Schakel de genoom-editor uit als je klaar bent

Genoom-editing is momenteel een veelbesproken grens in de medische wetenschap, waarbij ‘DNA-chirurgie’ de mogelijkheid biedt om genetische ziekten zoals de ziekte van Huntington te behandelen of te genezen. We kijken hier naar wat deze technologie momenteel kan en bespreken de uitdagingen die nog voor ons liggen. We bespreken ook hoe een team Zwitserse wetenschappers onlangs een manier heeft ontwikkeld om de genoom-bewerkingsmachinerie uit te schakelen nadat deze zijn werk heeft gedaan.

Eerst wat basisprincipes

We zijn allemaal opgebouwd uit cellen, en elke cel bevat een volledige kopie van ons DNA. Ons DNA is de handleiding voor ons lichaam. Het bestaat uit vier chemische ‘letters’ – A, T, G en C. De volledige handleiding staat bekend als het genoom. Onze cellen lezen de volgorde van chemische letters in DNA om eiwitten te maken, en het DNA dat overeenkomt met één eiwit wordt een gen genoemd.

Wat is genoom-editing?:

De ziekte van Huntington wordt veroorzaakt door een mutatie in het gen dat een recept is voor een eiwit genaamd huntingtine. Bij mensen met HD wordt de sequentie CAG te vaak herhaald aan het begin van het gen. Daardoor maken cellen een schadelijk eiwit aan – gemuteerd huntingtine.

Zou het niet geweldig zijn als we dat stukje DNA weer normaal konden maken? Dit idee is niet nieuw, maar recent zijn er hulpmiddelen ontwikkeld die het ooit mogelijk zouden kunnen maken om DNA bij mensen te bewerken.

Genoom-editing gebruikt eiwitten genaamd nucleasen, dit zijn moleculaire machines die DNA knippen. De technologie die recent in het nieuws is, is CRISPR. Het verhaal gaat terug naar de vroege jaren ’90 toen onderzoekers vreemde clusters van herhaalde DNA-letters in bacteriën vonden. Ze noemden ze CRISPRs, maar ze wisten toen nog niet wat ze deden. Even later, in 2002, ontdekten wetenschappers dat er DNA-instructies zijn voor het maken van een nuclease vlakbij deze herhalingen. We noemen deze nucleasen ‘Cas’. In 2005 viel nog een puzzelstukje op zijn plaats toen onderzoekers ontdekten dat de korte sequenties tussen de herhalingen niet van de bacteriën zelf waren, maar eigenlijk viraal DNA dat aan het bacteriële genoom was toegevoegd na een infectie.

Het blijkt dat de combinatie van CRISPR en Cas (CRISPR/Cas) eigenlijk een bacterieel immuunsysteem is – een wapen dat ze gebruiken tegen virussen. Wanneer een virus een bacteriële cel infecteert, steelt de bacterie een klein beetje van zijn DNA en voegt het in zijn eigen genoom tussen de CRISPR-herhalingen. De hele sequentie – CRISPR, viraal DNA en nuclease knipapparaat – wordt een wapen dat het DNA van het binnendringende virus kan herkennen en in stukjes kan knippen, waardoor infectie wordt voorkomen.

Uiteindelijk toonden Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier in 2012 aan dat door het aanpassen van de DNA-sequentie in het middenstuk, je Cas kunt laten knippen op elk gewenst punt. Dat deel is als het richtingssysteem van de Cas-nuclease – en voilà, we hebben een op maat gemaakt genoom-bewerkingsgereedschap!

Genoom-editing omzetten in een behandeling

Menselijke cellen hebben geen CRISPR of Cas, dus om het menselijk genoom te bewerken, moet je de cellen eerst leren hoe ze deze gen-bewerkingstools moeten maken. Daarvoor verpakken wetenschappers het DNA-recept voor CRISPR en Cas in een onschadelijk virus en infecteren ze de cellen ermee. Het virus injecteert het DNA in de cellen. De cellen produceren de CRISPR- en Cas-bewerkingstools, die vervolgens aan de slag gaan met het eigen DNA van de cel en het op de gewenste locatie knippen.

Een grote uitdaging is ervoor zorgen dat Cas niet het verkeerde doelwit raakt. Als er ergens anders een DNA-sequentie is die er erg op lijkt, dan zou Cas die ook kunnen knippen. Dit betekent dat je bij het proberen een mutatie in één gen te corrigeren, een andere zou kunnen introduceren – en dat zou een hele nieuwe ziekte kunnen veroorzaken.

Genoom-editing om ziekten te behandelen

Genoom-editing heeft de potentie om veel ziekten te genezen. Het onderzoek staat nog in de kinderschoenen, vooral bij mensen. In een recent onderzoek gebruikten Chinese onderzoekers CRISPR/Cas in menselijke embryo’s om een mutatie te corrigeren die de bloedziekte beta-thalassemie veroorzaakt. De embryo’s werden niet geïmplanteerd, maar het toonde wel aan dat het menselijk genoom kan worden bewerkt.

Genoom-editing gebruiken om de ziekte van Huntington te behandelen

Er loopt momenteel een spannende ‘huntingtine-verlagende’ studie waarbij een geneesmiddel genaamd antisense oligonucleotide (ASO) wordt gebruikt om de hoeveelheid huntingtine-eiwit in hersencellen te verminderen. Deze methode wordt soms ‘gen-silencing’ genoemd, maar dit is geen genoom-editing, omdat het geneesmiddel het eigen DNA van de hersenen niet verandert.

Genoom-editing zou een belangrijke stap verder gaan door de ziekte van Huntington op DNA-niveau te behandelen. Er zijn verschillende manieren om dit aan te pakken. Idealiter zou het mogelijk zijn om de lange CAG-herhaling terug te brengen tot een normale lengte. Hoewel CRISPR/Cas momenteel goed is in het veranderen van enkele letters in DNA, kan het nog niet specifiek het verlengde gen targeten en het aantal CAG-herhalingen verminderen. Een alternatieve aanpak is om het genetische equivalent van een STOP-teken vroeg in het HTT-gen te introduceren, zodat het eiwit helemaal niet wordt gemaakt.

In theorie zou genoom-editing permanent en volledig stoppen met het maken van het eiwit. Dit klinkt misschien geweldig, maar het is potentieel een tweesnijdend zwaard, omdat het eenmaal gedaan niet meer ongedaan kan worden gemaakt, dus als er iets misgaat, kan het langdurige effecten hebben.

CRISPR/Cas verfijnen bij de ziekte van Huntington

Zodra het DNA voor CRISPR en Cas in een genoom is ingebracht, blijft het daar voor altijd. Dit betekent dat cellen de Cas-nuclease blijven maken, ook al is het alleen nodig om één taak te doen – het knippen van het DNA van de cel waarin het rondzweeft. Daarna is het niet meer nodig.

Vroeg of laat bestaat het risico dat de Cas-nuclease ergens knipt waar het niet zou moeten, waardoor een mutatie wordt geïntroduceerd die een ziekte zou kunnen veroorzaken. Vergeet ook niet dat Cas oorspronkelijk van bacteriën kwam. Dat betekent dat het menselijke immuunsysteem het als vreemd zou kunnen herkennen en proberen aan te vallen, wat een gevaarlijke immuunreactie zou kunnen veroorzaken.

Idealiter willen we een CRISPR/Cas-behandeling die slechts heel kort werkt, het DNA op de gekozen manier bewerkt en zichzelf dan uitschakelt.

Het team van Nicole Déglon van de Universiteit van Lausanne in Zwitserland heeft een manier ontwikkeld om dit voor elkaar te krijgen. Ze ontwikkelden een manier om Cas uit te schakelen zodra het klaar is met het bewerken van het HTT-gen, waardoor de kans kleiner wordt dat het een immuunreactie veroorzaakt of ergens knipt waar het niet zou moeten.

Het coole idee van het Zwitserse team was om een CRISPR/Cas-machine te maken die zich richt op het huntingtine-gen – maar met een extra CRISPR-sequentie die de Cas-nuclease ook zijn eigen DNA laat targeten. Wanneer het zijn eigen DNA knipt, schakelt het systeem zichzelf uit.

Deze extra CRISPR-sequentie, die ze ‘KamiCas9’ noemden (ja, de naam is een nogal twijfelachtige woordspeling op het woord ‘kamikaze’), wordt veel langzamer aangemaakt dan degene die op Huntingtine is gericht, dus het effect is vertraagd. Dat betekent dat het eerst het huntingtine-gen deactiveert, en dan ongeveer vier weken later schakelt het genoom-bewerkingssysteem zichzelf uit. De bewerkingen die tijdens de eerste vier weken aan het Huntingtine-gen zijn gedaan, blijven voor altijd bestaan, maar de uiteindelijke deactivering van de Cas-nuclease vermindert de kans op schadelijke effecten later.

Waar staan we nu met genoom-editing?

Genoom-editing heeft een enorm potentieel om een breed scala aan ziekten te behandelen. Als het echter niet goed wordt gedaan, zou het ook genetische problemen in menselijk DNA kunnen introduceren die onvoorziene gevolgen zouden hebben voor patiënten en toekomstige generaties.

Het team van Déglon heeft een belangrijke vooruitgang geboekt in het uitschakelen van de bewerkingshardware nadat deze zijn werk heeft gedaan. Het krijgen van het gen-bewerkingssysteem in de menselijke hersenen is echter nog steeds een grote uitdaging, net als het risico dat het op de verkeerde plaats knipt voordat het zichzelf deactiveert.

Genoom-editing is een spannende technologie die in de toekomst een manier zou kunnen zijn om de ziekte van Huntington te voorkomen, of zelfs het risico voor toekomstige generaties weg te nemen. Deze nieuwe uit-knop is een voorbeeld van wetenschappers die hard werken om de technieken steeds te verbeteren. Het werk om genoom-editing klaar te maken om families die getroffen zijn door de ziekte van Huntington te helpen gaat door!

Meer informatie

• Artikel over het KamiCas9-systeem in het tijdschrift Cell Reports (open access)