De harpoen boort zich in de huid van de witte haai. Hij spartelt angstig, maar net zo snel als de harpoen zich in de haai heeft geboord, wordt hij weer teruggetrokken.
Op de boot, die de witte haai de afgelopen dagen voor de kust van Californië heeft gevolgd, is het enthousiasme groot, want het beetje spier- en huidweefsel aan de harpoenpunt kan het laatste stukje van een puzzel zijn die wetenschappers wereldwijd al sinds 2007 proberen te leggen.
Het haaienweefsel wordt behoedzaam in een doos met vloeibare stikstof naar Nova Southeastern University in Florida vervoerd.
Hier heeft een team wetenschappers onder leiding van Nicholas J. Marra en Michael J. Stanhope de afgelopen twee jaar het weefsel onderzocht en het erfelijke materiaal, het genoom, van de witte haai in kaart gebracht.
Het laatste puzzelstukje dook op bij de Californische kust en werd in vloeibare stikstof naar Nova Southeastern University in Florida gebracht, waar het genoom werd opgetekend.
De witte haai of mensenhaai beschikt over spectaculaire eigenschappen, zoals een hoge zwemsnelheid, een lange levensduur, een goede genezing en, niet in de laatste plaats, een formidabele manier om kanker te voorkomen.
De wetenschappers hopen de genetische superkrachten van de witte haai te kunnen gebruiken, bijvoorbeeld bij het zoeken naar een kuur tegen kanker.
Witte haai omzeilt kanker
De haai domineert de zee al meer dan 400 miljoen jaar. De evolutie heeft dus zeeën van tijd gehad om het angstaanjagende roofdier te perfectioneren en zijn eigenschappen aan te scherpen. Dit is precies de reden waarom de wetenschap zo’n belangstelling voor de grote witte haai heeft.
Tot voor kort dachten we dat de gemiddelde levensduur van de witte haai 20 à 30 jaar was, zoals bij andere haaien, maar een onderzoek uit 2014 toont aan dat het dier 70 jaar oud kan worden.
Met zijn lange levensduur en enorme omvang zou de witte haai een voor de hand liggend doelwit van kanker moeten zijn, maar dit is geenszins het geval. Integendeel.
De haai heeft van de gewervelde dieren een van de laagste kankerpercentages, maar tot nu toe hebben de onderzoekers geen idee waarom. Het onderzoek naar het genoom van de haai kan ze veel wijzer maken.
Goede reuk met geurreceptoren
De reuk is het best ontwikkelde zintuig van de witte haai, want hij heeft in zijn neus een groot aantal geurreceptoren. Daarmee kan hij zelfs kleine hoeveelheden bloed op vele kilometers afstand ontwaren.
De haai wisselt zijn leven lang
De bek zit vol met 300 scherpe karteltanden in rijen, waarbij de voorste rijen het vlees van een prooidier uiteenrijten en de achterste opschuiven naar voren wanneer de voorste kapot zijn.
Grote wonden helen razendsnel
De haai kan zijn gekartelde schubben razendsnel vervangen. Zodra hij gewond raakt, treden er diverse processen in werking die het bloeden stelpen, infecties bestrijden en nieuwe schubben aanmaken.
Reuzenlever slaat energie voor lange reizen op
De lever maakt tot een kwart van het totale lichaamsgewicht uit en slaat bergen energie op. Dat is ook nodig, want de witte haai legt gedurende zijn leven meer dan 20.000 kilometer af.
Stabiel DNA gaat kanker tegen
Allerlei genen van de witte haai houden het DNA stabiel en beschermen tegen kankerverwekkende mutaties. Het grote aantal 'springende genen' kan een van de oorzaken zijn van het stabiele DNA.
Met zijn 4,36 miljard basenparen bleek dit genoom anderhalf keer zo groot als dat van de mens te zijn. Het bevat 24.520 genen, verdeeld over 41 chromosoomparen.
Dat is 18 paar meer dan bij mensen. In de natuur is zo’n groot genoom niet ongebruikelijk, want bepaalde varensoorten bijvoorbeeld hebben wel 600 chromosoomparen.
Maar het DNA van de witte haai had wel andere verrassingen in petto, zoals maar liefst 67 unieke varianten van genen.
Ongeveer een derde helpt het genoom stabiel te maken en biedt zo bescherming tegen beschadiging van het DNA, inclusief schade die kan leiden tot de vorming van kankercellen.
Genen verspringen tegen kanker
Ondanks het stabiele genoom heeft de witte haai een onevenredig groot aantal genen die zichzelf van hot naar her op de DNA-streng kopiëren. Het erfelijk materiaal van alle organismen bevat dergelijke ‘springende genen’.
Dit type genen produceert eiwitten die het gen kunnen kopiëren om het op een andere plek in het DNA aan te brengen. Het DNA van de witte haai verandert zo aan een stuk door, wat leidt tot vele van de mutaties die het dier boven aan de voedselketen in zee hebben geplaatst.
Springende genen stellen DNA fijn af
Mutaties zijn belangrijk in de evolutie, en de witte haai heeft miljoenen jaren de tijd gehad om zich naar de top van de voedselketen te muteren. Een groot deel van zijn genoom bestaat uit springende genen, die het DNA constant veranderen ten gunste van nieuwe eigenschappen.
RNA trekt weg
Een enzym in de celkern leest een springend gen af en vertaalt het in RNA. Dit wordt buiten de celkern gebracht en produceert daar de twee eiwitten ORF1 en ORF2.
RNA komt terug
Buiten de celkern hechten ORF1 en ORF2 zich vast aan het RNA en brengen het terug in de kern.
DNA kopieert het nieuwe RNA
In de celkern knipt ORF2 een gat in de ene DNA-streng. Dan plakt ORF1 zich aan de streng vast om de gegevens van het RNA naar een nieuwe plek in het DNA te kunnen kopiëren. Daarna dicht ORF2 de gaten in het DNA en wordt het RNA uit de celkern verwijderd.
Normaal gesproken houden springende genen verband met kanker – het DNA is vatbaarder voor mutaties als ze naar een nieuwe plaats in het genoom gaan.
Bij het in kaart brengen van het haaiengenoom is gebleken dat hij het grootste percentage springende genen heeft van alle gewervelde dieren: maar liefst 30 procent.
Ter vergelijking: de mens heeft maar zo’n 20 procent springende genen. Het zou dan ook logisch zijn als de witte haai vaak kanker ontwikkelde, maar paradoxaal genoeg is het tegendeel het geval.
Vanwege al die springende genen heeft de haai extra sterke varianten van stabiliserende genen moeten ontwikkelen om ze tegenwicht te kunnen bieden.
De vele springende genen hebben er waarschijnlijk toe geleid dat de haai nu zo veel unieke genvarianten heeft, die zijn genoom stabiel houden en het dier beschermen tegen de beschadiging van het DNA.
Door zijn krachtige genen is de witte haai dus juist een van de dieren geworden die het best beschermd zijn tegen kanker.
Stabiel genoom geeft lang leven
In het genoom ontdekten de onderzoekers ook een stel genen die speciaal ontwikkeld zijn voor het tegengaan of herstellen van DNA-schade, onder meer veroorzaakt door gif, straling of verkeerde celdelingen.
Een voorbeeld van een uniek gen bij de witte haai dat kankercellen tegenwerkt is CHEK2. Bij analyses is gebleken dat het dier bepaalde mutaties van dit gen heeft die niet voorkomen bij andere dieren waarmee de onderzoekers hem vergeleken.
Deze mutaties scherpen hoogstwaarschijnlijk het vermogen aan om het delen van cellen met DNA-schade en kankercellen te blokkeren.
De onderzoekers van Nova Southeastern University of Florida hebben het hele genoom van de witte haai, waar sinds 2007 aan gewerkt werd, nu helemaal in elkaar gepuzzeld.
Een ander voorbeeld is het gen SIRT7, dat het DNA helpt te repareren en onderhouden. Ondanks deze belangrijke rol is SIRT7 ook vaak betrokken bij kanker. Dat komt doordat een verhoogde activiteit van dit gen kankercellen juist kan stimuleren.
Bij mensen is een zeer actief SIRT7 betrokken bij kanker in onder meer de longen, borsten, baarmoeder en lever, terwijl een lage activiteit de groei van kankercellen tegengaat.
De bijzondere SIRT7-variant van de witte haai is mogelijk minder actief dan de normale SIRT7-genen en kan kanker er dan dus onder houden.
Gehavende haai geneest snel
De weerstand tegen kanker is echter niet veel waard als de haai zou doodbloeden na een schrammetje of een infectie, dus als hij niet tegen een stootje kon in het gevecht met andere roofdieren.
Maar het dier is een bikkel, wat in 2008 op macabere wijze bleek toen een witte haai bij de Zuid-Afrikaanse kust in aanraking kwam met een boot.
De schroef hakte een vleeswond in de rug van de haai van 25 bij 30 centimeter en 9 centimeter diepte. De onfortuinlijke haai werd de twee jaar daarna meerdere keren geobserveerd, en gedurende die tijd genas zijn wond geleidelijk, totdat er op het laatst niets meer van over was.
Zo’n grote wond zou de meeste dieren fataal zijn, maar de witte haai vervangt zijn gewonde schubben en behoudt dat vermogen zijn leven lang.
De genoomregistratie laat zien dat een aantal unieke genen helpt om bloedingen te stelpen, wonden te helen en nieuw weefsel te vormen.
Zo heeft de haai een bijzondere versie van het gen FGG, dat bloedingen snel en actief stopt. Een ander gen, VEGF, is bij de witte haai zelfs uitermate actief. Het zorgt ervoor dat er in het hele genezingsproces nieuwe bloedvaten worden gevormd.
Zodra dit proces in werking wordt gezet, trekken de kapotte bloedvaten zich samen. Daarna vormen zogeheten fibrinevezels een prop op de wond en begint het genezingsproces onder de wond.
Als eerste stromen er snel immuuncellen toe om infecties tegen te gaan. Vervolgens treedt er nog een uniek gen in werking: de wittehaaienvariant van het gen FGF.
Dit gen verzamelt een aantal belangrijke cellen, zogeheten fibroblasten, die een soort geneesheer-directeur spelen. Ze produceren collageen en elastine, twee eiwitten die het kapotte weefsel van het dier beginnen te repareren. Collageen is zowel een baksteen als een soort steiger.
Het eiwit herstelt het kapotte weefsel en geeft meteen andere eiwitten toegang tot de wond. En dit alles gebeurt gedurende 24 tot 48 uur nadat de witte haai gewond is geraakt.
Celprop geeft snelle genezing
Prop stelpt de bloedingen
Enkele seconden nadat de haai gewond raakt, snellen bloedplaatjes toe om het bloeden te stoppen. Een speciaal enzym daarin vormt fibrinevezels, die een prop voor de wond vormen en zodoende het bloeden stelpen.
Nieuw weefsel wordt opgebouwd
24 tot 48 uur na de verwonding hopen fibroblasten zich op. Deze verwijderen de fibrine en zorgen ervoor dat de schub en het bindweefsel rond de wond zich herstellen, waardoor de wond dichtgaat.
Nieuwe schub bedekt de wond
Als het weefsel hersteld en de wond opgevuld is, wordt de huid opgelapt met nieuwe schubben. Die zijn 30 tot 50 procent groter en vormen een onregelmatig patroon op de huid, die duidelijke littekens vertoont.
Afhankelijk van de grootte van de wond kan de genezing maanden – en soms zelfs jaren – duren. De witte haai houdt er wel wat aan over, want zijn nieuwe schubben vormen een veel chaotischer patroon en zijn stuk voor stuk groter dan de oude schubben, wat duidelijke littekens oplevert.
Kraakbeen remt kanker
Kenmerkend voor de strijd tegen kanker, infecties en wonden is dat er voor alle drie de aspecten een krachtig immuunsysteem nodig is, en de witte haai staat erom bekend dat zijn afweersysteem anders in elkaar zit dan dat van de meeste andere gewervelde dieren.
Het opvallendste verschil is dat de haai geen beenmerg heeft, waarin veelal de stamcellen zitten die belangrijke immuuncellen vormen.
Die taak is in plaats daarvan weggelegd voor kleine organen net onder de nieren van de witte haai. Het skelet is vervangen door kraakbeen, wat er sterk toe kan bijdragen dat de ontwikkeling van kankercellen en tumoren geremd wordt.
Uit onderzoeken is gebleken dat eiwitten in het kraakbeen van de haai de groei van kanker remmen door de aanmaak van bloedvaten te blokkeren, en tumoren kunnen alleen met nieuwe bloedvaten voeding binnenkrijgen.
Haai kan mensenlevens redden
De onderzoekers zijn met name enthousiast over het enorme potentieel van het DNA van de witte haai. De biomedische voordelen van het genoom kunnen leiden tot nieuwe behandelingen van kanker, diepe wonden en nog veel meer.
De haaiengenen kunnen ook inspireren tot nieuwe gentherapieën, waarbij genen van patiënten zelf zorgvuldig geselecteerde mutaties krijgen. Als die de genvarianten van de haai imiteren, krijgen patiënten dezelfde bescherming als de haai.
Maar al zijn gentherapieën veelbelovend, ze zijn ook omstreden. We weten immers nog niet wat het manipuleren van DNA op de lange termijn voor gevolgen zal hebben voor de patiënt. Het is dus waarschijnlijk nog even wachten op echte gentherapieën op basis van wetenschappelijk onderzoek.
Een eerste realistische stap wordt het produceren van haaieneiwitten, die wonden en kanker kunnen helpen behandelen en daarbij het DNA van de patiënt intact laten.
Artsen kunnen het snelle genezingsproces van de witte haai gebruiken en mogelijk de eigenschap overdragen op mensen om ook hun patiënten snel te laten herstellen.
De weg van een opgetekend genoom naar behandelingen voor menselijk gebruik is lang en onderzoekers verwachten dat het enkele jaren zal duren voordat er concrete therapieën zijn.
De evolutie heeft er immers ook meer dan 400 miljoen jaar over gedaan om van de haai een supervis te maken, terwijl wetenschappers nog maar net met het vakgebied bezig zijn.
Maar nu de DNA-kaart van de witte haai eindelijk is voltooid, is het aan de onderzoekers om aan de hand daarvan de verborgen schatten te vinden.