Weg met gebreken in je genen

Twee Chinese meisjes leven al sinds 2018 met foutjes in hun DNA, veroorzaakt door een experiment met de gentechniek CRISPR. Nu maken drie nieuwe tools een veiliger, gloednieuw tijdperk van genetische manipulatie mogelijk.

Twee Chinese meisjes leven al sinds 2018 met foutjes in hun DNA, veroorzaakt door een experiment met de gentechniek CRISPR. Nu maken drie nieuwe tools een veiliger, gloednieuw tijdperk van genetische manipulatie mogelijk.

Claus Lunau & Shutterstock

Genetisch gemanipuleerde mensen. Nog maar een paar jaar geleden was dat pure sciencefiction. Nu is het de realiteit, dankzij CRISPR: een simpele gentechniek die in razend tempo een grote wetenschappelijke revolutie ontketende.

CRISPR bestaat uit een soort moleculaire schaar, die geprogrammeerd kan worden om een bepaald gen op te zoeken, door te knippen en ons DNA zodoende permanent te veranderen.

De techniek is ontstaan in 2012, en nu al zijn er jaarlijks duizenden wetenschappelijke onderzoeken en patentaanvragen. Daarmee is de hoop geboren om genetische ziekten te kunnen genezen.

Maar het gentechnologische wonder is iets te hard van stapel gelopen. De veelbelovende resultaten zorgden er in 2018 voor dat een Chinese onderzoeker de techniek ging testen op menselijke embryo’s.

Er werd een tweeling geboren met eigenschappen die ze oorspronkelijk niet hadden. De tweeling is ook meteen het levende bewijs dat de techniek nog grote, mogelijk levensbedreigende gebreken heeft.

De populaire gentechniek CRISPR verandert DNA en wordt bestempeld als toekomstig wonder­middel tegen erfelijke ziekten, maar de techniek is nu nog onnauwkeurig en foutgevoelig.

© Shutterstock

Genschaar knipt het DNA doormidden

CRISPR maakt gebruik van het enzym Cas9 en een korte sequentie van RNA die het enzym naar de gewenste plek in het DNA brengt, waarna het enzym de DNA-streng doormidden knipt.

© Shutterstock

Onderzoekers verliezen de controle

De cel kan de breuk zelf herstellen door DNA-basen toe te voegen of te verwijderen, en zo de streng aan elkaar te lijmen. Het is wel foutgevoelig; onderzoekers hebben weinig controle.

Ondanks de problemen wordt CRISPR nog steeds op mensen getest, en onderzoekers werken daarom hard om de techniek te verbeteren, zodat proefpersonen geen schade in hun DNA krijgen.

Er zijn nu drie verbeteringen die CRISPR weer op het rechte pad moeten brengen.

Dodelijk wapen bleek een succes

CRISPR, ofwel Clustered Regularly Inter­spaced Short Palindromic Repeats, is geen nieuwe uitvinding. Bacteriën gebruiken het systeem al miljoenen jaren als effectief wapen tegen virussen.

Dit wapen valt de indringer aan door zijn DNA in stukken te knippen. Al in 1987 zijn er elementen van CRISPR ontdekt, maar pas 25 jaar later werd duidelijk hoe groot het potentieel is.

In 2012 zijn biochemicus Jennifer Douda en microbioloog Emmanuelle Charpentier er als eersten in geslaagd het bacteriële wapen op genen toe te passen.

3917 wetenschappelijke studies over CRISPR werden in 2018 gepubliceerd.

CRISPR bestaat uit een enzym dat in het DNA knipt en een stukje RNA dat het enzym naar een bepaalde DNA-sequentie kan loodsen. Met behulp van het RNA-stukje zorgen onderzoekers ervoor dat het enzym in het juiste gen knipt.

Een jaar later, in 2013, ontwikkelde de biochemicus Feng Zhang de techniek verder, zodat het in zekere mate mogelijk werd om een nieuwe, kunstmatige DNA-sequentie in te voegen in het DNA.

Deze nieuwe functie wordt echter lang niet altijd gebruikt – onder andere omdat de veiligheid nog niet zeker is. Daarom laten onderzoekers het meestal nog aan de cellen zelf over om het gat te
repareren en het gen te veranderen.

Wetenschappers begonnen al gauw op planten en dieren te testen. In 2014 genazen Amerikaanse onderzoekers zieke muizenjongen van de stofwisselingsziekte tyrosinemie door in levercellen het gen Fah aan te passen.

Datzelfde jaar veranderde een ander team het PDS-gen van sinaasappels, waardoor ze kunnen sturen hoe het fruit rijpt.

CRISPR brengt permanente veranderingen in het DNA aan, en eventuele foutjes zijn voor altijd. Een nieuwe techniek omzeilt dat probleem door de genen aan te passen zonder het DNA ook maar aan te raken.

© Shutterstock

Genetische code gekopieerd naar RNA

De cel maakt van het DNA in een gen RNA, en daarna een eiwit. Het aflezen van het gen SCN9A leidt tot de vorming van het eiwit NaV1.7, dat helpt om pijn te voelen.

© Shutterstock

Enzymen worden naar RNA-sequentie geleid

Onderzoekers koppelen de enzymen Cas13 en APOBEC1 en geven ze een stukje RNA. Dat leidt de enzymen naar de RNA-sequentie die het eiwit NaV1.7 aanmaakt.

© Shutterstock

Scalpel verandert de ene letter in de andere

De enzymen stellen zich dicht bij de RNA-sequentie op en het enzym APOBEC1 snijdt nu in een van de RNA-basen, zodat een van de letters in de code van C naar U verandert.

© Shutterstock

Nieuwe code geeft pijnloos eiwit

De cel zet de veranderde RNA-code om naar een eiwit, maar de verandering in het RNA betekent dat het eiwit ook is veranderd – en het nieuwe eiwit remt pijnsignalen.

CRISPR was meteen zo’n groot succes, dat Chinese onderzoekers al in 2016 de stap zetten naar menselijke proefpersonen. Ze namen immuuncellen van kankerpatiënten, veranderden de genen van de cellen in het laboratorium en brachten ze weer bij de patiënten in.

Het onderzoek wees uit dat de gemodificeerde cellen ongevaarlijk waren, maar of het echt effectief is, is nog de vraag.

Deze eerste poging op mensen was een enorme stap, maar ook een voorzichtige. CRISPR werd buiten het lichaam in cellen geïnjecteerd – dus niet rechtstreeks in de patiënt – en slechts een klein deel van de cellen onderging een DNA-verandering.

CRISPR maakt fouten bij baby’s

Van voorzichtigheid was geen sprake meer, toen de Chinese biofysicus He Jiankin voor het eerst volledig genetisch gemodificeerde baby’s maakte.

Hij wilde kinderen maken die resistent waren voor het hiv-virus. Met behulp van CRISPR wilde hij bevruchte eicellen van een donor een bepaalde mutatie maken laten in het gen CCR5.

De mutatie komt bij sommige mensen – vooral Europeanen – van nature voor en biedt volledige of gedeeltelijke bescherming tegen hiv. He Jiankui startte begin 2018, en in oktober werden ’s werelds eerste genetisch gemodificeerde kinderen geboren – een twee-eiige meisjestweeling.

Overal op aarde waren onderzoekers geschokt. He Jiankui kreeg wegens onethisch onderzoek drie jaar gevangenisstraf, en zijn studie werd nooit gepubliceerd.

Uit gelekte informatie blijkt echter dat de onderzoeker misschien wel nooit zijn doel had behaald: de tweeling resistent maken tegen hiv.

Onderzoeker He Jiankui creëerde met behulp van crispr in 2018 de eerste genetisch gemanipuleerde kinderen ter wereld.

© Shutterstock

CRISPR-tool werkte niet zoals verwacht, en in plaats van de gewenste mutatie, kregen de meisjes andere mutaties in CCR5, met een nog onbekend effect.

De gentechnologie heeft ook ten minste één andere extra mutatie veroorzaakt op een andere plek in het DNA. Sommige onder­zoekers denken dat He Jiankui meerdere andere mutaties in het DNA van de tweeling over het hoofd heeft gezien.

He Jiankui kan door een fout schadelijke mutaties hebben aangebracht in hun lichamen – ook in de geslachtscellen, die misschien ooit doorgegeven worden aan hun eigen kinderen.

Hoop op een gunstige mutatie

De zaak met de babytweeling heeft de tekortkomingen van CRISPR blootgelegd en het eerdere enthousiasme iets gedempt, maar onderzoekers hebben al een sterk vermoeden wat er mis is gegaan.

De meest uitgebreide versie van CRISPR maakt gebruik van een enzym met de naam Cas9, die afkomstig is van de bacterie Streptococcus pyogenes. Cas9 knipt het DNA doormidden, zodat er twee losse eindjes met een gladde snijrand ontstaan. De rechte eindjes zijn een uitdaging, als de cel na de knip de schade probeert te herstellen.

Deels lukt hem dit door de losse eindjes te verbinden met andere stukken DNA, die ook een gladde snijrand hebben, zodat er nieuwe, onverwachte combinaties van DNA-sequenties worden gevormd, en deels moet de cel DNA-basen uit de losse eindjes verwijderen of er nieuwe basen aan toevoegen, zodat ze beter aan elkaar gelijmd kunnen worden.

Het resultaat is een veranderd DNA waar de onderzoekers geen controle meer over hebben.

Eigenlijk moeten ze dus altijd maar hopen dat ze de gewenste mutatie bereiken. De succesratio hangt af van de gewenste veranderingen, maar over het algemeen lukt het maar bij een paar procent van de behandelde cellen.

18 patiënten met de afwijking LCA10 krijgen nu CRISPR in hun oog geïnjecteerd.

Een lage succesratio is acceptabel als de cellen in een laboratorium behandeld worden en de goede cellen eruit kunnen wordt gepikt.

Het wordt wel problematisch als CRISPR rechtstreeks bij een patiënt met een genetische ziekte wordt ingebracht. De lage succesratio kan dan een werkelijk effect verhinderen.

In combinatie met het risico op onbedoelde mutaties op andere plekken zou een behandeling dus in principe meer kwaad dan goed kunnen doen.

CRISPR wordt nu getest op patiënten met een bepaald type erfelijke blindheid: LCA10. De behandeling moet een fout in de genen herstellen, zodat de patiënten kunnen zien.

© Caters/Ritzau Scanpix

Nieuwe CRISPR knipt voorzichtig

Gelukkig werken onderzoekers hard om de ergste tekortkomingen van de techniek te verhelpen. Een grote doorbraak is te danken aan de scheikundige David Liu, die een veel nauwkeurigere variant van CRISPR heeft
ontwikkeld, prime editing geheten.

Liu’s techniek maakt gebruik van een nieuwe versie van het enzym Cas9, die het DNA niet helemaal doormidden knipt, maar beide strengen apart.

Zo creëert prime editing, in tegenstelling tot de traditionele CRISPR, niet twee losse eindjes, die zich onbedoeld kunnen samenvoegen met andere stukjes DNA.

Daarnaast bevat het Cas9-enzym een werktekening voor een nieuwe DNA-sequentie voor het gen, en een enzym dat met behulp van die tekening de nieuwe DNA-sequentie kan bouwen.

Als laatste stap knipt Cas9 in het DNA ook de andere streng door, zodat de gewenste verandering ook daarin wordt doorgevoerd.

Oorspronkelijk knipte CRISPR het DNA doormidden en moest de cel de stukjes zelf weer aan elkaar zetten en de fouten repareren. Een nieuwe variant van CRISPR, prime editing, maakt slechts één knip en implementeert dan de reparatie direct in het gen.

© Shutterstock

Genschaar maakt knip in het gen

Een nieuwe versie van de genschaar, Cas9, is uitgerust met een lange RNA-sequentie. Daar hebben onderzoekers onder andere een element ingezet dat de schaar naar de te veranderen plek in het gen loodst. De genschaar maakt een knip in het gen, maar anders dan in de oude versie wordt het DNA niet helemaal doormidden geknipt. Nu knipt de schaar slechts één DNA-streng door.

© Shutterstock

Enzym print nieuw DNA in het gen

De RNA-sequentie bevat ook een werktekening van hoe de gewenste DNA-sequentie getekend moet worden. De nieuwe sequentie wordt direct in het gen geprint, met behulp van het enzym Reverse Transcriptase (RT), dat gekoppeld is aan de genschaar.

© Shutterstock

Tweede streng krijgt kopie van de aanpassing

Een derde element in de RNA-sequentie leidt de genschaar naar de andere kant van het gen voor een knip in de tweede DNA-streng. Als dat gebeurd is, zorgt de cel er zelf voor dat de ingevoegde DNA-sequentie uit de eerste streng gekopieerd wordt. Daarna bevatten beide strengen dezelfde gewenste sequentie.

© Shutterstock

Verandering in het lichaam is permanent

Het gen bevat een hele nieuwe sequentie van DNA-basen die de cel kunnen beïnvloeden – en misschien wel het hele lichaam. De ingreep kan bijvoorbeeld mutaties die ziekten veroorzaken, herstellen. De nieuwe sequentie wordt na celdeling overgebracht op de nieuwe cellen, dus de verandering is permanent.

In 2019 liet David Liu zien hoe hij met prime editing een simpele DNA-base kon vervangen met een succesratio van bijna 55 procent.

Bovendien wist hij het systeem zo te ontwerpen dat het hele DNA-sequenties kon verwijderen of invoegen, en dat met een succes­­­ratio van wel 78 procent.

Liu’s techniek wordt al gebruikt door andere wetenschappers. In 2020 g­ebruikten Nederlandse onderzoekers de methode om genetische fouten in kleine stukken ziek weefsel in een laboratorium te herstellen.

De onderzoekers hadden als doel om drie extra DNA-basen aan het gen DGAT1 toe te voegen, en daarmee de oorzaak van een ernstige erfelijke vorm van diarree, die het bijna onmogelijk maakt om voedingsstoffen uit voedsel te halen, te verhelpen.

Genmanipulatie zonder genen

Het risico dat CRISPR permanente schade in het DNA veroorzaakt, kan ook verlaagd worden op een geheel andere manier: door genetische manipulatie buiten het gen om.

De genen fungeren als werktekeningen voor nog te vormen eiwitten, en het doel bij genmanipulatie is uiteindelijk meestal om het eiwit te veranderen.

In 2017 ontwikkelde de biochemicus Feng Zhang een variant van CRISPR die erin slaagt het eiwit te veranderen in de stap tussen het aflezen van het gen en de vorming van het eiwit.

Als de cel een eiwit aanmaakt, zet hij eerst het gen in kwestie over naar een RNA-sequentie, die daarna de instructies van het gen doorgeeft aan de eiwitfabriek van de cel.

1303 patentverzoeken met CRISPR werden in 2017 wereldwijd geregistreerd.

Feng Zhangs nieuwe techniek pakt de RNA-sequentie, in plaats van het gen zelf, maar bereikt hetzelfde resultaat.

Het voordeel is dat RNA, in tegenstelling tot DNA, voortdurend wordt afgebroken, dus als de behandeling stopt, verdwijnen de veranderingen en zal er geen permanente schade zijn.

Deze methode is voor behandelingen bedoeld waarbij er slechts tijdelijk een verandering in de eiwitten van de cellen nodig is, zoals bij hoofdpijn; de eiwitten die bij pijnsignalen betrokken zijn, kunnen tijdelijk buiten werking worden gesteld.

Een derde nieuwe variant van CRISPR verandert niets aan het DNA of de RNA-sequenties.

Het verwijdert methylgroepen – kleine moleculen die vastzitten aan het DNA en voorkomen dat een gen wordt overgezet naar RNA en eiwit. Een blokkade van methylgroepen kan ziektes veroorzaken, en door het te verwijderen kunnen de onderzoekers die behandelen.

CRISPR herstelt fouten in het DNA, maar niet alle genetische ziektes komen door fouten in de genetische code. Mensen met het Fragiele X-syndroom hebben een foutloos FMR1-gen, maar dat werkt niet naar behoren vanwege een moleculaire blokkade. Een nieuw type CRISPR kan die opheffen.

© Shutterstock

Ongewenste moleculen schakelen gen uit

Bij het Fragiele X-syndroom, dat de ontwikkeling remt, wordt het FMR1-gen geblokkeerd door methylgroepen, waardoor het gen wordt uitgeschakeld en de cel niet het voor het coderen benodigde eiwit kan aanmaken.

© Shutterstock

Gefuseerd enzym spoort ziek DNA op

Onderzoekers brengen een gemodicifeerd CRISPR-werktuig in in de cellen, bestaande uit een stukje gids-RNA, dat het FMR1-gen opspoort, en een inactief Cas9-enzym, gekoppeld aan een ander enzym: TET1.

© Shutterstock

Scherp mes ruimt blokkade uit de weg

Het enzym TET1 verwijdert de methylgroepen uit het gen. Als het gen is opgeruimd, kan de cel de genetische code weer aflezen en het eiwit aanmaken, zodat dit zijn gewone opdracht in de cel weer kan uitvoeren.

De methode is in het lab al gebruikt om methylgroepen uit het gen FMR1 te verwijderen. De blokkade van dat gen kan het fragiele X-syndroom veroorzaken – een aandoening die onder andere de ontwikkeling kan remmen.

De methode heeft echter nog een veel groter potentieel. Methylgroepen spelen bij veel aandoeningen een belangrijke rol, en de verwijdering ervan biedt mogelijkheden voor behandelingen die met traditionele CRISPR volkomen ondenkbaar waren.

CRISPR in het oog geïnjecteerd

De wedloop om CRISPR te verbeteren moet hard gaan, want de techniek wordt steeds vaker op mensen getest.

In maart 2020 begon een Amerikaanse oogarts aan een experiment waarbij hij CRISPR achter het netvlies van de ogen van patiënten met een type erfelijke blindheid genaamd Leber congenital amaurosis (LCA10), injecteerde.

De aandoening wordt veroorzaakt door een aangeboren mutatie in het gen CEP290.

CRISPR moet de mutatie uit het gen knippen en de hoop is dan dat de patiënt weer kan zien. De methode bleek succesvol bij muizen, maar er zijn nog geen testresultaten van experimenten op mensen.

Hopelijk werkt het, maar er is een reëel risico dat er nieuwe, ongewenste mutaties bij de patiënten ontstaan – net als bij de tweeling van He Jiankui.