Belangrijke vooruitgang in de volgende generatie genoom-bewerkingstools voor de ziekte van Huntington

De afgelopen dagen is er een stroom aan nieuws verschenen over het gebruik van zogenaamde genoombewerking als een potentiële therapie voor genetische ziekten zoals de ziekte van Huntington. Deze benaderingen, waaronder exotisch klinkende tools zoals zinkvingersnucleasen en CRISPR/Cas9, verschillen van meer traditionele manieren om de impact van de HD-mutatie op cellen te verminderen. Wat is er nieuw in dit spannende onderzoeksgebied?

Huntingtine-verlagings opfrisser

Er is de laatste tijd veel opwinding geweest rond de vooruitgang van een nieuwe huntingtine-verlagende, soms gen-onderdrukkende behandeling genoemd, voor de ziekte van Huntington. De eerste van deze medicijnen die menselijke klinische proeven bereikt in HD, genaamd antisense oligonucleotiden (ASO’s), verminderen de hoeveelheid schadelijk mutant huntingtine-eiwit dat door een cel wordt aangemaakt en beperken uiteindelijk de schade die het kan veroorzaken.

Degenen die het hebben gevolgd, weten dat de eerste proef die de veiligheid van ASO’s bij menselijke HD-patiënten beoordeelt momenteel aan de gang is (http://en.hdbuzz.net/204), maar sommige lezers herinneren zich misschien ook dat ASO’s niet de enige speler in de stad zijn als het gaat om innovatieve manieren om het schadelijke huntingtine-eiwit te verminderen.

In feite hebben twee andere nieuwe therapeutische technieken, bekend als zinkvingersnucleasen en CRISPR, recentelijk wat opschudding veroorzaakt. Hoewel we beide benaderingen eerder hebben behandeld (http://en.hdbuzz.net/023), zal een snelle herhaling van hoe ze werken en de verschillen tussen hen nuttig zijn om enkele nieuwe bevindingen te begrijpen.

Je herinnert je waarschijnlijk uit je vroegste biologielessen dat je DNA een gedetailleerde set instructies biedt voor hoe je, nou ja, jou moet bouwen! Elke cel in je lichaam is een beetje als een bouwplaats, en je DNA is de hoofdblauwdruk met instructies om de meest basale bouwstenen (aminozuren genoemd) te nemen en om te zetten in functionerende eiwitten die bijdragen aan al je unieke kenmerken en ervoor zorgen dat alles in je lichaam soepel blijft lopen.

We noemen de DNA-instructies voor het bouwen van specifieke eiwitten genen, en we hebben elk twee kopieën van het gen voor het maken van een belangrijk eiwit dat huntingtine wordt genoemd. De symptomen die geassocieerd worden met de ziekte van Huntington treden op omdat een van deze sets genetische instructies een drukfout heeft ontwikkeld die ervoor zorgt dat het huntingtine-eiwit verkeerd wordt gebouwd. Bij de overgrote meerderheid van HD-patiënten leidt dit tot twee soorten huntingtine-eiwit – een mutant huntingtine-eiwit dat niet meer correct functioneert, en een gezond huntingtine-eiwit dat dat wel doet.

Laten we gaan bouwen…

In elk van de cellen in je lichaam wordt je DNA opgeslagen en beschermd diep in een locatie die de kern wordt genoemd, net als de hoofdblauwdruk voor een gebouw die door de bouwmanager in haar kantoor is opgesloten om te voorkomen dat deze wordt beschadigd.

Op een echte bouwplaats zou het erg traag en inefficiënt zijn als elke werker naar het kantoor van de bouwmanager moest reizen om dezelfde set instructies te gebruiken bij het bouwen, en zoals blijkt geldt hetzelfde voor onze cellen.

Om dit probleem te vermijden, wordt er een werkkopie van de instructies gemaakt die in plaats daarvan wordt gebruikt als sjabloon voor het bouwen van eiwitten. Deze werkkopie wordt boodschapper-RNA genoemd, of mRNA, en het wordt gekopieerd van het originele DNA en naar buiten gestuurd in de cel waar het wordt gebruikt om veel kopieën van hetzelfde eiwit(ten) op grotere schaal te bouwen.

Als ons DNA als de originele hoofdblauwdruk is, dan lijkt mRNA veel op de individuele kopieën van de blauwdruk die door de bouwmanager aan hun ploeg worden geleverd zodat ze efficiënt kunnen beginnen met bouwen. Dit lijkt misschien verwarrend, maar voor ons doel hoef je alleen de drie stappen te kennen die betrokken zijn bij het bouwen van een eiwit: DNA -> mRNA -> eiwit.

ASO’s, Zinkvingers, & CRISPR: Hetzelfde doel, verschillende middelen

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen het HD-gen in DNA en in mRNA omdat ze verschillend worden aangepakt door snel ontwikkelende Huntingtine-verlagende therapieën. Deze omvatten een dierentuin van verschillende technieken zoals ASO’s, zinkvingers, en een nieuwe aanpak genaamd CRISPR/Cas9. In de kern hebben al deze therapeutische technieken hetzelfde doel voor ogen – het verminderen van de hoeveelheid schadelijk mutant huntingtine-eiwit dat in een cel wordt geproduceerd – maar ze gaan op zeer verschillende manieren te werk om dit doel te bereiken.

Van de drie opties bestaan ASO’s het langst, wat je misschien niet zal verbazen aangezien ze als eerste zijn opgedoken om te worden beoordeeld bij menselijke HD-patiënten. ASO’s werken door cellen te vertellen de boodschapper neer te schieten, in dit geval het mRNA-tussenproduct dat de instructies van DNA draagt om een eiwit te maken. In een behandelde cel plakken ASO-medicijnen letterlijk aan het mRNA dat de instructies geeft voor het maken van het schadelijke mutante huntingtine-eiwit, en overtuigen ze de cel om het in stukken te hakken zodat het eiwit niet langer kan worden geproduceerd.

Veel wetenschappers en mensen in de HD-gemeenschap zijn erg enthousiast over de vooruitgang van ASO-therapie als behandelingsoptie voor HD, maar het feit blijft dat ASO-therapie niet de uiteindelijke oorzaak van HD aanpakt (het defecte HD-gen dat in het DNA van een persoon is gecodeerd) en blijft één stap verwijderd door het mRNA aan te pakken. Omdat het mutante gen nog steeds aanwezig is in het DNA, zouden mutant mRNA en eiwit blijven worden geproduceerd in ASO-behandelde cellen. Dit betekent, voor zover we het vandaag begrijpen, dat behandeling met ASO’s gedurende het hele leven zou moeten worden voortgezet.

In tegenstelling tot huntingtine-verlaging met behulp van ASO’s, zijn nieuwere technieken waaronder zinkvingersnucleasen en CRISPR/Cas9 beide een vorm van genoombewerkingstechnieken. Deze verbazingwekkende nieuwe tools stellen wetenschappers in staat om de uiteindelijke bron van het probleem in HD aan te pakken, het mutante DNA zelf. Deze tools stellen wetenschappers in staat om precies een specifieke locatie in het DNA te richten (zoals de instructies voor het maken van het huntingtine-eiwit), en vervolgens een aantal nuttige trucs uit te voeren.

Een van deze trucs die ze kunnen doen, is om te dienen als een soort stopbord voor de cel. Wanneer de machinerie die normaal gesproken DNA leest bij het mutante HD-gen aankomt, kunnen op de juiste manier ontworpen genoom-bewerkingstools ze afroepen – hen vertellen om hun werk niet te doen bij dat precieze gen. Dit resulteert erin dat er nooit mutant huntingtine mRNA of eiwit wordt gemaakt. Merk op dat dit anders is dan hoe ASO’s werken, die mRNA afbreken dat al is gemaakt.

Een belangrijke nieuwe genoom-bewerkingstool genaamd CRISPR/Cas9 heeft onlangs veel mensen erg enthousiast gemaakt. Deze tools, geleend van bepaalde bacteriesoorten die ze gebruiken als een soort immuunsysteem, stellen cellen in staat om vreemde DNA-sequenties in hun eigen DNA in te voegen. Echt slimme mensen namen die tools van bacteriën en hebben ze opnieuw ontworpen om wetenschappers in staat te stellen precieze sneden in DNA te maken op specifieke sequenties.

In theorie, en in het laboratorium, kunnen CRISPR-technieken worden gebruikt om specifieke DNA-sequenties te knippen zodat de cel een gen niet langer kan lezen. Ze kunnen ook worden gebruikt om cellen te instrueren om specifieke veranderingen aan te brengen in DNA-sequenties – zelfs, in theorie, het repareren van mutaties zoals degene die HD veroorzaken. Het aanpakken van de oorzaak van HD bij de wortel (het HD-gen) zou ervoor zorgen dat zowel het mutante huntingtine mRNA als het mutante huntingtine-eiwit niet langer worden gemaakt, en geen schade meer kunnen veroorzaken.

Veiligheid eerst!

Als je je afvraagt waarom we deze nieuwe tools niet al als medicijnen testen, is het omdat er veel moet gebeuren in de geneesmiddelenontwikkelingspijplijn om ervoor te zorgen dat het eindproduct zowel veilig als effectief is voordat het kan worden getest bij HD-patiënten.

Ten eerste moeten wetenschappers manieren vinden om deze medicijnen naar de hersenen te krijgen waar het mutante huntingtine-eiwit de meeste schade aanricht. Dit is moeilijk – onze hersenen zijn vooral goed in het buitenhouden van dingen die schadelijk kunnen zijn, en helaas gaan ze deze medicijnen geen vrijgeleide geven. Als we ze in een pil zouden stoppen of in ons bloed zouden injecteren, zou ons lichaam ze afbreken en nutteloos maken lang voordat ze de hersenen bereiken.

Aangezien ASO’s al wat langer bestaan, hebben wetenschappers wat extra tijd gehad om dit probleem aan te pakken, hoewel hun oplossing nog verre van perfect is. De ASO’s die in de menselijke HD-proef worden gebruikt, moeten worden geïnjecteerd in de vloeistof die de hersenen en het ruggenmerg omringt, de cerebrospinale vloeistof. We hebben alle reden om te geloven dat dit zal werken, maar het is duidelijk gecompliceerder dan gewoon een pil slikken.

Genoom-bewerkingstools zoals CRISPR en Zinkvingers zijn nog ingewikkelder om af te leveren dan hun ASO-tegenhangers. Dit komt omdat ze zelf eigenlijk eiwitten zijn, en die zijn moeilijk intact in cellen af te leveren.

Om dit probleem te omzeilen, gebruiken onderzoekers onschadelijke virussen om de DNA-instructies voor het maken van deze eiwitten mee te liften naar hersencellen. Van daaruit worden cellen voor de gek gehouden om dezelfde machinerie te gebruiken die ze gebruiken om hun eigen eiwitten te bouwen om genoom-bewerkingstools te bouwen, waardoor cellen in wezen fabrieken worden voor hun eigen medicijnen!

Wat is er nieuw met Zinkvingers voor HD?

Niet bang om een goede uitdaging aan te gaan, hebben veel onderzoeksteams hard gewerkt aan het aanpakken van de eerder genoemde problemen om vooruitgang te boeken in het toepassen van deze nieuwe technieken op HD. Eerder meldde HDBuzz dat een groep onderzoekers uit Spanje een nieuw zinkvingermedicijn had getest dat enkele gunstige effecten vertoonde in een muismodel van HD in een korte-termijnstudie (http://en.hdbuzz.net/103).

Onlangs heeft hetzelfde onderzoeksteam – onder leiding van Mark Isalan, die nu verblijft aan het Imperial College in Londen, VK – een bijgewerkte versie van hun medicijn ontworpen en getest om te zien of ze de effecten ervan voor een langere periode konden verbeteren en de schadelijke immuunrespons in de hersenen, geassocieerd met het afleveren van het medicijn met behulp van AAV’s, konden verminderen.

Na intensief biochemisch sleutelwerk konden Isalan en collega’s aantonen dat hun nieuwe en verbeterde zinkvingerkandiaat effectiever was dan hun vorige versie in het verminderen van het schadelijke mutante huntingtine-eiwit, langer werkzaam was, selectiever was in het richten op alleen het HD-gen, en een veel beter veiligheidsprofiel vertoonde dan hun vorige versie.

Dit zijn inderdaad zeer opwindende bevindingen, en allemaal positieve stappen voorwaarts om zinkfingertherapie een haalbare optie te maken voor de behandeling van HD bij mensen! Dit langzame, geduldige werk met zinkvingers lijkt op wat er gebeurde met ASO-medicijnen, die een voorsprong van vele jaren hebben op genoom-bewerkingstools.

Hoe zit het met CRISPR?

Hoewel CRISPR wordt beschouwd als de meest nauwkeurige manier om het genoom te bewerken, is deze technologie nog steeds de nieuwkomer en hebben wetenschappers veel minder tijd gehad om de kinderziektes eruit te halen in vergelijking met de andere technieken.

In een spannende vooruitgang in het gebruik van CRISPR als therapeutische optie bij HD, heeft een team van onderzoekers onder leiding van Jong-Min Lee bij het Massachusetts General Hospital onlangs een CRISPR-construct ontwikkeld dat selectief de mutante, maar niet het wildtype-kopie van het HD-gen kan verwijderen in cellen in een kweekschaaltje. Door gebruik te maken van het zeer specifieke richtingsvermogen van CRISPR, konden ze behandelde cellen instrueren om het mutante HD-gen weg te knippen, terwijl de gezonde kopie intact bleef.

Natuurlijk is het één ding om aan te tonen dat een medicijn effectief is op cellen in een kweekschaaltje, en iets heel anders om aan te tonen dat het effectief kan zijn wanneer het wordt getest in een levend organisme. Dit geldt vooral voor technieken zoals CRISPR – voor zover we nu weten hebben we een virus nodig om de instructies naar elk van onze 100 miljard hersencellen te brengen om ze allemaal te redden van de effecten van het mutante HD-gen.

Een ander risico is dat CRISPR en andere genoom-bewerkingstools DNA permanent wijzigen. Dit is anders dan medicijnen zoals ASO’s die uiteindelijk uit de hersenen worden verwijderd, wat betekent dat hun effecten na verloop van tijd verdwijnen als ze niet opnieuw worden toegediend.

Op het eerste gezicht lijkt dit fantastisch! Als we HD zouden kunnen genezen met slechts één behandeling, zouden we dat zeker graag willen doen. We zijn echter nog steeds onzeker over de langetermijneffecten van het permanent verwijderen van het HD-gen en het verminderen van de hoeveelheid huntingtine-eiwit die wordt aangemaakt, ongeacht of het mutant is of niet. De mogelijkheid bestaat dat het permanent verwijderen van het HD-gen later tot ernstige gezondheidsproblemen van een andere aard kan leiden, en we zullen aanzienlijk tijd moeten besteden aan het bestuderen van de effecten voordat we weten of het veilig zal zijn.

Wat komt er hierna?

Er moet nog veel werk worden verzet voordat genoom-bewerkingstechnieken zoals zinkvingers en CRISPR-behandelingen haalbare opties worden voor de ziekte van Huntington, maar het hier gepresenteerde onderzoek laat zien dat we belangrijke stappen hebben gezet om dit te bereiken.

Hoewel het recente werk laat zien dat zinkfingertherapie effectief is in een muismodel van HD – waarvan de hersenen kleiner zijn dan een dubbeltje – zal het veel moeilijker zijn om aan te tonen dat het effectief kan zijn bij mensen, wier hersenen veel groter en complexer zijn en veel andere uitdagingen vormen die overwonnen moeten worden. CRISPR-therapie zal waarschijnlijk nog meer tijd kosten, aangezien we nu pas op het punt komen waar we plannen kunnen maken om de effectiviteit ervan te testen in muismodellen van HD.

Dit is echter geen reden om ontmoedigd te raken, en we denken zelfs dat het tegendeel waar is! Het meest opwindende aan het huidige onderzoek is dat het laat zien dat we meerdere pijlen op onze boog hebben bij het ontwikkelen van huntingtine-verlagende behandeling voor HD. Zelfs als één optie niet zo uitpakt als we hadden gehoopt, maken we gestage vooruitgang bij het ontwikkelen van nieuwe therapieën die ook effectieve behandelingen voor HD kunnen bieden.

Dit idee begint bij velen snel aan te slaan – onlangs hebben twee farmaceutische bedrijven, Sangamo Biosciences en Shire Pharmaceuticals, hun krachten gebundeld om hun inspanningen voor het ontwikkelen van zinkfingerbehandeling als therapeutische optie voor de ziekte van Huntington te versnellen. Hoewel het even zal duren om de kinderziektes eruit te halen, denken we dat het slechts een kwestie van tijd is voordat hetzelfde geldt voor CRISPR. Persoonlijk vinden we dat de vooruitgang die tot nu toe is geboekt ons veel reden geeft tot optimisme!

Meer informatie

• Originele studie van Lee en collega’s die specifieke onderdrukking van het mutante HD-gen beschrijft met behulp van CRISPR in cellen van HD-patiënten. (volledig artikel vereist betaling of abonnement)
• Originele studie van Isalan en collega’s die hun werk beschrijft bij het verbeteren van zinkfinger virale behandelingen in HD-muismodellen (open access)
• Een mooie animatie die beschrijft hoe CRISPR wetenschappers in staat stelt DNA te bewerken