Zou een nieuwe “verbazingwekkende” doorbraak kunnen helpen bij de behandeling van de ziekte van Huntington?

De afgelopen dagen was er een stortvloed aan nieuwsberichten over een nieuwe technologie, genaamd CRISPR, waarvan wordt gezegd dat deze mogelijk toepasbaar is bij de ziekte van Huntington. Is deze nieuwe techniek zo cool als het klinkt? Mogelijk – maar zoals altijd is de waarheid ingewikkelder dan de krantenkoppen suggereren.

Het ZvH-gen, en het stilleggen ervan

De ziekte van Huntington is een genetische aandoening, wat betekent dat elke ZvH-patiënt een ‘gemuteerde’ kopie van een specifiek gen van een van hun ouders heeft geërfd. We noemen het gen waarin deze mutatie voorkomt nu het ‘ZvH-gen’.

Alle mensen hebben twee kopieën van dit ZvH-gen, en de meeste mensen ontwikkelen de ziekte van Huntington niet. Alleen wanneer een specifieke verandering in de DNA-volgorde van het ZvH-gen optreedt, ontwikkelen mensen symptomen van ZvH. De specifieke mutatie die ten grondslag ligt aan alle gevallen van ZvH is een uitbreiding van 3 letters van de DNA-code, een herhalende reeks van de genetische letters C-A-G, nabij het ene uiteinde van het ZvH-gen.

Normaal gesproken worden genen door cellen gebruikt als een soort recept dat hen vertelt hoe ze een eiwit moeten bouwen. Dit gebeurt met het ZvH-gen, dus we hebben ook het ZvH-eiwit – huntingtine – waarvan wetenschappers denken dat het eigenlijk alle cellulaire disfunctie en dood bij ZvH veroorzaakt.

Wetenschappers en families die betrokken zijn bij de ziekte van Huntington zijn enthousiast over een therapeutische benadering genaamd gen-uitschakeling. Gen-uitschakeling is gebaseerd op het feit dat cellen DNA niet direct omzetten in eiwit, maar in een soort ruwe kopie die gemaakt is van een chemische stof genaamd RNA. Gen-uitschakeling benaderingen richten zich op dit RNA-bericht – door het in stukjes te knippen, en daardoor de cel te verhinderen het ZvH-eiwit te maken.

Klinkt goed, toch? Het is een goed idee, en HDBuzz is net zo enthousiast als ieder ander over gen-uitschakeling benaderingen, die snel op weg zijn naar klinische proeven. Maar scherpe lezers hebben misschien iets opgemerkt. Zelfs als gen-uitschakeling werkt, verandert het niet het DNA, wat betekent dat elke cel van een ZvH-mutatiedrager nog steeds het gemuteerde ZvH-gen heeft – het is alleen gestopt met het maken van gemuteerd eiwit.

Uitschakelen vs. bewerken

Wat als we het DNA van patiënten met de ziekte van Huntington daadwerkelijk zouden kunnen bewerken en de mutatie helemaal zouden kunnen verwijderen? Tot voor kort zou dit als een gek idee hebben geklonken. Wetenschappers zijn geneigd te denken dat iemands verzameling genen, of ‘genoom’, vastligt vanaf het moment van conceptie tot het moment van overlijden. Zeker, mutaties treden op gedurende het leven – dat is hoe kanker ontstaat – maar deze zijn eerder geneigd te schaden dan te helpen, en onze cellen hebben krachtige DNA-reparatiemechanismen om ze te herstellen.

Heel recent zijn wetenschappers genetische trucs gaan stelen van microscopische bacteriën. Deze beestjes zijn voortdurend in oorlog met elkaar en hebben efficiënte DNA-kniptrucs ontwikkeld als wapens in die bacteriële oorlogsvoering. Wetenschappers ontdekten dat we deze bacteriële wapens kunnen ‘lenen’ om elke DNA-sequentie die ze willen in het lab te knippen.

Deze hulpmiddelen hebben nu een verwarrende reeks namen, waaronder ‘zinkvingersnucleasen (ZFN’s)’, ‘Transcriptie activator-achtige effector nucleasen (TALEN’s)’ en ‘Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)’. De essentie is dat ze allemaal kunnen worden gebruikt om DNA op een specifieke doelsequentie te knippen.

In wezen stellen hulpmiddelen zoals TALEN’s en CRISPR wetenschappers in staat om DNA te bewerken – ongewenste delen eruit te knippen en gewenste delen in te voegen, net zoals bij het gebruik van een tekstverwerker om een lelijke alinea op te knappen. Hoewel wetenschappers al lang in staat zijn om DNA in een gebroken streng te ‘plakken’, ontbraken hen de hulpmiddelen om het DNA te ‘knippen’ waar ze maar wilden. Nu hebben ze die.

Het voor de hand liggende om te doen, tenminste in het geval van de ziekte van Huntington, is om enkele van de extra kopieën van de C-A-G herhaling die de ziekte veroorzaken, weg te knippen. Een andere mogelijkheid is om de bewerkingshulpmiddelen te gebruiken om een deel van het gemuteerde ZvH-gen weg te knippen, waardoor het onzin wordt die nooit in een eiwit wordt omgezet.

De nieuwste, en momenteel meest besproken, DNA-bewerkingstechnologie wordt CRISPR genoemd. Met de CRISPR-aanpak kunnen wetenschappers een knipcomplex overal in iemands DNA sturen en een zeer precieze knip maken.

Als dit bekend klinkt, komt dat omdat het een zeer vergelijkbare aanpak is als zinkvingersnucleasen (ZFN’s), waarover we eerder hebben geschreven op HDBuzz. Het verschil tussen CRISPR’s en ZFN’s is dat het richtende onderdeel van ZFN’s omvangrijk is en kunstmatig in het lab wordt geconstrueerd, terwijl CRISPR’s preciezer worden gestuurd met behulp van kleine stukjes RNA, hopelijk voor een specifiekere targeting.

CRISPR’s te hulp?

CRISPR haalde onlangs de krantenkoppen omdat de Britse krant The Independent een opiniestuk had besteld bij Nobelprijswinnaar en geneticus Craig Mello, die de techniek in zijn lab is gaan gebruiken. Wetenschappers bestuderen CRISPR al sinds ten minste 2007. Wat de afgelopen paar jaar is veranderd, is dat CRISPR steeds geavanceerder is geworden als hulpmiddel voor het manipuleren van genen in het lab.

Er zijn verschillende mogelijke toepassingen van deze CRISPR-technologie, of eigenlijk elke ‘genoom-bewerkingsbenadering‘. Ten eerste is het mogelijk om zeer vroege embryo’s te behandelen, of zelfs bevruchte eicellen, die in een schaaltje in een vruchtbaarheidskliniek groeien. Met dit soort benadering is het technisch mogelijk om baby’s te produceren zonder gemuteerde ZvH-genen, en dus zonder de ziekte van Huntington.

Hoewel spannend, is dit al mogelijk met eenvoudigere technieken zoals pre-implantatie genetische diagnostiek, die vertrouwt op een eenvoudige genetische screening om embryo’s te identificeren die de ZvH-mutatie dragen. Genoombewerking zou dit een stap verder brengen, en het defect daadwerkelijk corrigeren, in plaats van er alleen maar op te screenen.

Een andere spannende mogelijke toepassing van deze technologie zou zijn om de hersenen van volwassen ZvH-mutatiedragers te behandelen met iets als CRISPR, waarbij hun gemuteerde ZvH-gen wordt gericht op correctie. Dit gebruik is degene die zoveel speculatie in de pers heeft veroorzaakt – zouden we deze nieuwe genoom-bewerkingshulpmiddelen kunnen gebruiken om het werkelijke defect te corrigeren dat genetische ziekten, zoals ZvH, veroorzaakt?

Wat gebeurt er al?

In feite zoals we in 2012 rapporteerden, is het testen van genoombewerking voor de ziekte van Huntington al in volle gang! Een bedrijf genaamd Sangamo Biosciences werkt samen met CHDI Foundation, Inc. om zinkvingersnucleasen te ontwikkelen als therapieën voor ZvH. Ze hebben al ZFN’s ontwikkeld die specifiek binden en knippen nabij de uitgebreide C-A-G-reeks in het ZvH-gen, wat resulteert in de onderbreking van ZvH-genexpressie.

Deze week presenteerde Sangamo op de bijeenkomst van de Society for Neuroscience in San Diego, CA, de nieuwste resultaten met ZFN’s gericht op het ZvH-gen. Sangamo’s huidige inspanningen richten zich op het stilleggen van het gen, in plaats van het direct te bewerken. Voor het eerst beschreven ze werk dat suggereerde dat hun ZFN’s gunstig waren in een muismodel van ZvH. In hun persbericht staat dat “in de met ZFP Therapeutic behandelde gebieden van de hersenen van de dieren, wetenschappers een vermindering van gemuteerde huntingtine-eiwitaggregaten waarnamen”. Ze gaan verder met te zeggen dat muizen die op deze manier werden behandeld, enkele verbeteringen vertoonden in gedragsmatige tekenen van de ziekte.

Wat is hoop en wat is hype?

Genoom-bewerkingstechnologieën zoals CRISPR en ZFN’s behoren tot de meest opwindende laboratoriumvooruitgangen van de laatste jaren. Hun potentiële gebruik in zowel het lab als de kliniek is waarschijnlijk enorm, maar we moeten de beperkingen van hun gebruik bij de ziekte van Huntington in overweging nemen.

De belangrijkste beperking voor het gebruik van CRISPR en verwante genoom-bewerkingsbenaderingen is aflevering, aflevering, aflevering. Omdat deze therapieën gebaseerd zijn op grote eiwitten, zijn het niet het soort medicijnen dat je in een pil kunt innemen: ze moeten in de hersenen worden afgeleverd met behulp van injecties, verpakt in virussen, of soortgelijke technologie.

Als je bijvoorbeeld terugkijkt naar het persbericht van Sangamo over ZFN’s in ZvH-muismodellen, zijn ze voorzichtig met te stellen dat er een verbetering was van aggregaten in “ZFP Therapeutic-behandelde gebieden van de hersenen van de dieren”. Dit is waarschijnlijk een klein deel van de muizenhersenen, wat een zeer klein deel van de menselijke hersenen zou zijn – tenzij we de afleveringstechnologie drastisch kunnen verbeteren.

Dit type therapie waarbij een gen wordt afgeleverd aan de weefsels van patiënten wordt gentherapie genoemd. Elke gentherapie voor ZvH zal hersenoperatie vereisen om het virus in de hersenen te krijgen, en zal dan alleen verspreiden naar een klein stukje hersenweefsel, althans met de bestaande technologie.

Hoewel de nieuwere CRISPR-techniek de dingen enigszins gemakkelijker en preciezer zou kunnen maken, komt het niet in de buurt van het oplossen van het afleveringsprobleem.

Dankzij deze afleveringsproblemen zal het een lange weg zijn om gentherapie te laten werken voor neurodegeneratieve ziekten. Bij de ziekte van Huntington hebben we ook het probleem dat we het medicijn mogelijk aan de hele hersenen moeten afleveren om alle symptomen van ZvH te verhelpen, niet alleen kleine stukjes ervan. Dit zal waarschijnlijk relatief gemakkelijk blijken in een muis, waarvan de hersenen minder dan een halve gram wegen, maar zal veel moeilijker zijn bij mensen, waarvan de hersenen ongeveer 1300 gram wegen.

Voor patiënten met de ziekte van Huntington blijven deze nieuwe technologieën een interessante labtechniek – en zeker de moeite waard om na te streven – maar totdat iemand aantoont dat ze genoeg van de hersenen kunnen bereiken om een verschil te maken, zullen ze de sprong naar menselijk gebruik niet maken. Het repareren van de genomen van mensen met genetische ziekten kan echter wel eens een standaardbehandeling worden in de toekomst, en het is erg spannend om de eerste stappen op die lange weg te zien.

Meer informatie

• HDBuzz artikel dat succesvolle genoombewerking beschrijft in een muismodel van hemofilie
• HDBuzz artikel dat genoombewerking met zinkvingerucleases beschrijft.
• HDBuzz artikel over preïmplantatie genetische diagnostiek – een manier om kinderen te krijgen zonder het risico op HD
• Het artikel van The Independent over de CRISPR-techniek
• 2013 Nature Biotechnology artikel over het gebruik van de CRISPR-techniek voor genoombewerking. (volledig artikel vereist betaling of abonnement)