Genetische modificatie en CRISPR

Kunnen we onze genen veranderen? Of kiezen welke genen onze toekomstige kinderen krijgen? Het antwoord is ‘ja, maar’. Het kan, maar het is ingewikkeld. We leggen kort uit wat genetische modificatie is, hoe het werkt en wat de toekomst ons zal brengen.  

Genetische modificatie, gentechnologie, gentherapie, …

Genetische modificatie wordt vaak in één adem genoemd met gentechnologie, genetische modificatie en gentherapie. Toch zijn dit verschillende zaken, daarom staan we eerst even stil bij de betekenis van deze woorden.

Gentechnologie, of genetische technologieën, is een verzamelwoord voor technologieën waarbij wordt gewerkt met genetisch materiaal, zoals DNA of RNA. Gentechnologie heeft tal van toepassingen in de landbouw, in onderzoek en de (dier)geneeskunde. 

Gentherapie is een medische toepassing van gentechnologie, waarmee men genetische ziekten tracht te behandelen. Meer daarover lees je in ons artikel over gentherapie.

Genetische modificatie is de technologie waarmee men rechtstreeks genetische informatie aanpast in organismen. Dit kan het verwijderen, vervangen of het toevoegen van een enkele tot een lange reeks basenparen zijn. Hiermee worden genen gewijzigd of uitgeschakeld. Genetische modificatie is dus een vorm van genetische technologie.

Genetische modificatie kan op een individueel organisme toegepast worden. Hierbij wordt de erfelijke informatie veranderd in het hele organisme of in een deel ervan, zoals een specifiek orgaan. Als dit gebeurt zonder dat deze aanpassing wordt doorgegeven aan latere nakomelingen van het organisme, dan heet dit “somatische modificatie”.

Maar je kan ook genetische modificatie uitvoeren bij een organisme waarbij de aanpassing wel overdraagbaar is naar de nakomelingen. Dit heet “kiembaanmodificatie”. Dit is het geval als de genetische aanpassing ook de genetische informatie in de geslachtscellen van het organisme verandert. Bij een dier, en dus ook bij een mens, kan dit als het nog een embryo is.

Het is duidelijk dat kiembaanmodificatie veel ingrijpender is dan somatische modificatie en meer ethische vragen oproept, zeker als het over de mens gaat.

Waarvoor wordt genetische modificatie gebruikt?

Genetische modificatie wordt al sinds de jaren ‘70 op verschillende terreinen uitgevoerd. Tot dusver met het grootste succes binnen de landbouw. Je hebt ongetwijfeld al gehoord van GGO’s, “Genetisch Gewijzigde Organismen”. Dat zijn hoofdzakelijk landbouwgewassen die genetisch zijn aangepast om ze bijvoorbeeld resistent te maken tegen bepaalde onkruidverdelgers en insecten, of om de voedingswaarde ervan te verhogen. Zeker bij de teelt van soja en maïs zijn GGO’s populair. Een bekend voorbeeld is ‘gouden rijst’. Dat is rijst die gemodificeerd is om bètacaroteen te bevatten en die zorgt voor de aanmaak van vitamine A in het lichaam. In Europa worden GGO’s minder gebruikt dan daarbuiten omdat ze er streng zijn gereguleerd.

Maar genetische modificatie wordt ook gebruikt in de geneeskunde. Het is momenteel vooral een interessant hulpmiddel bij onderzoek. Men gaat bijvoorbeeld in een petrischaal bij bepaalde cellen of weefsels het DNA modificeren om te achterhalen wat de rol is van één of meerdere genen. Dit brengt nieuwe inzichten mee over hoe ziektes ontstaan en zich ontwikkelen, zoals bepaalde vormen van kanker. Dat helpt bij het ontwikkelen van nieuwe behandelingen.

Genetische modificatie zou ook als gentherapie kunnen worden ingezet, maar dat zit nog in een prille onderzoeksfase. Door het veranderen van genen in het lichaam, in een bepaald orgaan of bij specifieke cellen, zou men een ziekte kunnen behandelen. Voor bijvoorbeeld Leber congenitale amaurosis, een erfelijke oogaandoening, wordt hiernaar onderzoek gedaan.

Hoe werkt genetische modificatie?

Genetische modificatie kan al gebeuren door te ‘knippen’ in de DNA-streng, waarna men de cel zelf de breuk laat herstellen door willekeurige mutaties. Hiermee kan men bijvoorbeeld genen uitschakelen. Maar men kan ook ‘plakken’ in het DNA. Plakken kan onder meer gedaan worden door middel van “homologe recombinatie”. Hierbij wordt een nieuw stukje DNA aan de cel aangeboden, die het via inwendige mechanismen plakt in de eigen DNA-streng.

Om nieuw DNA in te brengen heeft men “vectoren” nodig, transportmiddeltjes die het naar de juiste plek brengen. Bij gentherapie gebruikt men hiervoor virussen. Sommige virussen kunnen in de DNA-streng van de cel die ze infecteren nieuwe genetische informatie toevoegen. Wat men doet is deze virussen als het ware herprogrammeren zodat ze geen schadelijke, maar wel gewenste genetische informatie toevoegen in het DNA van de cellen van een organisme.

Homologe recombinatie en virale vectoren worden al een paar decennia gebruikt in de medische context, maar waren tot nu moeilijk uit te voeren, met onvoldoende nauwkeurigheid. Daar kwam recent verandering in met Crispr-Cas9.

Crispr-cas9

In 2012 publiceerden Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier een wetenschappelijk artikel over een immuunsysteem van bacteriën tegen virussen: “CRISPR-cas9”. Daarin stelden ze dat dit systeem kan worden gebruikt om DNA aan te passen bij andere organismen zoals de mens. Een revolutie tegenover de oudere technieken, want hiermee kan men veel gemakkelijker, goedkoper en nauwkeuriger genen aanpassen. Er is nu meer mogelijk.  

Hoe werkt CRISPR? Bacteriën verzamelen stukjes DNA van virussen waarmee ze geconfronteerd worden in hun eigen DNA. Hiervan maken ze RNA-kopieën en laten die los in zichzelf. Deze kopieën, ‘gids-RNA’ genaamd, binden zich daarna aan een eiwit, het Cas9-eiwit dat de gave heeft om te ‘knippen’ in DNA. Het gids-RNA met het Cas9-eiwit gaat vervolgens op zoek naar een kopie van zichzelf, dat dus enkel in een bepaald virus te vinden is. Komt het zijn kopie tegen dan gaat het Cas9-eiwit erin knippen. Het virus wordt vernietigd.

Dit mechanisme kunnen we nabootsen en toepassen in andere organismen zoals planten, dieren en mensen. We brengen het Cas9-eiwit met RNA-kopieën van bepaald DNA in cellen, en zorgen zo voor genetische modificatie. Het Cas9-eiwit knipt in het DNA van de cel op de plek die overeenkomt met het gids-RNA. Op een exacte locatie dus.

Dat biedt veel mogelijkheden, zowel in de landbouw als de geneeskunde. Er wordt nu volop geëxperimenteerd om met behulp van CRISPR bananen immuun te maken voor bepaalde schimmels, champignons wit te houden en mensen te genezen van sikkelcelanemie.

De toekomst

Voorlopig zit CRISPR nog vooral in de onderzoeksfase, maar dat zal in de toekomst ongetwijfeld veranderen. Ondertussen is de CRISPR-techniek zelf ook weer verbeterd, door uitbreidingen en aanpassingen van het Cas9-eiwit. ‘Prime editing’ bijvoorbeeld is een vernieuwde en veel betrouwbaardere CRISPR-Cas9-methode waar we nog veel over zullen horen.

Ook voor orgaantransplantatie kan genetische modificatie een game changer zijn. Mensen die een orgaan van een ander mens ontvangen moeten levenslang anti-afstotingsmedicijnen nemen, omdat hun lichaam het orgaan als lichaamsvreemd ziet. Door een embryo van een dier genetisch aan te passen om het organen te laten ontwikkelen die  matchen met de menselijke ontvanger, kan het probleem met de afstoting opgelost worden. Uiteraard rijzen hier dan wel vragen omtrent dierenwelzijn en -rechten.

Maar de grootste vraag voor de toekomst is: zal genetische modificatie aangewend worden voor kiembaanmodificatie bij de mens? Of anders geformuleerd: zullen we de menselijke soort genetisch aanpassen en verbeteren? In principe kan het, en in China zijn zo al twee meisjes geboren op dubieuze wijze, maar de kennis is nu nog te beperkt en daarom is het risicovol. Ook zijn er heel wat ethische vragen bij te stellen. Maar dat kan over een aantal decennia veranderen…