Knippen met de DNA-schaar

Het is een van de meest ingewikkelde afkortingen in de wereld van de moleculaire microbiologie: CRISPR-Cas. Maar in vijf jaar is deze moeilijke afkorting uitgegroeid tot een revolutionaire DNA-schaar!

25 oktober 2016

CRISPR-Cas, het is misschien wel de meest ingewikkelde afkorting die ik heb moeten leren tijdens mijn studie. Ik kwam ‘m vijf jaar geleden voor het eerst tegen tijdens college moleculaire microbiologie. Inmiddels kom je CRISPR-Cas zelfs af en toe in de krant tegen en deze week werd bekend dat Jennifer Lopez een Hollywood serie gaat maken over bio-terrorisme, getiteld CRISPR.

Vijf jaar terug moest ik met mijn werkgroepje fantaseren over toekomstige toepassingen van CRISPR-Cas. Wij dachten dat dit systeem misschien wel eens nuttig kon zijn voor het resistent maken van bacteriën tegen virussen in de zuivelindustrie. Melkzuurbacteriën, die bijvoorbeeld helpen bij het maken van yoghurt, gaan soms massaal dood door een virusinfectie in de fabriek. Inmiddels blijkt ons idee van 2011 vrij bescheiden en lijkt CRISPR-Cas een revolutie te kunnen ontketenen op allerlei gebieden. Wie weet gaat CRISPR-Cas in de komende jaren wel helpen bij het onderzoek en uiteindelijk genezen van allerlei ernstige ziektes en nog veel meer! 

Een anti-virus systeem in bacteriën

CRISPR-Cas waren eerst vooral opvallende stukjes DNA in bacteriën, en daar heeft de afkorting ook mee te maken (zie kader). Maar wat doet CRISPR-Cas in die bacteriën? Dat wilden onderzoekers, onder andere in ons lab in Wageningen, zo’n tien jaar geleden graag weten. Een van hun theorieën: die opvallende stukjes DNA vormen een afweersysteem voor de bacteriën tegen virussen. Niet alleen mensen kunnen last hebben van virussen, ook bacteriën worden aangevallen door virussen, en die proberen ze kwijt te raken met verschillende afweersystemen, omdat ze anders zelf het loodje leggen.

Onderzoekers uit Wageningen vermoedden dat die opvallende stukjes DNA een belangrijk onderdeel waren van een afweersysteem tegen virussen op bacterie-niveau. En dat bleek te kloppen, mijn begeleider John van der Oost wist dit met andere mensen in onze groep te bewijzen. De variabele korte stukjes DNA, die je terug vindt in CRISPR systemen, bleken namelijk precies dezelfde letters te bevatten die je terug vindt in het DNA van virussen, die de bacterie kunnen aanvallen. Dankzij die ‘CRISPR’ stukjes en een aantal eiwitten, de Cas-eiwitten ofwel CRISPR Associated eiwitten (vandaar het CRISPR-Cas systeem), kan de bacterie zich beter verdedigingen tegen virusaanvallen.

Maar hoe werkt dat nu precies, die verdedigingsacties op bacterie-niveau? Kort gezegd speuren CRISPR-RNA stukjes het DNA in een cel af en als ze een passende match vinden met virus-DNA dat de cel in is gekropen, knippen de Cas-eiwitten dit ‘vijandige’ DNA in stukken. Daarmee is het gevaar afgewend voor de bacterie en is het virus onschadelijk gemaakt.

Knip en verander je DNA

Tot zoverre de samenvatting van het bijzondere afweersysteem in bacteriën. Terug naar mijn werkgroepje met ‘wilde’ CRISPR-plannen van vijf jaar geleden. Vanwege hun natuurlijke functie als ‘anti-virus’ systeem bedachten mijn medestudenten en ik dus dat CRISPR-Cas, een goed systeem was om bacteriën in de zuivelindustrie te beschermen tegen virussen. Maar ongeveer een jaar nadat wij dit hadden opgeschreven in ons verslag kwamen enkele labs in Amerika met verdergaande ideeën. Zij werkten met een ‘simpel’ CRISPR-Cas systeem dat genoeg heeft aan een enkel knippend eiwit, genaamd Cas9 (de DNA-schaar) en een stukje RNA om het DNA op te speuren (het navigatiesysteem dat de schaar naar de goede plek brengt). Ze brachten Cas9 en het RNA in menselijke cellijnen (losse cellen gegroeid in een lab, dus geen embryo’s of mens).

Het bleek dat ze met een stukje RNA dat matcht met een menselijk stuk DNA, ze precies dat stukje DNA kunnen doorknippen. Vervolgens kan de cel deze knip in zijn DNA zelf ook weer repareren. En zo knip je dus ook heel precies stukjes DNA weg en verander je het. Inmiddels is duidelijk dat met deze schaar met ingebouwd navigatiesysteem, DNA op nauwkeurige wijze kan worden aangepast. Dit is al gelukt in menselijke cellen, maar ook in muizen, muggen, allerlei planten en nog veel meer organismen (ook in mijn favoriete E. coli bacteriën trouwens…). En die schaar is waarschijnlijk de grootste revolutie in de biotechnologie in lange tijd. Tot voor CRISPR-Cas waren er alleen veel ingewikkeldere technieken om DNA door te knippen en die konden meestal niet zo goed op een precieze plek in DNA knippen. CRISPR-Cas is relatief makkelijk te gebruiken voor vele labs zonder dat het veel tijd of geld kost.

Maatschappelijke discussies

Die fundamentele studie en eerste ‘toepassingen’ voor knippen hebben inmiddels geleid tot allerlei onderzoeken en ideeën. Volgens velen kunnen we met deze techniek in de toekomst genetische ziektes en misschien ook hiv en aids genezen, malariamuggen uitroeien, planten sneller veredelen voor goede eigenschappen en ook ‘ gewoon’ voor het makkelijker aanpassen van bacteriën voor biotechnologische toepassingen. In een paar jaar tijd zijn verschillende bedrijfjes opgezet rondom deze technieken en is in Amerika een ingewikkelde patentenstrijd uitgebroken over wie de techniek als eerste ontdekte, en nog belangrijker: maatschappelijke discussies zijn gestart.

Want hoever willen we gaan met het onderzoek en later toepassen van deze DNA knip- en bewerktechniek? Willen we bijvoorbeeld het DNA van embryo’s aanpassen? Zo ja, dan alleen voor het voorkomen van levensbedreigende erfelijke ziektes? Of ook voor minder erge ziektes of misschien wel de kleur van de ogen van je baby? Moeilijke maatschappelijke vragen die komen kijken bij zo’n ‘simpel’, precies en revolutionair moleculair schaartje, hoog tijd om publiek en deskundigen op allerlei gebied te gaan betrekken, want deze ontwikkelingen gaan snel.

Ik in kort gesprek met Edze Westra en Jennifer Doudna, en mijn begeleider John van der Oost (helemaal rechts) voorafgaand aan de lezingen.
Guy Ackermans voor NEMO Kennislink

Belangrijke CRISPR-onderzoekers op bezoek in Nederland

Een van de Amerikaanse onderzoekers die voor het eerst liet zien dat Cas9 heel precies DNA kan knippen, professor Jennifer Doudna, was onlangs in Nederland voor het ontvangen van de ‘Nederlandse Nobelprijs’ : de Heinekenprijs. Tegelijkertijd kreeg Edze Westra, een voormalige promovendus in ons lab en nu werkzaam in Engeland, ook een ‘jonge’ Heinekenprijs voor zijn werk aan CRISPR-Cas. De dag na de uitreiking waren Edze Westra en Jennifer Doudna te gast in Wageningen. Samen met wat anderen had ik een lezing georganiseerd en de grootste zaal van de universiteit weten te vullen met een enorm publiek van ruim 700 man. Heel wat meer dan in dat collegezaaltje in 2011 waar ik het voor het eerst van CRISPR-Cas hoorde.

Jennifer Doudna en Edze Westra bespreken na hun eigen presentaties onder begeleiding van sociaal wetenschapper prof. Philip Macnaghten de maatschappelijke kanten van hun werk
Guy Ackermans voor NEMO Kennislink

Nu waren er ook mensen uit allerlei andere richtingen dan moleculaire biologie, er waren onder andere sociale wetenschappers, ecologen en artsen. Beide sprekers vertelden vooral over hun fundamentele studies naar CRISPR-Cas systemen om ze beter te begrijpen. Dat was ook hun fascinatie om ze ooit te gaan bestuderen. Maar daarnaast was er ook tijd voor discussie met hen over de toepassingen. Beiden CRISPR-deskundigen willen hiermee nog niet te hard van stapel mee lopen, zeker met het aanpassen van vooral menselijke genomen moeten we volgens hen voorzichtig zijn. En daar sluit ik me bij aan, maar het is wel heel belangrijk goed verder te onderzoeken wat de mogelijkheden zijn, want sommige toepassingen zijn te veelbelovend om ze niet te overwegen. En gelukkig wordt er ook nog steeds veel fundamenteel onderzoek naar CRISPR gedaan, ook in ons lab, wie weet wat daar nog uit gaat komen. En trouwens, inmiddels werken er ook al bedrijven tegen het resistent maken van bacteriën met CRISPR voor de yoghurtfabriek .

De afkorting

Waar staat CRISPR-Cas nu voor? Deze Engelstalige afkorting staat voor: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. In iets meer gewone-mensen-taal, CRISPR zijn stukken DNA (Clustered) met een bijzondere lettervolgorde die zijn gevonden in bacteriën. Deze clusters bestaan uit twee type stukken DNA, die elkaar herhaald afwisselen (Repeats) . Ten eerste stukken willekeurige DNA letters, maar wel een met een vaste lengte (Regularly Interspaced) van zo’n 20 letters lang, het DNA-alfabet heeft 4 verschillende letters, A, C, G en T. Tussen die willekeurige stukjes zit altijd een stukje met precies dezelfde letters, die dan ook nog eens palindromisch zijn. Palindromisch betekent dat als je de letters omdraait je nog steeds hetzelfde leest, bijvoorbeeld ACGGCA in DNA-taal. In het Nederlands hebben we ook palindromische woorden, denk aan ‘lepel’ of ‘meetsysteem’.

De willekeurige stukken van 20 letters zijn het belangrijkste. Zij hebben dezelfde letters als de stukken in het DNA van het virussen. In de bacterie kunnen speciale kopieën van stukjes DNA worden gemaakt, dit noemen we RNA-moleculen. Deze RNA-stukken zijn geen exacte kopie van het DNA, maar een soort omgekeerde code, zoals een negatief bij een ouderwetse foto. Dit RNA-negatief kan goed binden met het positief, ofwel het DNA. De variabele stukjes CRISPR-RNA, negatieve kopieën dus van het CRISPR-DNA, kunnen heel precies binden met het virus-DNA. Als dit gebeurt komen de Cas-eiwitten op die plek in actie om het virus-DNA te knippen.

En wat doen die palindromische stukken dan? Als er een RNA-kopie wordt gemaakt van het CRISPR-DNA zitten deze stukken ook nog tussen de variabele stukken in. En RNA-moleculen bestaan in tegenstelling tot dubbelstrengs-DNA maar uit een streng. En die strengen RNA kunnen als ze spiegelbeeld stukken hebben, zoals in de palindromen, met zichzelf binden. Bij de palindromen worden daardoor een soort haarspelden of haakjes gevormd. Deze zijn belangrijk voor sommige Cas-eiwitten om de variabele stukjes te herkennen en allemaal los van elkaar te gaan knippen.

Dan kunnen al deze variabele stukjes samen met de Cas-eiwitten vervolgens allemaal los gaan speuren naar hun bijbehorende virussen. Door ze eerste los te knippen kunnen vele Cas-eiwitten elk met hun eigen stukje variabele RNA, ofwel navigatiesysteem, snel hun bijbehorend virus-DNA zoeken en dit om zeep helpen.

Reageer