211service.com
Genoomchirurgie
Nauwkeurige en gemakkelijke manieren om menselijke genen te herschrijven, kunnen eindelijk de hulpmiddelen bieden die onderzoekers nodig hebben om enkele van onze meest dodelijke genetische ziekten te begrijpen en te genezen. 11 februari 2014
In de afgelopen tien jaar is ons begrip van het menselijk genoom, naarmate de technologie voor DNA-sequencing steeds sneller en goedkoper is geworden, dienovereenkomstig toegenomen. Toch zijn wetenschappers tot voor kort grotendeels achter gebleven toen ze probeerden genen in een levende cel direct te wijzigen. Neem bijvoorbeeld sikkelcelanemie. Deze slopende en vaak dodelijke ziekte wordt veroorzaakt door een mutatie in slechts één van de drie miljard DNA-basenparen van een patiënt. Hoewel deze genetische fout eenvoudig en goed bestudeerd is, zijn onderzoekers niet in staat om deze te corrigeren en de verwoestende effecten ervan te stoppen.
Nu is er hoop in de vorm van nieuwe genoom-engineering tools, met name een genaamd CRISPR. Deze technologie zou onderzoekers in staat kunnen stellen microchirurgie uit te voeren op genen, waardoor een DNA-sequentie op exacte locaties op een chromosoom nauwkeurig en gemakkelijk kan worden veranderd. Samen met een techniek genaamd TALEN's, enkele jaren geleden uitgevonden, en een iets oudere voorganger op basis van moleculen die zinkvingernucleasen worden genoemd, zou CRISPR gentherapieën breder toepasbaar kunnen maken, remedies bieden voor eenvoudige genetische aandoeningen zoals sikkelcelanemie en uiteindelijk zelfs leiden tot geneest voor complexere ziekten waarbij meerdere genen betrokken zijn. De meeste conventionele gentherapieën plaatsen nieuw genetisch materiaal grofweg op een willekeurige plaats in de cel en kunnen alleen een gen toevoegen. Daarentegen bieden CRISPR en de andere nieuwe tools wetenschappers ook een precieze manier om specifieke stukjes DNA te verwijderen en te bewerken, zelfs door een enkel basenpaar te veranderen. Dit betekent dat ze het menselijk genoom naar believen kunnen herschrijven.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2014
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Het zal waarschijnlijk nog minstens enkele jaren duren voordat dergelijke inspanningen kunnen worden ontwikkeld tot geneesmiddelen voor de mens, maar een groeiend aantal academische onderzoekers heeft enig voorlopig succes geboekt met experimenten met sikkelcelanemie, HIV en cystische fibrose (zie onderstaande tabel). Een daarvan is Gang Bao, een bio-ingenieursonderzoeker aan het Georgia Institute of Technology, die CRISPR al heeft gebruikt om de sikkelcelmutatie in menselijke cellen die in een schaal worden gekweekt, te corrigeren. Bao en zijn team begonnen het werk in 2008 met behulp van zinkvingernucleasen. Toen TALENs uitkwam, schakelde zijn groep snel over, zegt Bao, en begon CRISPR te gebruiken toen die tool beschikbaar kwam. Hoewel hij ambities heeft om uiteindelijk aan verschillende ziekten te werken, zegt Bao dat het zinvol is om te beginnen met sikkelcelanemie. Als we een ziekte kiezen om te behandelen met behulp van genome editing, moeten we beginnen met iets relatief eenvoudigs, zegt hij. Een ziekte veroorzaakt door een enkele mutatie, in een enkel gen, waarbij slechts een enkel celtype betrokken is.
Bao heeft wel een idee hoe zo'n behandeling zou werken. Momenteel zijn artsen in staat een klein percentage van de sikkelcelpatiënten te genezen door een menselijke donor te vinden wiens beenmerg een immunologische match is; chirurgen kunnen dan een deel van de beenmergstamcellen van de patiënt vervangen door gedoneerde. Maar dergelijke donoren moeten precies worden afgestemd op de patiënt, en zelfs dan is immuunafstoting - een potentieel dodelijk probleem - een serieus risico. Bao's genezing zou dit alles voorkomen. Na het oogsten van voorlopers van bloedcellen, hematopoëtische stamcellen genaamd, uit het beenmerg van een sikkelcelpatiënt, zouden wetenschappers CRISPR gebruiken om het defecte gen te corrigeren. Dan zouden de gen-gecorrigeerde stamcellen worden teruggegeven aan de patiënt, waardoor gezonde rode bloedcellen worden geproduceerd om de sikkelcellen te vervangen. Zelfs als we 50 procent kunnen vervangen, zal een patiënt zich veel beter voelen, zegt Bao. Als we 70 procent vervangen, is de patiënt genezen.
Hoewel genoombewerking met CRISPR iets meer dan een jaar oud is, vindt het genetisch onderzoek nu al opnieuw uit. Het geeft wetenschappers met name de mogelijkheid om snel en gelijktijdig meerdere genetische veranderingen in een cel aan te brengen. Veel menselijke ziekten, waaronder hartaandoeningen, diabetes en diverse neurologische aandoeningen, worden beïnvloed door talrijke varianten in zowel ziektegenen als normale genen. Het is een langzaam en vervelend proces geweest om deze complexiteit met diermodellen te plagen. Voor veel biologievragen willen we weten hoe verschillende genen op elkaar inwerken, en daarvoor moeten we mutaties in meerdere genen introduceren, zegt Rudolf Jaenisch, bioloog aan het Whitehead Institute in Cambridge Massachusetts. Maar, zegt Jaenisch, het kan tot een jaar duren om conventionele hulpmiddelen te gebruiken om een muis met een enkele mutatie te maken. Als een wetenschapper een dier met meerdere mutaties wil, moeten de genetische veranderingen opeenvolgend worden aangebracht en kan de tijdlijn voor één experiment zich uitstrekken tot jaren. Daarentegen rapporteerden Jaenisch en zijn collega's, waaronder MIT-onderzoeker Feng Zhang (een 2013-lid van onze lijst van 35 innovators onder de 35 jaar), afgelopen voorjaar dat CRISPR hen in staat had gesteld om in drie weken een muizenstam met meerdere mutaties te creëren.
Omdat een CRISPR-systeem eenvoudig kan worden ontworpen om zich op elk specifiek gen te richten, stelt de technologie onderzoekers in staat experimenten uit te voeren die een groot aantal van hen onderzoeken. In december hebben teams onder leiding van Zhang en MIT-onderzoeker Eric Lander bibliotheken met CRISPR's gemaakt, die elk op een ander menselijk gen zijn gericht. Deze enorme collecties, die verantwoordelijk zijn voor bijna alle menselijke genen, zijn beschikbaar gesteld aan andere onderzoekers. De bibliotheken beloven om genoombrede studies over de genetica van kanker en vele andere menselijke ziekten te versnellen.
Genoom GPS
De biotechnologie-industrie werd geboren in 1973, toen Herbert Boyer en Stanley Cohen vreemd DNA dat ze in het laboratorium hadden gemanipuleerd, in bacteriën inbrachten. Binnen een paar jaar was Boyer medeoprichter van Genentech en was het bedrijf begonnen met het gebruik van E coli gemodificeerd met een menselijk gen om insuline voor diabetici te produceren. 1974, Jaenisch , en vervolgens aan het Salk Institute for Biological Studies in San Diego, creëerde de eerste transgene muis door virussen te gebruiken om het genoom van het dier te voorzien van een beetje DNA van een andere soort. In deze en andere vroege voorbeelden van genetische manipulatie waren onderzoekers echter beperkt tot technieken waarbij het vreemde DNA willekeurig in de cel werd ingebracht. Het enige wat ze konden doen was hopen op het beste.
Het duurde meer dan twee decennia voordat moleculair biologen bedreven werden in het efficiënt veranderen van specifieke genen in dierlijke genomen. Dana Carroll van de Universiteit van Utah erkende dat zinkvingernucleasen, gemanipuleerde eiwitten die in 1996 door collega's van de Johns Hopkins University zijn gerapporteerd, kunnen worden gebruikt als een programmeerbaar hulpmiddel voor het richten van genen. Het ene uiteinde van het eiwit kan worden ontworpen om een bepaalde DNA-sequentie te herkennen; het andere uiteinde snijdt DNA. Wanneer een cel die sneden vervolgens op natuurlijke wijze herstelt, kan hij zijn genoom patchen door te kopiëren van geleverd vreemd DNA. Hoewel de technologie wetenschappers uiteindelijk in staat heeft gesteld om met vertrouwen veranderingen aan te brengen op een chromosoom, is het moeilijk te gebruiken. Elke wijziging vereist dat de onderzoeker een nieuw eiwit ontwikkelt dat is afgestemd op de beoogde sequentie - een moeilijke, tijdrovende taak die, omdat de eiwitten kieskeurig zijn, niet altijd werkt.
TALEN's, een andere belangrijke vooruitgang in het bewerken van genen, kwam in 2010. TALEN's zijn ook eiwitten die een gewenste DNA-sequentie vinden en knippen, maar ze aanpassen aan nieuwe gendoelen is veel gemakkelijker. Hoewel ze een grote verbetering waren ten opzichte van zinkvingers, zijn TALEN's echter grote eiwitten die omslachtig zijn om mee te werken en in cellen af te leveren.
CRISPR heeft alles veranderd. Het vervangt de DNA-targeting-eiwitten door een kort stukje RNA dat zich in de gewenste genen nestelt. In tegenstelling tot de complexe eiwitten, kan RNA - dat bijna dezelfde eenvoudige structuur heeft als DNA - routinematig in het laboratorium worden gemaakt; een technicus kan snel de ongeveer 20-letter lange reeksen synthetiseren die de methode vereist. Het systeem maakt het voor medische onderzoekers gemakkelijk om een genoom aan te passen door DNA te vervangen, te verwijderen of toe te voegen.
In iets meer dan een jaar is CRISPR begonnen met het opnieuw uitvinden van genetisch onderzoek.
CRISPR staat voor geclusterde regelmatige interspaced korte palindroomherhalingen - clusters van korte DNA-sequenties die op dezelfde manier voorwaarts en achterwaarts worden gelezen, die in veel soorten bacteriën worden aangetroffen. Wetenschappers observeerden voor het eerst de raadselachtige DNA-segmenten in de jaren tachtig, maar begrepen bijna twee decennia niet dat ze deel uitmaken van een bacterieel afweersysteem. Wanneer een virus aanvalt, kunnen bacteriën sequenties van viraal DNA opnemen in hun eigen genetische materiaal, en ze tussen de zich herhalende segmenten inklemmen. De volgende keer dat de bacteriën dat virus tegenkomen, gebruiken ze het DNA in deze clusters om RNA's te maken die de bijpassende virale sequenties herkennen. Een eiwit dat aan een van deze RNA's is gehecht, snijdt vervolgens het virale DNA in stukken.
In 2012 heeft Emmanuelle Charpentier, een medisch microbioloog die pathogenen bestudeert aan het Helmholtz Center for Infection Research, en Jennifer Doudna , een medewerker van de University of California, Berkeley, toonde aan dat ze een enkel RNA konden gebruiken in combinatie met het snij-eiwit, een enzym genaamd Cas9, om elke gewenste sequentie van DNA in reageerbuizen te snijden. Het was nog onzeker of de methode zou werken in dierlijke cellen, maar in januari 2013 kwam er een dramatische doorbraak. Zhang en George Church, een geneticus van de Harvard Medical School, rapporteerden afzonderlijk dat het CRISPR/Cas9-systeem zou kunnen worden gebruikt voor het bewerken van genen in de cellen van dieren, inclusief mensen.
Nu hoeft een onderzoeker die achter een nieuw gen aan wil gaan alleen het Cas9-eiwit en een beetje RNA te synthetiseren dat overeenkomt met de sequenties van het doelgebied. Het RNA leidt het enzym vervolgens naar het DNA dat de onderzoeker wil knippen. En omdat hetzelfde snij-eiwit ongeacht het doelwit wordt gebruikt, kunnen onderzoekers experimenten ontwerpen waarin ze meerdere genen in een organisme tegelijkertijd veranderen met behulp van Cas9 en meerdere RNA-gidsen. Het biedt de mogelijkheid om experimenten te doen die in het verleden erg moeilijk of eigenlijk niet mogelijk waren, zegt Doudna.
Complexe mysteries
Zhang van MIT, die lid is van het Broad Institute en het McGovern Institute for Brain Research, is geïnteresseerd in de genetica achter geestesziekten. Om deze complexe aandoeningen te begrijpen, heeft Zhang geholpen bij de ontwikkeling van meerdere gen- en neuronmodificerende hulpmiddelen, waaronder TALEN's en optogenetica, een techniek waarbij de neuronactiviteit met laserlicht wordt gecontroleerd. Toen hij in 2011 voor het eerst over CRISPR hoorde, begon hij het te ontwikkelen voor gebruik in menselijke cellen. Nu gebruikt hij CRISPR om de genetische geheimen achter verwoestende en slecht begrepen aandoeningen als schizofrenie en autisme te onthullen.
Met de tool kan Zhang beginnen met het systematisch testen van enkele van de DNA-varianten die aan de ziekten zijn gekoppeld. Hoewel er de afgelopen tien jaar veel vooruitgang is geboekt bij het identificeren van genen die veel voorkomen bij mensen met deze aandoeningen, is het een enorme uitdaging om te begrijpen hoe deze genen zich verhouden tot de symptomen. Wat je van sequencing leert, is slechts een observatie, zegt Zhang: om te begrijpen of een verdacht gen de aandoening daadwerkelijk veroorzaakt, moet je de specifieke mutatie in gezonde cellen of organismen introduceren en kijken wat er mis gaat. Als de gemuteerde cel of het gemuteerde organisme kenmerken heeft die de menselijke ziekte nabootsen, is dat bewijs dat het gen impliceert.
Zhang kan, zowel in laboratoriummuizen als in gekweekte menselijke cellen, genetische varianten herscheppen die worden aangetroffen bij mensen met autisme en schizofrenie. Je kunt bij een proefdier een menselijke mutatie in het bijbehorende gen stoppen en dan kijken: wordt dat dier minder sociaal of heeft het een leerachterstand? hij zegt. Vervolgens, voegt hij eraan toe, kun je verschillen in het gedrag en de fysiologie bestuderen van in het laboratorium gekweekte neuronen die zijn gegroeid uit stamcellen die met dezelfde mutatie zijn gemodificeerd. Met enkelvoudige genmutaties zullen we aspecten van de biologische functie gaan zien die betrokken zijn bij autisme, zegt hij.
Zhang gebruikt CRISPR ook om meerdere genetische veranderingen tegelijk aan te brengen. Dat wordt vooral belangrijk bij complexe ziekten zoals autisme en schizofrenie, die voor het grootste deel niet worden veroorzaakt door het type enkele DNA-verandering achter sikkelcelanemie. Verschillende patiënten worden beïnvloed door verschillende verzamelingen mutaties. Het oplossen van een puzzel van zo'n immense complexiteit vereist grote, systematische studies naar de effecten van verschillende genen en de manier waarop ze op elkaar inwerken. CRISPR maakt dergelijke studies mogelijk, zegt Zhang, en zal belangrijk zijn bij het vinden van behandelingen voor een verscheidenheid aan complexe ziekten. We zullen meer begrijpen over paden en ziektemechanismen, zegt hij. Deze kennis zal allerlei soorten geneesmiddelenontwikkeling informeren.
Designer baby's
Eind vorig jaar richtten Doudna, Zhang, Church en twee andere pioniers op het gebied van genoombewerking een startup op die nieuwe behandelingen voor menselijke genetische ziekten zal ontwikkelen. In november heeft het bedrijf Medicijnen afgegeven , kondigde aan dat het $ 43 miljoen aan durfkapitaal had opgehaald en zei dat het van plan is om genoombewerkingstechnologieën te gebruiken tegen een breed scala aan ziekten.
De lancering van Editas zou moeten profiteren van een hernieuwde belangstelling voor gentherapie dankzij jarenlange technologische verbeteringen, waaronder veiligere mechanismen voor het toedienen van behandelingen. Het landschap is veranderd voor gentherapie, zegt Church. (Er zijn nog steeds geen gentherapieën goedgekeurd in de Verenigde Staten, hoewel er een aantal in proeven bij mensen zijn.) Maar hij zegt dat de therapieën die Editas zal ontwikkelen fundamenteel zullen verschillen van de oudere benaderingen die een virus gebruiken om een gen in cellen in te voegen.
Misschien kunnen wetenschappers normale genen herschrijven, zodat mensen infecties beter kunnen bestrijden.
Een wijziging of verwijdering aanbrengen is buiten bereik voor de meeste van die eenvoudige virale methoden, zegt Church. En het verwijderen van een stukje DNA, in plaats van een gen toe te voegen, kan inderdaad de sleutel zijn tot de behandeling van veel ziekten. Neem de ziekte van Huntington. De fatale hersenaandoening komt voort uit een opeenhoping van een toxisch eiwit in neuronen. Het toevoegen van een gezonde kopie van het gen aan de cel zou de giftige activiteit van dat eiwit niet beïnvloeden: de oorspronkelijke disfunctionele versie moet worden herschreven. Met de nieuwe tools voor het bewerken van het genoom, zegt Church, kan het herschrijven van het defecte DNA mogelijk zijn: je bent niet beperkt tot het toevoegen van iets dat ontbreekt. En, voegt hij eraan toe, als je je realiseert dat de meest voorkomende versies van genen niet per se de ideale versies zijn, dan besef je dat dit een veel groter veld is. Misschien kunnen wetenschappers normale genen herschrijven, zodat mensen infectieziekten beter kunnen bestrijden. Ze zouden zelfs in staat kunnen zijn om de moleculaire routes die bij veroudering betrokken zijn, door elkaar te schudden.
Church voorspelt ook dat als genoombewerking wordt gebruikt om kinderziekten te genezen, sommige wetenschappers in de verleiding zullen komen om het te gebruiken om embryo's te maken tijdens in-vitrofertilisatie. Onderzoekers hebben al aangetoond dat genoombewerking DNA-sequenties in embryo's van ratten en muizen kan herschrijven, en eind januari meldden onderzoekers in China dat ze genetisch gemodificeerde apen hadden gemaakt met behulp van CRISPR. Met dergelijke technieken kan het genoom van een persoon vóór de geboorte worden bewerkt - of, als er wijzigingen zijn aangebracht in de eieren of spermaproducerende cellen van een toekomstige ouder, zelfs vóór de conceptie.
Deze mogelijkheden roepen ethische vragen op. Maar als onderzoekers bewijzen dat ze ziekten veilig kunnen corrigeren door het genoom te bewerken, is het onvermijdelijk dat sommige ouders ook het genoom van gezonde embryo's willen veranderen. Als je mentale retardatie kunt voorkomen met gentherapie, aangenomen dat dat is toegestaan, dan komt er een heel spectrum aan intellectuele uitdagingen aan bod, zegt Church.
Dergelijke discussies zullen waarschijnlijk verhitten naarmate CRISPR op grotere schaal wordt gebruikt. Maar voorlopig evolueert de technologie nog steeds: terwijl onderzoekers zoals Bao, Church en Zhang uiteindelijk hopen enkele van onze meest hardnekkige ziekten te genezen, wordt veel van hun tijd nog steeds besteed aan het verfijnen van de tool en het verkennen van de mogelijkheden ervan. Maar zelfs in deze vroege dagen heeft CRISPR de manier waarop deze onderzoekers denken over het manipuleren van het genoom al getransformeerd. Ze zijn niet langer gehandicapt.