De verborgen laag van genetische flexibiliteit
Planten hebben fascinerende genomen, complex met veel gedupliceerde genen. Het is een van de redenen dat ze zoveel complexe stoffen kunnen maken. Dus toen ik hoorde dat ze deze zogenaamde extrachromosomaal circulair DNA hebben was ik geïntrigeerd.
Zo hier gaan we.
DNA cirkels en herbicide resistentie
Toen de groep van Bikram Gill van Kansas State University begonnen met het uitzoeken hoe tweehuizige amarant (Amaranthus palmeri), een veel voorkomend onkruid in de Verenigde Staten, glyfosaat resistentie in zo’n korte tijd had ontwikkeld hadden ze niet verwacht dat DNA cirkels de kern vormde van de resistentie.
Glyfosaat dood planten door de werking van een van de noodzakelijke enzymen, EPSPS, voor de productie van een paar essentiële aminozuren te verhinderen. Gill had in een eerdere studie gevonden dat tweehuizige amarant tussen de 40 tot 100 extra kopieën van EPSPS had. Nu wilde ze weten waar die kopieën zich in het genoom bevonden. Een techniek gebruikende die de onderzoekers liet zien waar in het genoom EPSPS zat verraste de onderzoekers dat voor meer dan de helft van de tijd ze EPSPS terugvonden op circulaire structuren, ook wel extrachromosomaal circulair DNA genoemd. In elke cel vonden ze honderden van deze DNA cirkels, of eccDNAs, elk had een enkel EPSPS kopie. Dit gaf de cel de mogelijkheid om honderden extra kopieën van dit enzym te maken dan dat ze anders hadden kunnen doen. Genoeg om de negatieve effecten van glyfosaat te overkomen.
Deze DNA cirkels klinken erg als bacteriële plasmiden. Ze bestaan naast het chromosomaal genoom van eukaryoten – planten, dieren, en schimmels. In de laatste 10 jaar of zo werkte onderzoekers niet alleen aan het uitvinden van wat die DNA cirkels doen, maar probeerde ook uit te vinden hoe ze dat doen. Dit alles wijst zo langzaamaan naar een verborgen laag van genetische flexibiliteit.
Zo, wat zijn DNA cirkels?
Planten en andere eukaryoten hebben hun genoom geordend op chromosomen. Deze chromosomen bevatten de genen en de stukken DNA die deze genen reguleren die nodig zijn voor de ontwikkeling en het in leven houden van een organisme. En die chromosomen zijn groot.
Nu kan je de verbazing voorstellen toen Alix Bassel en Yasuo Hotta in 1965 door de elektronenmicroscoop keken en kleine DNA cirkels zagen, die onafhankelijk van het chromosomaal DNA leken bestaan. In het begin dachten ze dat die DNA cirkels alleen maar junk DNA bevatte. Alhoewel onderzoek naar DNA cirkels in kanker al snel liet zien dat ze ook genen konden bevatten. Toch bleef de algemeenheid hiervan voor lang onduidelijk. Het isoleren en sequencen van de geobserveerde DNA cirkels was namelijk voor lange tijd een moeilijke taak.
De ontdekking van DNA cirkels in meer en meer organismen, en de vondst dat de genen op DNA cirkels actief zijn deed de interesse groeien. Maar het was de ontwikkeling van high throughput sequencen en bio-informatie analyse van die sequenties dat de eerste aanwijzingen kwamen dat DNA cirkels meer waren dan een vreemd bijproduct met een rol in kanker. Een van die aanwijzingen kwam van glyfosaat resistentie in tweehuizige amarant.
Zelf vermeerderend
Een van de eerste dingen die de groep van Gill deed na de ontdekking dat de DNA cirkels de dragers van het EPSPS gen ware was kijken naar hun overerving. Door de DNA cirkels nauwkeurig te volgen ontdekte de onderzoekers dat tijden celdeling de DNA cirkels dicht bij de chromosomen bleven. Dit had als gevolg dat dochtercellen en de volgende generatie tweehuizige amarant planten ze willekeurig erfde. Dit verklaart ook hoe herbicide resistentie behouden bleef bij de opeenvolgende generaties.
Geïntrigeerd volgde Christopher Saski, een voormalig lid van de groep van Gill, dit op met het sequencen van de EPSPS bevattende DNA cirkels. Hij vond dat deze DNA cirkel nog meer verassingen in petto had. Niet alleen was het een massieve 399 kilobasen, het bevatten ook 59 genen. Deze en andere onderdelen had het opgepikt van verschillende delen van het genoom.
De analyse bracht ook regio’s onder de aandacht die betrokken konden zijn bij zelfstandige vermeerdering. Deze ontdekking gaf deze DNA cirkel de bijnaam: eccDNA Replicon. Saski testte vervolgens deze ontdekte regio’s in gist en bevestigde dat ze inderdaad zelfstandige vermeerdering van het gist-plasmide mogelijk maakte. Samen suggereert dit dat DNA cirkels zich gedragen als een set reserve instructies. Wiens manier van kopiëren en doorgeven onvoorspelbaar en onafhankelijk van het nette chromosomaal erven gebeurt.
DNA cirkels in rijst
Alhoewel de eccDNA Replicon de meest in planten bestudeerde DNA cirkel is, het is niet de enige. Andere herbicideresistent onkruid soorten hebben hun eigen versie van een eccDNA Replicon. Dit kan je zien als een simpel resistent dingetje, net zoals DNA cirkels en hun betrokkenheid in kanker, was het niet voor andere soorten van DNA cirkels met andere functionele genen.
Een van deze werd ontdekt door Luis Rafael Herrera-Estrella van Texas Tech University en Guohua Xu van Nanjing Agricultural University. Na het lezen over DNA cirkels en hun rol in tweehuizige amarant herbicide resistentie vroegen ze zich af of in rijst DNA cirkels betrokken waren bij de stressreactie op voedingsstoffen tekort. Ze keken daarom naar de sequentie van DNA cirkels aanwezig in planten voor en na deze waren gekort op stikstof of fosfaat.
Zo vonden ze dat zelfs onder niet uithongerende omstandigheden er DNA cirkels aanwezig waren, deze bevatte voornamelijk genen met een rol in ontwikkelingsprocessen. Maar nadat de planten waren uitgehongerd verschoof het DNA cirkel gen profiel naar dat van genen wiens eiwitten helpen met stikstof opnamen of het omgaan het een fosfaat te kort. Daarnaast vonden Herrera-Estrella en Xu op de DNA cirkels ook sporen van transposable elementen, of te wel springende genen, wat suggereert dat deze aan de oorsprong van de door voedingsstof te kort gevormde DNA cirkels liggen.
Schockdempers
Dus DNA cirkels zijn circulaire DNA moleculen die geërfd kunnen worden. Maar in tegenstelling tot het erven van chromosomen, waarbij elke dochtercel een kopie krijgt, erven cellen DNA cirkels op een willekeurige manier. Daarnaast lijkt het dat DNA cirkel vorming kan worden gestimuleerd door stress, en dat planten ze in aantal kunnen vermeerderen wanneer nodig. Dit leidde ertoe dat in het begin van dit jaar (2026) dat Dana MacGregor van Rothamsted Research samen met Saski voorstelde dat DNA cirkels zouden kunnen functioneren als genomische schokdempers, wat planten een verborgen laag van flexibiliteit geeft.
Volgen MacGregor en Saski maken DNA cirkels het mogelijk voor de cel om tijdelijk gen activiteit buiten wat normaal mogelijk is te verhogen zonder dat ze de chromosomen aanpassen, en voor zolang het nodig is. Dan wanneer niet langer relevant, de cel kan de niet langer gebruikte DNA cirkels weggooien.
Intrigerend als deze hypothesis mag zijn, is dat alles wat DNA cirkels zijn, een flexibele laag om het hoofd genoom heen dat geactiveerd kan worden in tijden van stress?
Dagelijkse processen
Maar de rijst studie van Herrera-Estrella en Xu wees op nog meer. Dat DNA cirkels niet alleen aanwezig zijn in tijden van stress zoals herbicide blootstelling of voedingstoffen te kort, maar ook voor normale dagelijkse processen. Zoals bij voorbeeld het reguleren van ontkieming.
Toen ik her dieper in dook kwam ik uit bij Marie Mirouze van de Universiteit van Perpignan. Mirouze geïnteresseerd in de mobiele delen van het genoom, zoals retrotransosons, besloot een manier te vinden om deze springende genen in DNA cirkels te identificeren. Daarna analyseerde ze DNA cirkels in rijstzaden. Daarbij vond ze een behoorlijk actief springend gen genaamd PopRice. PopRice overspoelde rijstzaden met DNA cirkels.
Een daaropvolgende studie vond uit waarom. Toen Jungnam Cho, of the Shanghai Institute of Plant Physiology and Ecology, de vorming van PopRice eccDNA blokkeerde, ontkiemde de rijstzaden niet zo vlug meer als voorheen. Cho vond dat onder normale omstandigheden PopRice eccDNAs zich vormen bij aanwezigheid van het plantenhormoon dat ontkieming stimuleert.
Maar toen Cho nog eens goed naar de sequentie van het PopRice eccDNA keek zag hij dat deze specifieke regio’s van DNA bevatten. Aan al deze regio’s bleken eiwitten te binden die de gen activiteit beïnvloeden als reactie op een ontkiemingsonderdrukkende plantenhormoon. Toen Cho de hoeveelheid van PopRice eccDNA in rijstzaden verhoogde bleek dat de genen die normaal gesproken onderdrukt werden door de eiwitten die aan PopRice eccDNA binden actiever waren. Dit suggereert dat PopRice eccDNA deze gen regulerende eiwitten aan zich bindt om ze uit de roulatie te nemen zodat ze niet langer de ontkieming kunnen tegenhouden. Op deze manier versnellen DNA cirkels de ontkieming omdat de zaden niet langer hoeven te wachten op de afbraak van de niet langer gewenste gen regulerende eiwitten.
Naast PopRice eccDNA zijn er nog andere planten DNA cirkels gevonden die betrokken zijn bij meer alledaagse processen. Zoals eiwitsynthese en bloei regulering. Dit suggereert dat DNA cirkels ook een rol hebben in de regulering van dagelijkse processen.
Nog niet helemaal begrepen
Alhoewel onderzoekers een beter idee hebben bij welke processen DNA cirkels betrokken zijn, hoe ze gevormd worden is nog steeds niet helemaal duidelijk. Er zijn meerdere suggesties hoe dit zou kunnen. Zo kunnen hoog repetitieve sequenties iets veroorzaken wat ze Looping Out noemen, wat resulteert in DNA cirkels. Een andere manier is via DNA reparatie, in een poging tot het repareren van breuken in chromosomaal DNA kunnen per ongeluk DNA cirkels vormen. En genen die erg actief zijn, zijn ook gevoeliger om DNA cirkels te worden.
Maar daarnaast is er nog een manier, een waarnaar het bewijs voornamelijk wijst: springende genen. Onderzoekers die de sequenties van DNA cirkels bestuderen vonden in veel van deze sporen van springende genen. Daarnaast is het van springende genen bekend dat ze DNA cirkels vormen tijdens hun springen door het genoom. En wanneer onderzoekers de strikte controle waaronder springende genen staan verwijderde zagen ze meer DNA cirkels met sporen van springende genen. Dit alles maakt het een aantrekkelijke uitleg voor het vormen van DNA cirkels.
Zo, zijn DNA cirkels genomische schokdempers?
Dus, DNA cirkels bevatten functionerende genen, en kunnen de gen activiteit verhogen, en toenemen in tijden van stress. Maar ze zijn ook betrokken bij niet stressvolle functies en zijn aanwezig in lage achtergrond hoeveelheden onder normale omstandigheden. Dat alles tezamen wijst op een meer genuanceerde rol.
Zoals andere bekende genoom-regulatie systemen, zijn DNA cirkels betrokken bij alledaagse processen maar geven ze daarnaast het genoom ook een kans om flexibel te reageren wanneer de situatie daarom vraagt. Dit maakt ze meer een extra flexibele laag om het hoofdgenoom dan genomische schokdempers.
Plant en Zo 