Worden wetenschappers voor de gek gehouden door bacteriën?

Al tientallen jaren bestudeert een kleine groep geavanceerde medische onderzoekers een biochemisch DNA-tagsysteem dat genen in- of uitschakelt. Velen hebben het in bacteriën bestudeerd en nu hebben sommigen er tekenen van gezien in planten, vliegen en zelfs menselijke hersentumoren. Volgens een nieuwe studie door onderzoekers van de Icahn School of Medicine op de berg Sinaï kan er echter een hapering zijn: veel van het bewijs van zijn aanwezigheid in hogere organismen kan te wijten zijn aan bacteriële besmetting, die moeilijk te herkennen was met de huidige experimentele methoden.

Om dit aan te pakken, creëerden de wetenschappers een op maat gemaakte gensequencing-methode die afhankelijk is van een nieuw machine learning-algoritme om de bron en niveaus van gelabeld DNA nauwkeurig te meten. Dit hielp hen om bacterieel DNA te onderscheiden van dat van menselijk en ander niet-bacterieel cellen. Terwijl de resultaten gepubliceerd in Wetenschap steunde het idee dat dit systeem van nature kan voorkomen in niet-bacteriële cellen, de niveaus waren veel lager dan in sommige eerdere studies werd gerapporteerd en werden gemakkelijk vertekend door Bacteriële besmetting of huidige experimentele methoden. Experimenten met menselijke hersenkankercellen leverden vergelijkbare resultaten op.

“Het verleggen van de grenzen van medisch onderzoek kan een uitdaging zijn. Soms zijn de ideeën zo nieuw dat we de experimentele methoden die we gebruiken om ze uit te testen moeten heroverwegen”, zegt Gang Fang, Ph.D., Associate Professor of Genetics and Genomic Sciences bij Icahn berg Sinaï. “In deze studie hebben we een nieuwe methode ontwikkeld om dit DNA-merk effectief te meten in een grote verscheidenheid aan soorten en celtypes. We hopen dat dit wetenschappers zal helpen om de vele rollen die deze processen kunnen spelen in de evolutie te ontdekken en menselijke ziekte.”

De studie concentreerde zich op DNA-adeninemethylering, een biochemische reactie waarbij een chemische stof wordt gehecht, a methyl- groep, tot een adenine, een van de vier bouwsteenmoleculen die worden gebruikt om lange DNA-strengen te construeren en voor genen te coderen. Dit kan “epigenetisch” genen activeren of tot zwijgen brengen zonder de DNA-sequenties daadwerkelijk te veranderen. Het is bijvoorbeeld bekend dat adeninemethylering een cruciale rol speelt in de manier waarop sommige bacteriën zich verdedigen tegen virussen.

Decennialang dachten wetenschappers dat adeninemethylering strikt in bacteriën plaatsvond, terwijl menselijke en andere niet-bacteriële cellen vertrouwden op de methylering van een andere bouwsteen – cytosine – om genen te reguleren. Toen, vanaf ongeveer 2015, veranderde dit beeld. Wetenschappers ontdekten hoge niveaus van adeninemethylering in planten-, vliegen-, muis- en menselijke cellen, wat suggereert dat de reactie gedurende de evolutie een bredere rol zou spelen.

De wetenschappers die deze eerste experimenten uitvoerden, stonden echter voor moeilijke afwegingen. Sommige gebruikten technieken die adeninemethyleringsniveaus van elk celtype nauwkeurig kunnen meten, maar hebben niet het vermogen om te identificeren uit welke cel elk stukje DNA afkomstig is, terwijl anderen vertrouwden op methoden die methylering in verschillende celtypes kunnen detecteren, maar de reactieniveaus kunnen overschatten.

In deze studie heeft dr. Fang’s team ontwikkelde een methode genaamd 6mASCOPE die deze afwegingen overwint. Daarin wordt DNA geëxtraheerd uit een monster van weefsel of cellen en in korte strengen gehakt door eiwitten die enzymen worden genoemd. De strengen worden in microscopisch kleine putjes geplaatst en behandeld met enzymen die nieuwe kopieën van elke streng maken. Een geavanceerde sequencing-machine meet vervolgens in realtime de snelheid waarmee elke nucleotide-bouwsteen aan een nieuwe streng wordt toegevoegd. Gemethyleerde adenines vertragen dit proces enigszins. De resultaten worden vervolgens ingevoerd in een machine learning-algoritme dat de onderzoekers hebben getraind om de methylatieniveaus uit de sequentiegegevens te schatten.

“De DNA-sequenties stelden ons in staat om te identificeren in welke cellen – menselijke of bacteriële – methylering plaatsvond, terwijl het machine learning-model de niveaus van methylering in elke soort afzonderlijk kwantificeerde,” zei Dr. Hoektand,

Eerste experimenten met eenvoudige eencellige organismen, zoals groene algen, suggereerden dat de 6mASCOPE-methode effectief was omdat het verschillen kon detecteren tussen twee organismen die beide hoge niveaus van adeninemethylering hadden.

De methode bleek ook effectief te zijn bij het kwantificeren van adeninemethylering in complexe organismen. Eerdere studies hadden bijvoorbeeld gesuggereerd dat hoge niveaus van methylering een rol kunnen spelen bij de vroege groei van de fruitvlieg Drosophila melanogaster en van de bloeiende wiet Arabidopsis thaliana. In deze studie ontdekten de onderzoekers dat deze hoge niveaus van methylering meestal het gevolg waren van besmetting van bacterieel DNA. In werkelijkheid hadden de vlieg en het planten-DNA van deze experimenten slechts sporen van methylering.

Evenzo suggereerden experimenten met menselijke cellen dat methylering plaatsvindt op zeer lage niveaus in zowel gezonde als ziektetoestanden. Immuuncel-DNA verkregen uit bloedmonsters van patiënten had slechts sporen van methylering.

Vergelijkbare resultaten werden ook gezien met DNA geïsoleerd uit monsters van glioblastoma-hersentumoren. Dit resultaat was anders dan een eerdere studie, die veel hogere niveaus van adeninemethylering in tumorcellen rapporteerde. Echter, zoals de auteurs opmerken, kan meer onderzoek nodig zijn om te bepalen hoeveel van deze discrepantie te wijten kan zijn aan verschillen in tumorsubtypes en andere mogelijke bronnen van methylering.

Ten slotte ontdekten de onderzoekers dat plasmide-DNA, een hulpmiddel dat wetenschappers regelmatig gebruiken om genen te manipuleren, mogelijk besmet is met hoge niveaus van methylering die afkomstig zijn van bacteriën, wat suggereert dat dit DNA een bron van besmetting zou kunnen zijn in toekomstige experimenten.

“Onze resultaten laten zien dat de manier waarop adeninemethylering wordt gemeten, diepgaande effecten kan hebben op het resultaat van een experiment. We willen niet de mogelijkheid uitsluiten dat sommige menselijke weefsels of ziektesubtypen zeer overvloedig DNA hebben.” adenine methylatie, maar we hopen wel dat 6mASCOPE wetenschappers zal helpen dit probleem volledig te onderzoeken door de bias van bacteriële besmetting uit te sluiten”, zei dr. Gang. “Om hierbij te helpen hebben we de 6mASCOPE-analysesoftware en een gedetailleerde bedieningshandleiding algemeen beschikbaar gemaakt voor andere onderzoekers .”