Cis-regulatie elementen zijn kleine, vijf tot twintig nucleotiden lange fragmenten in het genoom die geen gen coderen, maar regelen wanneer de cel een gen wel en niet afleest. Je kan ze zien als de ‘dimmers’ van een gen. Wanneer deze elementen bekend zijn kun je beïnvloeden wanneer, waar, en hoe vaak dat gen wordt afgelezen. Weet je dat niet, dan kun je enkel het gen zelf beïnvloeden door bijvoorbeeld te selecteren voor een functionele of niet-functionele versie van het gen.

Het probleem is dat die regulerende elementen verstopt zitten in het genoom. Veel van de nu bekende cis-regulatie elementen in planten zijn vaak op een gen-voor-gen basis gevonden, en zijn evolutionair gezien relatief jong. Systematisch onderzoek, door hele genomen langszij te leggen, heeft tot nu toe niet veel opgeleverd.

Toch waren er aanwijzingen dat plantengenomen, net als die bij dieren, ook evolutionair oude cis-regulatie elementen hebben. Er zijn in planten duizenden genen waarvan de activiteit sterk geconserveerd is, maar waarvan geen geconserveerde cis-regulatie elementen bekend zijn. ‘Dat was onlogisch, de enige logische verklaring was dat ze verstopt zaten’, zegt Zachary Lippman, van Cold Spring Harbor Laboratory in de VS, en mede-auteur van de Science-studie.

Directe omgeving

Om deze verstopte elementen te vinden weken de onderzoekers af van de gebaande paden. ‘In plaats van hele genomen te vergelijken, focusten we op genen en hun directe omgeving’, zegt Lippman. Dit verkleinde het zoekgebied met ongeveer een factor 100. Het algoritme dat de groep hiervoor ontwikkelde liep op deze manier alle genen af van de 284 in hun analyse meegenomen planten. Dit waren grotendeels zaadplanten (274 soorten), de resterende 10 waren varens en mossen die evolutionair verder verwijderd zijn van de zaadplanten. De zoektocht resulteerde in de identificatie van 2,3 miljoen nieuwe, maar evolutionair oude (tot 150 miljoen jaar terug) cis-regulatie elementen.

’De enige logische verklaring was dat ze verstopt zaten’ 

Zachary Lippman, Cold Spring Harbor Laboratory 

Daarnaast werd duidelijk waarom deze elementen lastig te vinden zijn. ‘Deze studie laat zien dat zo’n regulatie element in verschillende soorten rondspringt. Soms zit het element voor een gen, soms erachter, en soms zit er nog een ander gen tussenin’, zegt Klaas Vandepoele, hoogleraar computational regulomics bij het VIB-UGent Center voor Plant Systems Biology en niet betrokken bij de studie. ‘Dus dat is wel interessant en dat toont ook aan dat die regulerende code eigenlijk al vrij flexibel is, maar wel altijd werkt.’

Pianotoetsen

Vooralsnog zit al die informatie over die nieuw geïdentificeerde elementen in een aparte databank. Er is nog geen koppeling naar databanken die alle andere informatie van plantengenomen bevatten, zoals bijvoorbeeld de functies van genen. ‘Het zou in ieder geval logisch zijn om al die informatie te linken’, zegt Vandepoele.

Met de gevonden elementen kunnen onderzoekers dieper duiken in het vraagstuk hoe genactiviteit wordt gereguleerd. Lippman vergelijkt cis-regulatie elementen met de toetsen van een piano. ‘Maar welke combinatie van toetsen er nodig zijn om een bepaald liedje op de piano te spelen, dat is nog onbekend.’ De traditionele manier om dat uit te zoeken is door mutaties en edits in die elementen aan te brengen en bestuderen wat er met de gen activiteit en fenotype gebeurt. 

Maar een andere mogelijkheid is het inzetten van AI hierbij. Dat is waar Vandepoele aan werkt. Recente AI-modellen kun je vragen welk stukje op de DNA-sequentie zo’n model heeft gebruikt om de activiteit van een gen te voorspellen. Voeg dat samen met deze nieuwe databank van cis-regulatie elementen en ‘dan heb je wel een zeer sterke voorspellende engine’, zegt Vandepoele ‘Die AI-modellen kunnen dan zeggen, als je dit elementje verwijderd, dan zal je gen niet langer in, bijvoorbeeld, een specifiek orgaan tot expressie komen.’

‘Dan heb je wel een zeer sterke voorspellende engine’

Klaas Vandepoele, VIB-UGent Center voor Plant Systems Biology

Een ander vraagstuk waar onderzoekers zich nu meer in kunnen verdiepen zijn de regels rondom het binden van transcriptie factoren aan cis-regulatie elementen. Geneticus Dolf Weijers, hoogleraar aan Wageningen University & Research en eveneens niet bij het onderzoek betrokken, onderzoekt dit al geruime tijd aan de hand van een specifieke groep transcriptiefactoren, de zogenaamde auxine responsfactoren. ‘Daarvan weten we heel erg goed wat het mechanisme van binding is’, zegt Weijers. Het interessante aan de auxine responsefactoren is dat ze ‘ultra-geconserveerd’ zijn. Er zit geen variatie in de structuur van die eiwitten van verschillende planten op de plaatsen die direct aan het DNA binden. De veronderstelling is dat dat ook aan de DNA kant zo is. Met deze nieuwe bibliotheek met elementen kunnen ze gaan testen of de regels die ze hebben ontdekt ook daadwerkelijk kloppen.

Veredelen

‘Het is voor veredelingsbedrijven vrij eenvoudig om eigenlijk die data nu over te zetten op de genomen van hun eigen variëteiten’, zegt Vandepoele. Zo kunnen veredelaars kijken of hun merkers voor bepaalde eigenschappen overlappen met een cis-regulatie element. Ook maakt dit het makkelijkere om een de regulatie elementen van een bepaald gen te vinden. ‘Die impact moet je niet onderschatten’, zegt Weijers.

‘Dan kun je veel gerichter te werk gaan’

Dolf Weijers, Wageningen Universiteit & Research 

Neem bijvoorbeeld een veredelaar die werkt met een specifiek slasoort en de expressie van een belangrijk gen wil veranderen. Tot nu toe was dat erg moeilijk zonder specifieke kennis over de regulatie in de slasoort waarin de veredelaar de expressie in wil veranderen. ‘Maar wat je nu kan doen is naar die database gaan en zien, ah oké, in deze soort zitten hier en hier en hier en hier elementjes die helemaal geconserveerd zijn, die allemaal belangrijk zijn voor regulatie’, zegt Weijers. ‘Dan kun je veel gerichter te werk gaan.’ Al is het daarna nog steeds uitzoeken wat die elementjes precies doen. 

Lippman vergelijkt de databank van cis-regulatie elementen met de verbeterde annotatie van genen. Ook toen konden onderzoekers vragen stellen die eerder niet te beantwoorden waren. ‘Het is een erg opwindende tijd’, zegt Lippman.

Kirk R. Amundson, Anat Hendelman, et al., A deep-time landscape of plant cis-regulatory sequence evolution, Science (2026), doi:10.1126/science.adt8983