacht dat vliegen met poten die uit hun hoofd groeien – mijn promotie-onderzoek – veel te maken had met menselijke gezondheid of biologie. Dus toen ik de woorden “A Human Homeotic Transformation” zag staan, helemaal onderaan de inhoudsopgave van het meinummer van het American Journal of Human Genetics, was ik net zo geboeid als een normaal mens een exemplaar van People zou krijgen met een beroemdheid op de cover.
Over homeotische mutaties en de X-Files
Een homeotische mutatie haalt lichaamsdelen door elkaar, zodat een vlieg een poot aan zijn kop krijgt, antennes aan zijn mond, of een dubbel stel vleugels. De toewijzing van lichaamsdelen begint in het vroege embryo, wanneer cellen op elkaar lijken maar al voorbestemd zijn, dankzij gradiënten van “morfogene” proteïnen die een bepaald gebied programmeren om bepaalde structuren te ontwikkelen. Als je de boodschappen door elkaar haalt, wordt een poot een antenne – of, zoals in het AJHG-artikel, ontwikkelt een kind twee bovenkaken, in plaats van een boven- en een onderkaak.
Ik kende de homeotische mutanten van Drosophila melanogaster ooit van nabij, omdat ik hun genen archaïsch in kaart bracht. Kort nadat ik Thom Kaufman’s lab aan de Indiana University had verlaten (waar ik naast mijn proefschrift ook een roman over fruitvliegromantiek schreef), waren post-doc Matt Scott en mede-afstudeerder Amy Weiner zich aan het oriënteren op de homeobox, een 180-base-sequentie die codeert voor een eiwitdeel dat andere eiwitten bindt die sets van andere genen aanzetten – een embryo in elkaar knutselen, sectie voor sectie.
oos later doken homeoboxen op in allerlei genomen, die de positie van bloemblaadjes, poten en larvale segmenten beïnvloeden, waarbij de genen op mysterieuze wijze op hun chromosomen waren gerangschikt in de precieze volgorde waarin ze in de ontwikkeling worden ingezet. Homeotische mutanten hebben zelfs de hoofdrol gespeeld in een aflevering van The X-Files.
Homeotische mutaties veroorzaken een paar menselijke ziekten. Bij lymfomen gaan de witte bloedcellen de verkeerde kant op, en bij het DiGeorge-syndroom komen de ontbrekende thymus en parathyroïden en abnormale oren, neus, mond en keel overeen met de afwijkingen bij Antennapedia, de benen-op-het-hoofd-vlieg op de foto. Extra en vergroeide vingers en diverse botveranderingen zijn ook het gevolg van homeotische mutaties.
Echter, geen enkele menselijke homeoot leek me zo fascinerend als een vlieg met dubbele vleugels — totdat ik foto’s zag van de kleine gezichtjes van de kinderen met boven-onderkaak.
Twee bovenkaken
De ontdekking van de homeotische mutaties die een onderkaak (onderkaak) in een bovenkaak (bovenkaak) veranderen, begon bij een scherpzinnige kinderarts. Michael L. Cunningham, MD, PhD, directeur van Seattle Children’s Craniofacial Center die ook een opleiding in anatomie en embryologie heeft genoten, onderzocht de kaak van een klein meisje met wat bekend zou worden als het auriculocondylar syndroom of ACS.
De aandoening, oorspronkelijk beschreven in 1978 en ook wel “Question Mark Ears” syndroom genoemd, kan de oren verdraaien in de vorm van genoemde leestekens, en verstoort de ontwikkeling van het temporomandibulaire gewricht en de onderkaak. Het hoofd en de mond zijn zo klein dat kinderen operaties moeten ondergaan om normaal te kunnen ademen en eten. ACS is een zeldzame ziekte: minder dan 1 op de 50.000 pasgeborenen heeft het.
Dr. Cunningham merkte bij het onderzoek van het meisje in 1998 op dat het onderkaakbeen ongewone benige gebieden vertoonde die met haar jukbeenderen versmolten. “Toen we zagen dat haar onderkaak dat deed, kregen we het idee dat haar onderkaak hetzelfde patroon had als haar bovenkaak. En het feit dat haar moeder ook getroffen was, deed me denken dat we een nieuwe aandoening hadden gevonden,” zei hij.
Tijdens de jaren dat Dr. Cunningham’s team het kleine meisje verzorgde, merkte hij vlezig weefsel op dat zich in haar mond vormde aan beide zijden van haar onderkaak en dat leek op helften van een gedupliceerd zacht gehemelte met een huig aan elke kant – en dat was precies wat ze waren, alleen op de verkeerde plaats. “Het was duidelijk dat haar onderkaak een patroon had als een maxilla en zygoma (jukbeen),” herinnerde hij zich.
Whole Exome Sequencing
De zoektocht naar een oorzakelijke mutatie begon, zoals zo’n zoektocht vaak doet, met een diermodel – de Dlx5/Dlx6 muis. Mutaties in dit Hox-gen veroorzaken een kleine, misvormde kaak bij muizen, een “gespleten hand/voet misvorming” bij mensen, en poten en antennes die tevoorschijn komen waar ze niet horen, of ontbreken waar ze wel horen, bij vliegen.
Maar toen Cunningham’s groep en medewerkers Dlx5/Dlx6 en een stroomafwaarts gelegen gen, endotheline genaamd, sequentieerden bij de patiënt en bij enkele anderen, bleken de genen geen mutaties te bevatten. Iets anders was de oorzaak van de vreemd gedupliceerde/deficiënte kaak van ACS.
De volgende stap: whole exome sequencing, dankzij samenwerking met Mark J. Rieder, PhD, van de afdeling genoomwetenschappen van de Universiteit van Washington en medewerkers uit Frankrijk, Australië, San Francisco en Tucson. Zij vergeleken de eiwit-coderende delen van de genomen in kind-ouder trio’s van vijf families, en raadpleegden een paar extra stambomen die andere onderzoekers verstrekten.
De resultaten waren opmerkelijk, in een paar opzichten.
Ten eerste ontdekten de onderzoekers “twee verschillende genetische oorzaken van één enkel menselijk malformatiesyndroom…in dezelfde pathway….in één experiment,” zei Cunningham, verwijzend naar genen genaamd PLCB4 en GNAI3. Beide beïnvloeden de endotheline signaleringsroute, maar via verschillende routes: PLCB4-mutaties inactiveren stimulatie, terwijl GNAI3-mutaties een remmend signaal versterken. Aanwijzingen kwamen van zebravissen met vergelijkbare kaken en een PLCB4-mutatie. De GNAI3-mutatie had echter geen bekende dierlijke tegenhanger. (De onderzoekers weten nog niet precies hoe de mutaties ACS veroorzaken.)
Het tweede onverwachte resultaat was dat alle mutaties in beide genen aminozuren aantasten die identiek zijn in alle gewervelde dieren, vliegen en zelfs schimmels, wat erop duidt dat de genen essentieel zijn voor meercellig leven.
Ten derde bevinden de mutaties zich niet in Hox-genen, maar in hun controles.
The Bigger Picture
De ontdekking van twee genen achter ACS zal zeker helpen bij de diagnose van dit syndroom en verwante syndromen. Maar de implicaties zijn breder, in vier opzichten.
#1 EVOLUTIE Wanneer mutatie de ontwikkeling in zulke verschillende soorten als een mens en een vlieg op vergelijkbare wijze doet ontsporen, is afstamming van een gemeenschappelijke voorouder een veel logischer verklaring dan herhaalde identieke genetische veranderingen of door een Schepper neergeplempt worden.
#2 WHOLE EXOME SEQUENCING Veroudering ligt op de loer. “Exome sequencing is zo krachtig dat we binnenkort niet meer naar mutaties zullen zoeken. Mutaties zullen gemakkelijk te vinden zijn, zelfs saai. Het is de biologie die moeilijk te doorgronden zal zijn: eiwitfunctie, expressieregulatie, epigenetica en ontwikkelingsbiologie…..daaraan zullen we steeds meer van onze tijd besteden,” aldus Cunningham.
3 MIJN CAREERKEUZE Ik realiseerde me, met het elegante werk aan de dubbele kaak waarin een bovenkaak vanuit twee perspectieven wordt bekeken, dat de homeotische mutaties een metafoor zijn voor mijn carrière – mijn kennis van de genetica gebruiken om onderzoeksresultaten te communiceren, in plaats van moleculen en mechanismen te onderzoeken.
4 MODELORGANISMEN De ontdekking van de mutaties achter ACS belicht de waarde van onderzoek aan modelorganismen. Ik zal nieuwsberichten schrijven voor de komende 2012 Model Organisms to Human Biology – Cancer Genetics Meeting in Washington, D.C. van 17 tot 20 juni. Ik hoop te kunnen gastbloggen vanuit de wereld van wormen, zebravissen, kikkers en muizen – en natuurlijk de edele fruitvlieg.