De nieuwe genetische revolutie

door Liesbet Lauwereys, medewerker van de Maakbare Mens.

Genetisch onderzoek maakt steeds meer vorderingen, maar werpt ook ethische vragen op. Dit is niet anders met de ontdekking van Crispr-Cas9, een methode waarmee DNA nauwkeurig gemodificeerd kan worden. De Maakbare Mens legt in ‘De nieuwe genetische revolutie’ uit wat het belang is van dit onderzoek en pleit voor een maatschappelijk debat.

In 1990 ging het Human Genome Project van start, een onderzoeksproject om alle menselijke genen in kaart te brengen en waaraan wetenschappers over de hele wereld meewerkten. Het onderzoek gaf aanleiding tot heel wat mediaberichtgeving over genetica. Bij wijze van spreken stond er elke week in de krant: ‘gen gevonden voor dit’ of ‘gen ontdekt voor dat’. De verwachtingen waren hooggespannen. Want als we de code van het menselijk genoom kunnen lezen, dan is het maar een stapje verder om ‘foutjes’ op te sporen en te onderzoeken hoe we ze kunnen corrigeren.

Het duurde tot 2003 voor het hele menselijke genoom in kaart was gebracht. Dat leverde heel wat kennis op waarmee onderzoekers aan de slag gingen: op zoek naar de functies van genen, verklaringen voor menselijke eigenschappen, tests om aandoeningen op te sporen en naar behandelingsmogelijkheden. Een en ander bleek complexer dan aanvankelijk verhoopt en even zakte de genetische euforie weg. Maar vandaag heerst er grote opwinding in de wereld van DNA-onderzoekers en dat heeft alles te maken met de ontdekking van CRISPR-Cas9.

CRISPR wat?

CRISPR-Cas9 werd ontdekt door moleculair biologe Jennifer Doudna (Universiteit van Californië) en biochemicus Emmanuelle Charpentier (Umea Universiteit) en wordt een van de grootste ontdekkingen in de biotechnologie genoemd. “Het ultieme doel is erfelijke ziektes de wereld uithelpen” laat Doudna optekenen. Simpel gesteld is Crispr-Cas9 een techniek waarmee we heel gericht kunnen knippen en plakken in DNA.

De techniek is gebaseerd op een natuurlijk afweermechanisme bij bacteriën. Net als mensen kunnen bacteriën besmet worden door een virus en beschikken ze over een immuunsysteem om zich te beschermen. Wanneer een bacterie in aanraking komt met een virus bewaart ze een stukje DNA van het virus om het een volgende keer direct te herkennen en in actie te schieten. Het immuunsysteem van de bacterie maakt daarvoor gebruik van een stuk RNA . Dat RNA ziet het stukje viraal DNA als een adres en werkt als een navigatiesysteem om het virus op te sporen. Eens gevonden komt Cas9 in actie. Cas9 is een eiwit dat in DNA kan knippen. Van zodra Cas9 het ‘slechte DNA’ van het virus heeft gevonden knipt het dat weg.

Het RNA-navigatiesysteem leidt het Cas9-eiwit dus naar de juiste plek in het DNA waar Cas9 kan knippen. Wat Doudna en Charpentier ontdekten is dat ze dit mechanisme kunnen manipuleren. Ze kunnen het RNA-navigatiesysteem programmeren om eender welk stuk DNA op te sporen. Niet alleen bij virussen, maar ook bij planten, dieren en mensen. Ze kunnen dit in een proefbuis, maar ook in levende cellen. Bovendien kan er niet alleen geknipt, maar ook geplakt worden. Door een ‘goed’ stukje DNA mee te sturen met het RNA dat de plaats van het weggeknipte stuk kan innemen.

Wat de ontdekking des te revolutionairder maakt is niet alleen de precisie en de eenvoud van de techniek, het is ook nog eens snel en relatief goedkoop. Elke student met een basiskennis moleculaire genetica, toegang tot een labo en een paar honderd euro kan experimenteren met CRISPR-Cas9.

Aan de slag met CRISPR-Cas9

Wetenschappers zijn uiteraard al langer bezig met genetische modificatie, maar tot voor CRISPR-Cas9 waren de technieken veel minder nauwkeurig, een pak omslachtiger en duurder.

Het hoeft dan ook niet te verwonderen dat er vandaag overal ter wereld onderzoekers aan het experimenteren zijn met de techniek om het genoom van planten, virussen, bacteriën, dieren en menselijke lichaamscellen te veranderen.

Er wordt gewerkt aan de meest uiteenlopende zaken, een greep uit het aanbod:

Glutenvrij tarwebrood

Jan Schaart onderzoekt aan de Universiteit van Wageningen of hij met behulp van CRISPR-Cas 9 een glutenvrije tarwesoort kan maken. Dat zou ons toelaten om glutenvrij tarwebrood te bakken.

HIV genezen

Vandaag wordt HIV onder controle gehouden met behulp van virusremmers die het virus slapend houden. Maar wordt er gestopt met de virusremmers, dan wordt het virus terug actief. Er wordt onderzocht hoe CRISPR-Cas9 kan worden gebruikt om patiënten definitief te genezen. Er bestaat een zeldzame genetische mutatie die cellen immuun maakt tegen HIV. Deze werd bij toeval ontdekt toen artsen opmerkten dat sommige seksuele partners van aidspatiënten niet besmet raakten. Met de hulp van CRISPR-Cas9 zou men die mutatie kunnen nabootsen bij HIV-patiënten om hen zo resistent te maken tegen het virus. Een andere mogelijkheid is dat men het immuunsysteem zodanig aanpast dat het HIV kan vernietigen. Hoopvolle pistes, maar Canadese onderzoekers waarschuwden recent dat het HIV-virus zich op termijn zelf ook kan aanpassen om de veranderingen te counteren.

Terugkeer van de mammoet

George Church, geneticus aan de universiteit van Harvard toonde aan dat genen in embryo’s van de Aziatische olifant zouden kunnen worden vervangen door genen van de uitgestorven wolharige mammoet. Zo zouden we de meer dan tienduizend jaar geleden uitgestorven mastodont weer tot leven kunnen roepen, of toch een dier dat er sterk op lijkt. De mammoet is slechts een van de diersoorten waarvan bekeken wordt of we ze opnieuw tot leven kunnen brengen. Er zijn een paar voorwaarden, zo moeten we over voldoende DNA van de uitgestorven soort beschikken en moet er een nog levende verwante soort zijn. Church gebruikt mammoetkarkassen opgegraven uit de arctische permafrost als bron van DNA. Dinosauriërs terug tot leven roepen zit er niet meteen in vanwege het gebrek aan DNA.

Behandeling van de ziekte van Duchenne

Onderzoekers aan de universiteit van Californië onderzoeken hoe ze met behulp van CRISPR-Cas9 de ziekte van Duchenne kunnen behandelen. Deze fatale erfelijke ziekte treft in Nederland ongeveer 1 op 4.000 jongens. Duchenne is bij 60% van de patiënten het gevolg van een fout op het gen dat instaat voor de productie van dystrofine-eiwit. Bij patiënten is de productie van dat eiwit zeer laag waardoor hun spieren steeds zwakker worden. De symptomen beginnen meestal in de vroege jeugd en leiden uiteindelijk tot een hart- of ademhalingsstilstand rond twintigjarige leeftijd. Met medicatie kunnen de symptomen van de ziekte worden onderdrukt, maar de voortgang kan niet worden gestopt. De onderzoekers in Californië namen huidcellen van patiënten met Duchenne en vormden die om tot stamcellen. Met behulp van CRISPR-Cas9 verwijderden ze de fout uit de stamcellen waarna ze deze cellen lieten ontwikkelen tot hartspiercellen en skeletspiercellen. Ze brachten de nieuwe cellen in bij muizen die ook de fout hadden op het gen dat instaat voor de productie van dystrofine-eiwit. Ze stelden vast dat de getransplanteerde cellen dystrofine-eiwit produceerden. Volgens de onderzoekers toont dit aan dat het mogelijk is om de dystrofineproductie bij 60% van de Duchenne-patiënten te herstellen. Ze hopen de methode binnen een aantal jaren op mensen te kunnen testen.

Nieuw huisdier: mini-varkens

Een Chinees onderzoeksinstituut heeft met behulp van CRISPR-Cas9 minivarkens gemaakt. Zo’n volwassen minivarken weegt ongeveer 15 kg, je kunt het vergelijken met een middelgrote hond. Ze maakten de varkens om als proefdieren te gebruiken bij verder onderzoek, want varkens lijken fysiologisch en genetisch meer op mensen dan bijvoorbeeld muizen of ratten. Ze kondigden aan de varkens ook te willen verkopen als huisdieren om op die manier geld in het laatje te brengen voor verder onderzoek. Een ander Chinees team kweekte een ultragespierde hond, eveneens als diermodel voor biomedisch onderzoek.

Er wordt ook onderzocht hoe men acute leukemie zou kunnen genezen, hoe men ervoor kan zorgen dat de malariamug het malariavirus niet meer draagt, enzovoort. De lijst is immens lang.

Mag alles wat kan?

Meer dan 3000 ziekten zijn gelinkt aan mutaties in een individueel gen.

Doordat Crispr-Cas9 toelaat rechtstreeks de genen aan te pakken die een ziekte veroorzaken is de hoop dat we deze ziekten kunnen behandelen of zelfs werkelijk genezen.

Heel wat van deze ziekten zijn onderwerp van onderzoek, maar dat betekent niet dat de techniek morgen al wordt gebruikt in het ziekenhuis.

Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier pleiten zelf voor een bedachtzaam gebruik van de techniek en voor aangepaste regelgeving. Doudna zegt dagelijks e-mails te krijgen van patiënten met ernstige erfelijke aandoeningen die hopen dat de techniek voor hen een wondermiddel zal blijken. Ze beseft dat het een kwestie van tijd is vooraleer men zal proberen om mensen ermee te behandelen. De competitie en concurrentie op het wetenschappelijk toneel zijn groot. Doudna geeft aan dat haar grootste vrees is “dat iemand de snelste wil zijn en onze techniek toepast op een onbezonnen, gevaarlijke manier”.

Want met de mogelijkheden die Crispr-Cas9 biedt komen nog ongekende risico’s voor de menselijke gezondheid mee.

Het is bijvoorbeeld denkbaar dat er ook wijzigingen zouden optreden op andere locaties in het DNA dan enkel het beoogde stukje. Of dat de wijziging naast het verwachte ook onverwachte effecten heeft. Het is dus belangrijk voldoende tijd te nemen en onderzoek te voeren om die risico’s te ontdekken.

Crispr-Cas9 zorgde al voor heel wat opschudding. Die ging niet zozeer over het vooruitzicht om met de techniek zieken te behandelen, maar wel over de manipulatie van menselijke embryo’s. In 2015 maakten Chinese onderzoekers bekend dat ze erin waren geslaagd om met CRISPR-Cas9 het genoom van menselijke embryo’s te manipuleren. Laat duidelijk zijn, deze embryo’s dienden louter voor onderzoek en er werden geen kinderen uit geboren. Maar het nieuws dat de onderzoekers de stap naar genetische manipulatie van menselijke embryo’s hadden gezet wierp veel vragen op. De internationale wetenschappelijke wereld stelde de wenselijkheid van dergelijk onderzoek in vraag en er werd een moratorium ingeroepen voor de genetische manipulatie van menselijke embryo’s. Als een genetisch gemodificeerd embryo uitgroeit tot persoon dan kan die de wijziging doorgeven aan de komende generaties. We kunnen hier dus beter uiterst voorzichtig mee omspringen.

Naast het voorkomen of behandelen van ziekten behoort ook de modificatie van uiterlijke kenmerken of andere eigenschappen met Crispr-Cas9 in principe tot de mogelijkheden. Ook dit is uiteraard een bron van discussie en bezorgdheid binnen de wetenschappelijke wereld en daarbuiten. Of Crispr-Cas9 de hoge verwachtingen zal kunnen inlossen is nog een vraagteken, maar daarop hoeven we niet te wachten om een ruim maatschappelijk debat te voeren en regelgeving te ontwikkelen om te bepalen hoe we de techniek willen gebruiken.

Bronnen:
http://www.dekennisvannu.nl/site/special/Revolutie-in-de-gentechnologie/42
http://www.nature.com/news/crispr-everywhere-1.19511
http://nieuws.kuleuven.be/node/16210

Dit artikel verscheen in het tijdschrift De Geus van september 2016.

Auteursrecht banner: eatcute / 123RF Stockfoto